城市场景下无人机安全间隔标定技术规范

ICS

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DB32

江苏省地方标准

DB32/XXXXX—2024

城市场景下无人机安全间隔标定技术规范

SafetyseparationcalibrationspecificationforUAVinurbanscenario

（征求意见稿）

2024-XX-XX发布2024-XX-XX实施

发布

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城市场景下无人机安全间隔标定技术规范

1范围

本规范确立了江苏省城市场景下无人机安全间隔标定的总体原则与基本要求，并规定了间隔标定过

程中的技术规范，仿真与试飞验证流程。

本规范适用于城市场景卜无人机安全间隔的标定，及其他无人机安全间隔标准的参照使用。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。凡是注日期的引用文件，

仅所注日期的版本活用于本文件。凡是不注日期的引用文件.其最新版本（包括所有的修改单）适用于

本文件。

GB/T35018民用无人驾驶航空器系统分类及分级

GB/T38152无人驾驶航空器系统术语

GB/T42590民用无人驾驶航空器系统安全要求

GB/T39473-2020北斗卫星导航系统公开服务性能规范

CCAR92（所有部分）民用无人驾驶航空器运行安全管理规则

20205250-Q-339民用无人机产品安全要求

20210896-T-469民用无人机地理围栏数据技术规范

20210894-T-469民用大中型固定翼无人机飞行性能飞行试验要求

国令-761（所有部分）无人驾驶航空器飞行管理暂行条例

3术语和定义

GB/T38152所界定的以及下列术语和定义适用于本规程。

3.1无人驾驶航空器

由遥控设备或自备程序控制装置操纵，机上无人驾驶的航空器，简称无人机。

[来源：GB/T38152—2019]

1

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3.2固化空域

固化空域是指无人机按照某种运行限制，沿特定航路或航向飞行的结构化空域。此种空域在高空较

为常见。常见固化空域有分层空域、管道空域等。在固化空域中，无人机相对飞行状态较为稳定，航路

夹角多为定值。因此，根据航路夹角不同，可进一步将固化空域的航路类型划分为单一航路、平行航路、

交叉航路与汇聚航路。

3.3电子围栏

指为防止无人机飞入或者飞出特定区域，在相应电子地理范围中画出其区域边界，并配合飞行控制

系统，保障区域安全的软硬件系统。

I来源：20210896-T-469]

