无人机机场综述与展望
摘要：本文阐述了了无人机机场的概念与功能、国内外发展现状以及构成与类型，分析了无人巡检、无人巡逻、遥感测绘、应急作业以及物流配送等无人机机场常见应用场景，并结合无人机机场发展趋势，提出了提升安全可靠性、优化人机交互平台、强化系统适配程度、提升作业审批效率、加强适航验证审定等发展方向。
前言
近年来，作为全球科技革命和产业革命的焦点，无人机凭借着小巧灵活、性价比高、适用范围广、高空作业且不受地形限制等优势，已经广泛应用于各行业。为了进一步提升无人机的无人化、自主化与智能化，无人机机场应运而生。随着无人机机场的推出与进步，提升了无人机系统的智能化与高效化，解决了无人机在行业应用中的局限性，促进无人机技术与产业链的日益成熟。
1 无人机机场的概念与功能
1.1无人机机场的概念
无人机机场，或称无人机机库或无人机“机巢”，是行业场景的无人化应用载体，具备开箱即用、自主可控、稳定可靠、数据本地化、软硬件一体化、高环境适应性、多天气适应性等特点，可将无人机直接部署到作业现场，解决人工携带无人机通勤的问题，既能增强无人机应急作业能力，作业效率也得到大幅提升。无人机机场由于工业无人机户外作业，无人机机场为保证无人机的安置条件和提供全方位保障，对安全性、可靠性、稳定性、智能性有着极高的要求。通过高度自动化操作，无人机机场不仅提升了任务执行效率，还节省了时间与人力物力成本，同时也保证了任务执行流程的标准化、统一性。
1.2无人机机场的功能
作为无人机运行系统的飞行平台，无人机机场不仅是为无人机提供了一个防护恶劣气候条件、防盗、防野外动物的保护场所，同时还能为无人机充电或更换电池，提供数据传输等[1]。无人机机场的功能主要分为基本功能与必备功能（图1）。无人机机场具有解决存储功能，实现自动起飞、自动降落、自动正位、自动收纳等基本功能。不工作时，无人机待机在无人机机场内；工作时，无人机机场舱门打开，升降平台上升至顶部，无人机自动飞出根据提前规划好的路线进行作业。任务完成后，无人机通过厘米级精度的定位与精密导航的位置校正，自主降落在无人机机场的区域中央，并自动归位在机库内 [2]，如利用超宽带技术的无人机精准回库[3]。除基本功能外，还需要具备无人机充能、机库高性能防护、内部温湿度调节、外部探测监测、无人机数据服务与载荷自动装卸等必要功能。
图1 无人机机场的功能
2 无人机机场国内外发展现状
2.1 国外发展现状
目前，世界各国正积极推动无人机发展，美国、德国、以色列、加拿大、日本等欧美洲国家已开发研制了自动化的无人机机场，广泛应用于通讯设施巡查、物流配送、消防监测、应急搜救以及国防军事等用途。American Robotics作为首批美国联邦航空管理局（FAA）首次批准的无人机机场企业之一，推出了SCOUTBASE无人机机场。日本电信服务提供商KDDI与韩国电信服务提供商LGUplus，于2020年下半年宣布开始合作研制无人机机场及自动化无人机控制系统。加拿大SkyX研发了用于勘察的无人机SkyOne及无人机机场，作为SkyOne在进行输油或天然气输气管道检查时的远距离飞行接力点。德国运输公司DHL研制无人机机场Parcelcopter Skyport，并且在雷特温克尔的巴伐利亚社区进行了3个月无人机快递试验，将无人机机场功能与物流装卸集成一体。联邦包裹速递服务公司（UPS）推出了一种无人机移动式自动机场，提高运输效率，且运送完包裹后，无人机可根据自动控制系统返航至自动机场中。以色列Airobotics获得了澳大利亚民航安全局（CASA）批准，允许其无人机机场在现场无人时进行远程操控，以用于应对各类场景的自动化作业。此外，还有美国Matternet、Sunflower Labs，以色列Sky Sapience、Airobotics、Arbe Robotics等企业致力于无人机机场以及自动化控制系统的研究，包括航空巨头波音（Boeing）也涉足了该领域，并提出了一种倾向于消防、搜救以及军事用途的无人机机场专利。
