程承旗,等. 北斗网格赋能低空立体交通系统发展

一、发展背景

低空经济作为近年来备受关注的新兴产业，正处于快速发展的关键时期。随着全球化与信息化进程的不断推进，低空经济不仅在国内市场迎来了前所未有的发展机遇，也成为全球经济新动能的重要组成部分。低空经济是指在垂直高度1000米以下，依实际需要延伸至不超过3000米的低空空域范围内，通过各种有人和无人驾驶航空器为载体，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，带动相关领域融合发展的综合性经济形态。低空经济展现出了巨大的潜力和广阔的前景，尤其是在无人机配送、低空文旅等新兴领域。

2024年1月1日，习近平主席签署的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式实施，这一政策的出台标志着我国低空经济发展的新阶段。该条例的实施为无人机产业的健康有序发展提供了法律保障，明确了无人机飞行的管理规则及安全保障措施，进一步推动了低空经济相关技术和市场的成熟。同时，该法规为未来低空空域管理体系的构建奠定了基础，促进了低空经济的政策引导和市场规范。中央工作会议确定低空经济作为国家战略性新兴产业，成为推动经济高质量发展的重要力量。根据国家空管局和各部委的规划，120米以下的低空空域已经由县级及以上人民政府管理，低空空域的管理体制逐步完善。为了进一步推动低空经济的发展，国家各部委的低空政策及中央空管委的低空城市交通试点部署，不仅有助于实现低空经济的跨区域发展，也为低空经济的未来发展模式提供了宝贵的经验。与此同时，低空经济的发展正在逐渐改变传统的生产生活方式，成为新质生产力的重要代表。低空经济将开创以“人人能用无人机，家家享受无人机服务”为代表场景的智能服务新时代。

目前，珠海、深圳等地的载人飞行、社区无人配送已取得成功，但需要隔离或独家飞行，在融合飞行场景遇到挑战，亟需建立全国时空标准统一地理空间的低空立体交通红绿灯系统，发展低空信息基础设施建设技术，实现低空建设“车同轨、书同文”。

北斗网格码是在全球剖分网格基础上发展出的一种多尺度、离散、适用于导航定位服务的全球地理网格编码模型。该网格编码模型提出了一套对全球空间区域位置信息的统一标识和表达方法，既能标识位置，又能标识区域，并且更加符合人的使用习惯与特点，从而能圆满解决经纬度体制难以解决的、对海量空间信息在标识和表达上的唯一性、可读性、多尺度、层次关联、无缝无叠以及对对象内部信息的表达等难题。北斗网格码作为一种集成高精度位置服务与大数据处理能力的技术方案，能够为无人机配送、空中交通管理等低空经济活动提供精准的时空信息服务。

二、低空域时空框架关键技术与创新

1. 重大理论突破——GeoSOT地球全域立体剖分模型

几百年的经纬度点坐标位置框架取得重大成就，域空间特别是立体域空间时空框架如何建立、如何标识的问题是国内外科学界热点探索问题。从原有点矢量2维、2.75维空间逐步演变到三维域离散空间。为实现地球全域空间信息在统一框架下组织管理、融合共享、高效检索与应用，急需建立统一的、立体的全球位置点域统一时空框架。GeoSOT（The geographical coordinate subdividing grid with one dimension integer coding on 2n-tree）为这一需求提供了切实可行的解决方案。

如图1所示，GeoSOT地球全域立体剖分模型将地表以上50万千米到地心的地球全域空间剖分成大至整个地球空间、小至厘米级的三维立体网格，通过将地球表面划分为多层次、递归的空间网格，GeoSOT能够提供一种有效的空间定位方式。每一个网格都通过唯一的二进制整型编码进行标识，从而实现对地球空间的精确描述，相比于传统的经纬度坐标，GeoSOT不仅提高了计算效率，还提升了数据存储和检索的便利性。这种编码方式特别适合大数据时代的快速检索和高效计算，能够有效应对复杂的空间信息管理问题。

图1  GeoSOT地球全域立

对比国际上同类地球空间剖分方法，具有下面几个重要优点：①符合我国CGCS2000大地坐标基准；②编码具有更完整高效的二进制整型计算特性；③对国内外测绘、气象、海洋、国家地理网格等现有的数据组织框架具有良好的继承性；④较好地解决了两极地区的网格剖分问题；⑤实现了地球空间二维、三维剖分的一体化，形成了立体空间的真三维剖分框架。