3.4碰撞区域

碰撞区域是指以无人机或建筑物为中心的包含•定空「瓦范围的区域。若存在其他物体入侵碰撞区

域，则可认为碰撞发生。一般使用简易几何体作为碰撞区域，用于代替复杂无人机形体以及不规则建筑

物，从而简化碰撞建模过程。其中，无人机碰撞区域又称无人机碰撞盒。

3.5组合碰撞区域

在碰撞建模过程中，通常将两架无人机（或无人机和建筑物）碰撞区域叠加到其中某架无人机上，

这种组合叠加所得到的碰撞区域又称为组合碰撞区域。

3.6位置误差

在固化空域运行下，无人机实际位置与预计位置之间的偏差称为位置误差，通常受城市风、航路定

义误差、导航定位误差、人为操作误差等因素影响。

3.7碰撞定义

若无人机碰撞区域与其他空间实体碰撞区域之间发生重叠，则无人机发生空中碰撞。

3.8预计碰撞

若无人机相遇时保持当前飞行速度不变，则无人机未来一段时间内的相对飞行航迹是可预测的，若

发生空中碰撞，则无人机预计碰撞事件定义为1,反之为0。

2

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3.9碰撞风险

碰撞风险是无人机在航路上由于航路构型、交通流密度、管制员及无人机驾驶员差错笔因素导致偏

航，最终使两架无人机之间的间隔小于规定的间隔标准的可能性，通常采用碰撞概率表示。根据严重程

度的不同碰撞风险分为冲突(conflict)近似空中碰撞(Near-Mid-Aircollision)和碰撞(collision)。

3.10安全间隔

为防止无人驾驶航空器危险接近、空中相撞而建立的飞行间隔标准。间隔的作用是在空中交通管制

系统中保证无人机的飞行安全，•般情况下，管制员可以保证无人机在当前瞬间的位置能够保持足够的

间隔，但无法确定将来一段时间内的间隔能否保证无人机的安全，因此需要确定一个间隔的卜.限值，当

无人机的间隔大于等于此值时，能够满足规定的最低安全水平。按空间位置需求可以划分为纵向安全问

隔、侧向安全间隔和垂直安全间隔C

3.11目标安全水平

用来描述空中交通管理安全性的重要概念，指的是空中交通管理应该达到的安全水平。安全目标水

平随着无人机CNS(CommunicaiionNavigationandSurveillance)性能的提高而不断变化，也会不断更

新水平值，从而能够扩大空域容量，缓解空中交通流的压力。

4基本原则

本规范遵循科学性、可操作性和经济性的原则，认真贯彻国家有关法律法规和方针政策，研究城市

场景下无人机安全间隔标定技术，提出一套系统的无人机安全间隔标定技术规范。

5标定程序

本规范的制定可划分为五个阶段：场景建立、理论计算、仿真分析、实际验证和间隔标定，具体流

程如图1所示。通过设置不同的航路运行规则、无人机参数和空域运行要求等限制条件，构建不同的无

人机相遇冲突场景；通过面向自由空域的无人机安全间隔标定模型计算无人机与无人机之间的安全问

隔；将无人机理论参数和技术参数输入三维数字仿真平台，得到不同场景下无人机与无人机之间安全间

隔的仿真计算结果；在城市低空空域划设无人机航行路线，采用飞控系统开源的无人机进行实际飞行试

验，通过分析无人机飞行数据来验证无人机安全间隔标定模型的合理性与有效性。

3

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运行规则飞行1谚划定飞行数据采集航迹误差分析|纵向间隔

实际验证

间

主

场无人机参数侧向间隔

景

隔

要

碰撞概率量化安全目标设定运行间隔分析

建

标

流

立

定

空域限制程仿真分析垂直间隔

构建无人机碰撞区域划设间隔模型建立理论间隔求解

确定安全间隔

冲突场景理论计算

图1城市场景下无人机安全间隔标定技术规范的标定程序

6理论计算

6.1符号及代号

序号代号含义

01R无人机球体保护区半径

02凡无人机组合碰撞保护区半径

03S.w’d无人机纵向制动间隔

04*同向飞行时无人机与无人机之间的纵向安全间隔

05S：对头飞行时无人机与无人机之间的纵向安全间隔

06邑无人机与无人机之间的侧向安全间隔

07S：无人机与无人机之间的垂直安全间隔

08%，V1»V2无人机的平均巡航速度

09%，q，七无人机在制动时的最大减速度

10a目标安全水平下，两无人机组合碰撞风险间隔

11d"目标安全水平下，无人机纵向误差的增长上限

12»a目标安全水平下，无人机横向误差的增长上限

136：，戋目标安全水平下，无人机垂直误差的增长上限

4

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6.2无人机碰撞区域

如图2所示，采用无人机机体圆柱的最小外接球作为无人机球体碰撞区域，作为无人机碰撞判定标

准。

俯视图

图2无人机球体碰撞区域及其最小边界

设尢人机水平尺寸最大值为2八则其对应机体圆柱半径为八高度为〃，外接球体半径为R,由十

一般情况下，无人机的高度〃远小于其对•应机体圆柱直径2人无人机球体碰撞区半径应按下式确定:

R=B（1）

式中:

R——无人机球体碰撞区半径，单位为米（m）：

无人机实际尺寸半径，单位为米（m）。

6.3组合碰撞区域

在碰撞建模过程中，通常将两架无人机碰撞区域叠加到其中某架无人机上，从而另一架无人机可看

作质点，以进一步简化分析过程。因此，为了便于碰撞区域组合叠加，碰撞建模过程中碰撞区域类型应

保持一致，即所有的无人机碰撞区域均采用球体。这种组合叠加所得到的碰撞区域又称为组合碰撞区域,

示意图如图3所示。

组合

图3组合碰撞区域示意图

5

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组合碰撞区域保护区半径4.的计算公式如卜.：

凡=凡+凡.........................（2）

式中：

R,——两架无人机的组合碰撞区半径，单位为米（m）；

用——无人机1的球体珑撞区半径，单位为米（m）；

R2——无人机2的球体碰撞区半径，单位为米（m）。

凡和尺均由公式⑴求出。

6.4碰撞风险间隔

碰撞风险的产生通常和无人机位置偏差有大，即受不确定因素影响，无人机偏离预设飞行程序，进

而导致无人机危险接近情形产生。因此，本规范充分考虑运行场景下城市风、航迹定义、导航定位等误

差因素，采用统计误差增长上限原则标定碰撞风险间隔。其计算公式如下：

a二2+心.........................（3）

式中：

a——两架无人机的组合飞行误差在纵向/横向/垂向的增长上限，单位为米（m）；

在一无人机1的组合飞行误差在纵向/横向/垂向的增长上限，单位为米（m）；

“——无人机2的组合飞行误差在纵向/横向/垂向的增长上限，单位为米（m）。

为确定具有一定安全裕度的误差增长上限，本规范基于统计分布数据采用3倍标准差方法，其基本

逻辑如下图所示，统计数据采集方法在本规范实际验证章节给出。因此，碰撞风险间隔大小受所设定的

目标安全水平与无人机位置保持精度有关，总的来说，目标安全水平越高，碰撞风险间隔大小越大。

图4目标安全水平下碰撞风险间隔计算

6

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6.5通用间隔计算

基于前述组合碰撞区与碰撞风险间隔定义，考虑典型城市场景下空域管理的忖标安全水平，本规范

给出通用间隔计算方法。

S=.......................⑷

式中：

S——两架无人机在纵向/横向/垂向上所需的安全间隔，单位为米（m）；

R.——两架无人机的组合碰撞区半径，单位为米（m）；

4——两架无人机的组合飞行误差在纵向/横向/垂向的增长上限，单位为米（m）；

——考虑管制运行调配与制动裕度的额外间隔裕度，单位为米（m）。

如图5所示。三者相加共同组成木规范通用间隔计算方法，受固化空域结构设计与运行场景影响，

S21"大小存在差异，下文中依据不同场景给出无人机间隔计算方法。

图5无人机通用安全间隔标定

6.6纵向安全间隔

当两架无人机在同一航路上同向飞行时，如图4所示，若后机飞行速度大于前机，或前后两机间距

过近时，无人机之间存在冲突/碰撞风险，需采用动态电子围栏等技术，严格控制无人机飞行时纵向间

距，确保跟随无人机与前机之间保持足够的纵向安全间隔，以保证同一航路上无人机的安全高效运行。

图6无人机同向飞行示意图

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同向飞行时无人机的制动过程可以描述为：两架无人机在同一条航路上运行，当前机的飞行状态发