2.2 国内产品现状
我国无人机机场研发应用毫不逊色于欧美国家。我国无人机机场产品大致可以分为以下三类：
第一类是适配于自产无人机的无人机机场。为构建完善的无人机应用系统，我国部分无人机公司为自产的无人机研制适配的无人机机场，比如：北京云圣智能科技公司推出了虎穴固定式/移动式全自动机场与虎鲸工业无人机配套；蜂巢航宇科技公司的自动无人机机场系列产品兼容其旗下多旋翼、复合翼无人机；一飞智控公司提供“梧桐”自动化机场+“鸾凤”物流无人机的智慧物流配送体系；顺丰下属的丰鸟航空为顺丰货运无人机研发了顺丰无人机快递接驳机场，并创建“数字塔台”+“无人机”运行模式；京东联合深圳伟创公司为京东JDY-800“京鸿”货运型固定翼无人机/“京蜓”自转旋翼支线物流无人机推出了全流程智慧无人机机场自动着陆台与无人机运营调度中心；杭州迅蚁公司为自产的迅蚁TR7S/RA3多旋翼无人机构建了“医疗无人机+RH1无人机枢纽站”的协同运行模式，以形成无人机医疗配送网络等。
第二类是适配于大疆系列无人机的无人机机场。国内若干创业公司围绕大疆系列行业级无人机，结合业务场景定制化研制了不同的无人机机场。例如：上海复亚智能的MindCube智方S10/智方A30/智方V10无人机机场、多翼创新科技的固定式自动机场与移动式胶囊机场、中科云图的智臻-G900固定式\智臻-G600固定式\智睿-S100便携式\智拓T50无人机智能基站、中飞赛维的固定式多旋翼自动机场系统、优飞信息科技的优飞无人值守机场及昊舜视讯的HVP-P4RTK无人机智能机/HVP-M300型无人机机场等都是适配于不同类型的大疆无人机,主要应用于巡检、巡查、安防、测绘、环保督查、资源普查及应急指挥与救援等。
第三类是兼容主流无人机的无人机机场。少数科技企业如极臻智能、华录云涛研制的无人机机场能够适配于不同厂商的无人机。极臻智能的全自动化巡视的垂起固定翼智能无人值守机场适配主流垂起固定翼无人机，华录云涛的“云巢”无人机智能机场适配多机型无人机，兼容大疆DJI Mavic 2Enterprise/ Phantom 4 RTK无人机。
总体来看，我国众多厂商不同类型的无人机机场结合行业场景，以人工智能为核心构建一体化解决方案，采取“无人值守+全自动运营”作业模式，实现无人值守、自主充电、远程监控、无人数据处理、全自主飞行作业，安全性、可靠性、专业性的性能要求均达到行业应用场景要求，推动了我国加快构建智慧化的民用无人机产业体系。
3 无人机机场的构成与类别
3.1无人机机场的构成
无人机机场一般是一个设计精致的长方体机库，主要包括有三部分组成，即机库体、库内模块与库外设备（图2）。
机库体组成包含保护外壳、可自动开闭库门、无人机升降台以及无人机固定机械结构。
库内模块包括有机场控制模块、充换电系统模块、库内环境监测与调节模块以及地面站模块。机场控制模块即为机库体各组件的控制中枢，保障无人机安全出库与回收。充换电系统模块分为不用更换电池的充电模块以及更换电池的换电模块两种。库内环境监测与调节模块主要考虑到在野外环境中保证机库内温度、湿度的适宜。地面站模块负责远程指挥端与无人机之间的数据传输任务，包含有指挥端与自动机场之间的C2数据传输模块、自动机场与无人机之间上下行数传和图传数据传输模块[4]，以及作为无人机RTK、PPK技术中基准站的定位模块。
库外设备包括有环境监测设备与光电监视设备。监测设备如气象仪，可监测自动机场周围环境变化，采集各项与无人机飞行性能相关的数据，为飞行安全提供数据参考。光电监视设备则为远程监控无人机与自动机场当前状态，增强情景意识，确保无人机机场良好运行。
图2 无人机机场的构成
3.2 无人机机场的类型
在各厂商的无人机机场中，除了针对不同体积的无人机设计不同适用规格的自动机场外，从不同维度分为以下三种类别（图3）。
（1）固定式与车载式