2.关键技术突破——北斗网格国家标准技术

北斗网格国家标准技术是北京大学团队在“973”等国家计划支持下，从1997年开始，历经20多年研究，提出了一套基于地球全域空间的GeoSOT地球立体网格编码理论的北斗立体网格国家标准技术体系。

北斗网格国家标准技术是国家北斗系统继经纬度点位置标识后，又推出的一种适用于地球域位置标识的全球位置代码国家标准。一个北斗网格码代表地球上一个立体域空间，是北斗数据增强的新手段，精度达到厘米级，如图2所示。北斗网格码抽取了GeoSOT的部分层级，与主要的地图图幅兼容，可以更好地适用于北斗卫星导航等现实应用。北斗网格码包括北斗二维网格码和北斗三维网格码。北斗三维网格码在北斗二维网格剖分的基础上扩展，增加了高度域网格剖分。北斗网格体系与GeoSOT体系之间互相兼容，基于北斗网格码的空间计算可以转换至GeoSOT体系下进行。北斗网格体系与地图图幅兼容，具有更强的适用性。

图2  北斗立体网格

北斗网格国家标准体系为创建全国低空统一的高精度立体交通技术奠定时空标准基础，通过北斗伏羲信息技术有限公司（北斗伏羲）等企业的努力，已在浙江、安徽、上海、广东、吉林、四川、广西等省或自治区开展试点建设。

三、低空红绿灯立体交通系统创新体系 

随着低空经济的快速发展，低空立体交通成为确保低空飞行器高效、有序、安全运行的关键组成部分。图3所示低空红绿灯立体交通系统作为一种创新的管理与控制工具，能够有效解决低空空域的交通管理问题，推动低空经济的高效发展。

图3  低空红绿灯立体交通系统（北斗伏羲提供）

1）依托北斗网格国家标准，按米级或十米级立体网格将空域及下垫面三维空间数字化，建立低空立体网格图。每个网格单元代表一个精细化的空域管理单元，使得低空空域的使用与调度更加可视化、精确化。低空立体网格图可以提供空域使用的实时数据，帮助飞行器、交通调度中心以及相关监管部门准确了解各空域的使用状态及空中飞行器的位置。通过这种米级或十米级精度的数字化网格，空域不再是广义的抽象区域，而是一个具体、细化的三维空间单元，能够实现精确的飞行轨迹规划与冲突预警，最大程度地提升低空空域的安全性与效率。这种网格化的低空立体图在飞行器的自主飞行与空域管理中起到了至关重要的作用。每个飞行器将根据所在网格的不同情况，调整飞行高度与轨迹，确保在多飞行器同时运行时避免冲突。立体网格图不仅能实现对低空飞行器的精准追踪，还能对飞行路径进行实时优化和调整。

2）在立体网格图上建立空域红绿灯管控系统及空中“高德式”导航服务系统，统一实现空域精细网格化管理，如图4所示。空域红绿灯管控系统，类似于地面交通中的交通信号灯，通过实时监测低空空域的使用情况、飞行器的位置及密度，为飞行器提供动态的飞行管控指令。在空域流量较高、存在飞行器冲突风险时，系统可以根据实时数据发布红灯信号，禁止飞行器进入特定空域；而在空域流量较低且飞行器安全可控时，系统则可以发布绿灯信号，允许飞行器正常飞行。与空域红绿灯管控系统配套的空中“高德式”导航服务系统类似于地面交通中的导航工具，它基于实时空域数据、飞行器状态、气象信息等，为飞行器提供最佳的飞行路径规划。飞行器不仅可以根据空域红绿灯的信号进行动态调整，还可以通过智能导航系统避开拥堵区、危险区，实现安全、高效地飞行，能够有效缓解低空空域的拥堵情况，防止飞行器之间的相互干扰，确保低空飞行的安全性和流畅性。此外，统一的空域管理平台可以让飞行器和空域管理部门之间的信息实时共享，使得低空经济活动中的所有参与方都能在同一个信息环境下进行协作。