生改变后，后机的驾驶员或无人机飞控系统感知到相关信息，并对所获取的信息进行分析•，意识到应进

行紧急制动，此时对.无人机采取紧急制动措施，直到无人机悬停为止。假设前机突然原地停止，基于式

（4）建立相应的安全间隔模型为

S-'+VM苧.....................（5）

2ao

式中：

S；——同向飞行时无人机与无人机之间的纵向安全间隔，单位为米（m）；

R—前后两架无人机的组合球体保护区半径，单位为米（m）；

忧——前后两架无人机在目标安全水平下的组合纵向位置误差增长上限，单位为米（m）；

%——后方无人机的巡航速度，单位为米每秒（m/s）；

/0—后方无人机的制动迟滞时间，单位为秒（s）；

生——后机制动的最大减速度，单位为米每平方秒（m/s?）。

当两架无人机在同一航路上相对飞行时，如图7所示，此种情况下两架无人机若不采取相应的制动

措施，必定会发生碰撞事件，因此需要严格控制两架无人机对头飞行时的纵向安全间隔，确保两机在相

对距离大于最小纵向安全间隔时采取相应的避撞措施。

图7无人机相对飞行不意图

对头飞行时无人机的制动过程可以描述为：两架无人机在同一条航路上运行，当两机的纵向间隔小

于无人机飞行冲突探测系统的探测阈值后，无人机飞控系统感知到相关信息，并对所获取的信息进行分

析，然后进行紧急制动，此时两架无人机采取紧急制动措施，直到无人机悬停为止。基于式（4）建立

相应的安全间隔模型为

5；=&+£'+卬］+：+叼2+^_...................................（6）

2c42a2

式中：

S；——相对飞行时无人机与无人机之间的纵向安全间隔，单位为米（m）；

R,——两架无人机的组合球体保护区半径，单位为米（m）：

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毋一两架无人机在目标安全水平下的组合纵向位置误差增长上限，单位为米（m）；

v,——无人机1的巡航速度，单位为米每秒（m/s）；

v2——无人机2的巡航速度，单位为米每秒（m/s）；

——无人机I的制动迟滞时间，单位为秒（s）；

4——无人机2的制动迟滞时间，单位为秒（s）；

4——无人机1制动的最大减速度，单位为米每平方秒（m/s?）：

出——无人机2制动的最大减速度，单位为米每平方秒（m/s2）。

6.7侧向安全间隔

当多架无人机在平行航路上运行时，如图8所示，若两条航路过于接近，则在两条航路上运行的无

人机存在冲突/碰撞风险，需严格控制无人机偏离航路中心线的最大距离，确保两条航路的无人机之间

保持足够的横向安全间隔，确保平行航路上无人机安全高效运行。

图8侧向安全间隔示意图

侧向间隔是在空中飞行的两架无人驾驶航空器基于同一条基准线的侧向距离，即相同高度层相邻航

路的航路中心线之间的距离。针对平行航路下无人机侧向安全间隔的计算，需要考虑到由于无人机位置

误差而导致的碰撞风险，即由于无人机速度的系统误差、机载导航设备的误差和飞行技术误差导致的碰

撞风险，而无需考虑制动距离带来的制动裕度间隔。

时于两架在平行航路上飞行的无人机而言，对侧向安全间隔影响最大的是两架无人机的侧向重置概

率，设平行航路上的无人机位置误差均服从相同的分布，且每架无人机的位置.误差互不影响，具有独立

性，建立相应的安全间隔模型为

S、.=R,.+6......................（7）

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式中:

5.——相对飞行时无人机与无人机之间的侧向安全间隔，单位为米（m）；

R,——两架无人机的组合球体保护区半径，单位为米（m）；

讥——两架无人机在目标安全水平下的侧向位置误差增长上限，单位为米（m）。

该间隔限定了无人机的横向界限（电子围栏），当无人机偏离航路中心线过大时，无人机飞控系统

或空管系统应当及时对■无人机航线进行修正。

6.8垂直安全间隔

垂直安全间隔是一种距离间隔，它通过无人驾驶航空器之间的垂直高度差来保证飞行安全，如图7

所示，垂直安全间隔通常被认为是最有效、最安全的一种间隔，在传统民航的程序管制和雷达管制中被

广泛使用。

图9垂直安全间隔示意图

垂直安全间隔与无人驾驶航空器保持在指定高度层的能力密切相关。影响无人机垂直间隔的因素主

要分为技术误差和运行误差:技术误差主要是指高度保持误差，即高度测量系统误差和高度表显示误差:

而运行误差主要是指无人机驾驶员的差错、突发的机械故障和天气原因等因素造成的误差。对于两架在

相邻高度层航路上8行的无人机而言，对垂直安全间隔影响最大的是两架无人机的垂直重叠概率，设无

人机位置误差均服从相同的分布，且每架无人机的位置误差互不影响，具有独立性，建立相应的安全间

隔模型为：

S：=R,+%....................（8）

式中：

S：——相对飞行时无人机与无人机之间的垂直安全间隔，单位为米（m）；

R——两架无人机的组合球体保护区半径，单位为米（m）：

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或——两架无人机在目标安全水平下的垂直位置误差增长上限，单位为米（m）,