固定式无人机机场主要针对长期飞行任务的需求，这类产品在制作工艺上需要具备良好的三防性能，在使用过程中需要具备足够的可靠性以及完备的自检流程。面对相对高频的应用场景，在固定作业区域，多个自动机场协同运作，还可将多个机场作为接力点，实现覆盖范围更大的单次作业航程。
车载式无人机机场是将无人机机场集成于车辆顶部，较前者拥有更强的灵活性，可针对需求临时布局。由于不用长时间置于野外，其对设备的可靠性要求更低。另外，由于每次任务执行都需要人员跟随参与，部分操作可转交于人工操作，还可作为机动性无人机指挥平台，提升突发应急事件现场处理的响应速度和作业效能。
（2）换电式与充电式
换电式无人机机场原理即当无人机完成飞行任务返回至机场后，由机械臂为无人机更换电池，以保证无人机在短暂停留后能继续运作。换电式原理看似简单，但在实际应用中对机械结构、机械轴运动路径、电池位置判断的精度都有很高要求。
充电式无人机机场则多是采用接触式充电和无线充电，前者通过配有一对智能触点，与无人机上的接口直接接触充电，而后者则需装载有感应线圈，充电速度缓慢。充电式由于需等待电池充满后才可继续执行飞行任务，相比于换电式耗时更长，并且当前快充技术还不够成熟，存在无人机锂电池使用寿命与稳定性问题，但是整体机械结构较换电式简单，可靠性高。
（3）多旋翼、复合翼与垂直固定翼
虽然当前国内外各个厂商的无人机机场还是以多旋翼无人机为主，但是也有部分产商针对不同构型的无人机做了适配，也如蜂巢航宇科技就推出了适用于复合翼的无人机机场。另外，极臻智能为适配主流垂起固定翼无人机，开发了固定翼智能无人值守机场。
图3 无人机机场的类型
4 无人机机场应用场景分析
现有无人机机场具有多种机型适配、便于安装布局、自动起降充电、自主规划航线、密集高频作业、实时灵活监管、数据深度挖掘等多重优势，已应用在不同环境中精准化应用服务、完成定制化作业任务。
4.1无人巡检
在以往传统的电网、风机、光伏、石化、通信基站等巡检工作中，需巡检设施分布分散，多处偏远地区，需要消耗大量的人力与时间，并且还有野外巡检危险系数大、检查不全面、人工采集数据不易数字化等问题。而利用无人机机场与智能网联无人机高效配合，进行相应的巡检工作，自主规划飞行航线任务，通过多站式分布与远程控制系统，使得单次巡检范围极大提升，减轻巡检人员劳动强度，提高巡检效率。
4.2 无人巡逻
无人机巡逻不同于定期巡检工作，通常是为了维护相应区域安全稳定而执行的常态化高频任务，包括有交通巡逻、安防巡逻、水利巡逻、林业巡逻等。无人机机场在执行巡逻任务时，响应快，效率高，工作人员可以远程监控，留存画面记录还可调取审查。
4.3遥感测绘
在国土资源调查、地质勘探、城市数字化、环保督察、房地产等行业项目的三维地理或建筑物的遥感测绘需求中，无人机低空监测大有作为。通过无人机在空中三角测量得到高精度点云数据制作数字高程模型（DEM）数据，，得到所需3D产品[5]或数字立体仿真模型。同时跟无人机机场高效配合，自动化程度高，拍摄质量佳，管理效能更便捷。
4.4 应急作业
应急作业即为紧急事故发生后利用无人机针对突发事件迅速处理，应急场景中环境复杂，交通不稳定，时间紧迫。无人机机场相较于传统无人机应急处理方式，可以在多个关键地点进行布置机场，全天候待命，一旦发生紧急情况，负责人员即可第一时间调用最近的无人机，及时应急处理。
4.5 物流配送
无人机机场在物流配送中，通过提前规划好转运枢纽到各末端站点的轨迹路线，在需要进行配送时，加载货物一键启动，完成规划航线飞行任务到达后，精确降落至目的地无人机机场，卸载货物、补充电能。相比于传统的末端配送，在劳动力消耗、运输耗时上都具有明显优势。
5 无人机机场发展思考与展望
未来的无人机机场需要深入结合行业具体需求，通过集成数智技术快速迭代升级，不断推进软硬件系统与作业场景的深度融合，形成自动化、常态化、可复制、易推广的无人化运营体系。
5.1 提升安全可靠性