图4  低空立体网格航路航线规划

3）配备5G、北斗精准定位、气象等保障手段，实现低空智联与网格路，在网格路上跑的车就是各种无人飞行器及飞行汽车。5G通信技术提供了低空空域内高速、低延迟的通信服务，使飞行器能够在复杂的低空空域环境中快速交换数据。通过5G网络，飞行器之间、飞行器与地面管理平台之间能够进行实时、稳定的通信，确保飞行器能够快速响应空域红绿灯的信号，并与其他飞行器实现信息互通。北斗精准定位为飞行器提供高精度的定位服务，使得飞行器在低空空域中能够精确导航，实时校准飞行位置与飞行高度，确保飞行路径符合网格规划要求。北斗系统的高精度定位能力是低空立体交通系统能够实现高效运作的技术保障。气象保障则提供了实时的天气数据支持，能够及时向飞行器和空域管理中心传递风速、气压、温度等关键气象信息。气象系统的智能化与高效能可以有效避免飞行器受到突发气象变化的影响，减少飞行风险。这些技术保障手段共同作用，使得低空飞行器能够在网格路上精确地运行，就像地面上的智能车辆一样，根据空域状态、气象变化和飞行路径进行实时调整，确保飞行器高效、安全地完成任务。无论是无人机配送、空中出租车还是其他低空交通工具，都将在这一系统下实现智能联动与协调飞行。

4）主管部门基于低空立体交通系统制定管理规则、监控监管、运营服务等。管理规则的制定主要包括低空飞行器的飞行准入标准、空域的使用规范以及飞行器操作的安全要求。通过这些规则的制定，可以确保低空空域内飞行器的合法性与安全性，避免非法飞行与违规行为的发生。监控与监管措施则包括实时空域监测、飞行器行为监控、应急事件响应机制等。通过建立全面的监控体系，主管部门可以随时掌握低空空域的动态情况，并对飞行器进行有效的监管。同时，监控系统还能及时发现潜在的飞行冲突与安全隐患，保障低空交通的正常运行。运营服务方面，主管部门可以依托低空立体交通系统，提供飞行器调度与指挥服务、空域资源分配服务以及飞行数据分析与优化服务。通过智能化的运营服务，低空立体交通不仅能够提高空域的利用效率，还能为低空经济的健康发展提供强有力的支撑。

四、发展建议

低空立体交通红绿灯系统作为低空空域管理和交通协调的重要工具，其基础设施建设和应用推广对提升低空空域的安全性和流畅性具有关键意义。推动低空立体交通红绿灯基础设施的应用，要求政府、行业组织和技术公司紧密合作，促进技术创新、政策支持与市场应用三者的有机结合。具体发展建议如下。

1）加大国家北斗网格标准推广应用，积极开展低空立体交通红绿灯系统等关键技术研究，争取发展成“人人能用、家家享用”的低空交通时空标准，实现全国低空交通“车同轨、书同文”。北斗网格标准作为低空立体交通时空管理的基础框架，对精准的空域管理和飞行器的精确导航至关重要，能够为低空立体交通提供统一、标准化的时空信息服务。在此基础上，应加快低空立体交通红绿灯系统等关键技术的研发。结合人工智能、大数据、5G通信等前沿技术，进一步完善低空交通管理平台，使低空飞行器能够在复杂的空域环境中安全、智能地运行。低空交通时空标准不仅有助于低空经济的普及化，还能推动低空交通服务的便捷化和个性化，使其成为通用型的智能出行方式。低空交通时空标准可以实现全国范围内的低空交通协调与互联互通，解决目前低空空域资源碎片化和不规范的问题，确保各种飞行器在不同地区、不同场景下能够实现统一的空域管理和协同调度。

2）在条件较好省市率先开展低空立体交通红绿灯系统试点区建设，创建技术中试基地，推动数字资产技术创新与产业化。条件较好省市拥有较为完善的基础设施、较强的技术研发能力和相对成熟的市场需求，是低空立体交通技术创新的理想试验场。通过在试点区域的应用，可以实时验证低空立体交通红绿灯系统的可行性与有效性，积累宝贵的经验和数据，为全国推广提供参考。在试点区建设中，推进低空立体交通红绿灯系统的数字化和智能化。技术中试基地的创建会集聚高端技术研发力量，为低空经济的技术创新提供支持。这些基地不仅能促进低空交通技术的快速成熟，还能够推动低空产业链的集成与发展。通过数字资产技术创新与产业化，可以为低空经济带来更广泛的社会效益，并为相关企业创造新的市场机会。

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