7仿真分析

为实现上述碰撞风险间隔所需的统计数据获取，以及间隔标定方法的安全性检验，面向城市环境下

多类型无人机运行场景，综合考虑无人机性能、尺寸、运行气象条件多种因素•，借助python软件作为

研究基础，构建城市场景下无人机安全间隔仿真实验平台，其具体运行操作步骤如下：

7.1运行初始化

初始化操作包括而于场景初始化、无人机性能参数初始叱、冲突相遇场景初始化，其目的是形成仿

真运行场景初始参数，便于后续仿真更新与迭代，其具体参数说明如下：

（1）环境初始化

无人机运行环境参数包括建筑物、天气条件以及特殊隙碍物，本条例仅考虑无人机间安全间隔，将

建筑物与特殊障碍物约束限制调整为0,天气条件主要考虑风速对于无人机飞行性能的影响，输入参数

为风速大小以及其相对于无人机运行方向夹角。

（2）无人机性能初始化

安全间隔标定与无人机基础参数相关，所需输入参数如本规范6.1节所示。其中碰撞风险间隔及位

置误差增长上限需通过本节给出的仿真实验方法获取。本规范面向集中管控下的无人机安全间隔标准，

以保证无人机无需机载自主感知避让进行障碍物规避。

（3）运行规则初始化

运行规则初始化包括无人机运行场景例如同向飞行、对头飞行、不同高度层飞行、同层相邻航线飞

行。同时对于运行场景中无人机预设航迹、初始位置〃乂Miaz进行记录并计算初始无人机间距离Dis,

无人机运行时间t归0,为后续无人机运行形成初始值。

7.2仿真运行

（1）位置误差分布获取

基于仿真验证平台，设计单架无人机典型运行场景，包含水平直线运行、爬升、下降等运行情形。

采用无人机巡航速度，初始计算无人机预计到达时间节点。以北斗导航系统公开服务规范为基准，本规

范推荐位置点刷新率大于等于IHZ,以预计时间节点为基上，调整风速、风速夹角与无人机巡航速度

参数，计算相同时间节点下无人机实际位置与预设位置间的纵向、横向与垂向距离，进而统计位置误差

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分布情形，标定代表性90%、95%、99%置信区间所对应的位置误差上限。本规范推荐采样位置点大于

等于10000个。

(2)安全间隔验证

基于仿真验证场景，采用本规范涵盖的城市低空无人机安全间隔标定模型，通过设定不同环境参数、

无人机类型与安全目标水平，验证不同场景下所计算安全间隔的适用性。在选定上述参数设定后，以木

规范方法标定的安全间隔为初始间隔，引入以下随机扰动因素：

1.城市场景盛行风增大至无人机抗风能力上限，以DJ-M300RTK为例，抗风上限为

2.所用导航设备瞬时失效，即误差.上限设置为所统计数据的最大值。

3.无人机通信数据链瞬时失效，即在现有间隔基础上减去机载制动所需停滞距离，以DJ-M300RTK

为例，制动停滞距离为5m。

在卜述扰动因素设置下,基于仿直验讦平分.搭建本视范涵盖的同向、对向、水平平行与垂直平行

运行场景，以本规范所标定的安全间隔为初始间隔，以不小于1HZ的采用频率记录具有扰动因素场景

下无人机与无人机之间的相对距离，并记录距离小于等于组合碰撞区尺寸此的频率，并与现行民航碰

撞风险标准进行对比分析，如：ICT7次/飞行小时。

分别针对单•航路、平行航路以及不同高度层等情景下无人机与无人机之间的碰撞风险进行量化计

算，在给定可接收的安全目标水平的情况下，推导无人机的最佳运行安全间隔。

7.3数据分析

记录上述仿真运行参数设置与统计数据，可导出无人机位置误差分布数据以及轨迹图、安全性能指

标、分析报告等，作为安全间隔标定规范的补充文件。

8实际验证

8.1实验目的

为验证本规范提出的安全间隔标定方法的科学性与可用性。

8.2场地选择

在展开无人机飞行实验前，需要根据无人机的起降方式，选取合适的实验场地，以满足无人机安全

方面的基本要求，一般而言，场地的选择需要遵循以下原则：

(1)实验场地需距离军用机场和民用机场I0KM以上。

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