无人机机场在一定程度上实现了真正的无人化作业，可野外高效执行巡检、巡逻任务。这就要求无人机和无人机机场具有优异的安全防护能力，确保机场内各机械设备的稳定，使其在不同场景下安全可靠地运行。同时，越高的自动化程度意味着需要具备更全面的保障措施以维护可靠性，因此无人机机场需要更加全面的检测能力、更加精准的AI起降算法、更高精度的飞控技术等，筑牢作业安全防护。
5.2 优化人机交互平台
无人机机场的目标用户群体并非专业无人机驾驶员，其发展应当以优化人机交互作为第一要务。第一，在无人机端应装设可靠的周边环境探测传感器，增强操作人员的情景意识；第二，简化操作界面，以令每次飞行任务操作步骤简短且固定；第三，预留提供给熟练超视距无人机驾驶员更多操作空间的通道，以执行特殊需求任务；第四，需有专业人员配合航线的审查工作；第五，保证具有良好的紧急情况处置手段。
5.3 强化系统适配程度
无人机机场的未来应当朝向无人机与自动机场之间高度适配发展，这种适配不仅仅是无人机与无人机机场的适配，更重要的是无人机与特定任务的适配。未来的工业无人机系统应当为无人机机场与无人机为一体的高度集成化设备，所有的无人机设计均服务于任务需求和无人机机场需求，完善“远程控制+网格管理+智能分析”的数字化决策模式，无人机、无人机机场、作业任务三者相辅相成构成一套独有无人化运营体系。
5.4 提升作业审批效率
当前无人机应用十分广泛，但现有无人机管理规章制度还处于摸索阶段，由于无人机的飞行具有太多不确定因素，相关管理部门对一般飞行的批复十分困难。而无人机机场在执行巡检、巡逻、配送任务时，均为定点定线作业，重复飞行路线，可以将大多数的空中避撞问题提前规划为路线管理问题，采用同一空域中多无人机协同任务路径规划、动态无人机飞行路线规划等新运行模式，充分利用低空空域，排除飞行安全隐患。便于相关管理部门接受，进而简化审批流程，提高效率。
5.5加强适航验证审定
无人机机场要与无人机高度耦合与无缝协作，是无人机系统的重要组成部分。近年来，我国民航局、工信部等主管部门先后发布了低空多项规范性系列文件，并已启动了对无人机设计制造企业的适航审查试点工作。我国现行无人机行业标准主要聚焦于无人机生产制造管理办法、低空空中交通管理、无线电设备、警用无人机、货运无人机等细分领域，相继对多款无人机开展适航审定工作。由于民用无人机的多样性及多元化的应用场景，目前国内外无人机机场尚未形成统一的规格标准。为此，我国主管部门要坚持审定标准与运行场景相结合，将无人机机场纳入无人机系统的适航审定范畴，基于运行风险监控，创新审定方法，完善测试验证程序，对标国际建立标准，构建智慧化无人机生态体系。
6 结束语
随着科学技术进步与商业模式创新、服务场景拓展，未来高度智能化的无人机机场加按需搭配工业级无人机系统，将不断拓展各行业服务场景的应用提供无人机全自动飞行系统和解决方案，全面增强我国民用无人机产业综合竞争力。
参考文献
[1]杨启帆,李志茹,马宏忠,辛俊韦.无人机蜂巢综合系统设计及应用[J].机械研究与应用,2020,33(06):167-169.
[2]深度解读：无人机机场是什么？[Online]Available:
https://www.sohu.com/a/413919263_120609015（2020/8/19）
[3]张宝译.超宽带技术在多旋翼无人机机场中的应用[J].工程技术研究,2020,5(13):111-112.
[4]周焱.无人机地面站发展综述[J].航空电子技术,2010,41(01):1-6.
[5]廖健雄,韩文锋,殷巍.无人机自动化机场及系统在水工工程项目中的应用[J].中国水运,2020(11):82-83.
注：本文系2021年四川省软科学项目“城市空中交通产业生态系统战略规划研究” （2021JDR0243）阶段性研究成果。原文发表于《国际航空》2022年第3期，在2022世界交通运输大会（WTC2022）作线上专题报告，并收录于《2022 世界交通运输大会（WTC2022）摘要集》
