- 科学出版社
- 9787030862617
- 1版
- 2026-06
作者简介
内容简介
本书系统性地构建了低空经济领域的技术与运营管理知识体系，涵盖从基础理论到工程实践的完整认知框架。全书首先从宏观视角阐述低空经济的定义、全球发展格局、商业模式及社会经济影响；进而深入剖析无人机（UAV）与电动垂直起降航空器（eVTOL）的分类体系、飞控系统、动力能源等核心平台技术，并系统讲解通信、导航、监视三大支撑系统的关键技术原理。在此基础上，本书探讨了低空飞行面临的气象环境影响、障碍物建模、安全缓冲区设计及适航认证要求，并详细介绍了航路规划与任务调度中的图搜索、采样方法、多目标优化及实时规划等核心算法。最后，从空域管理角度论述了空域分类、高度层划分与动态分配策略等顶层设计原则。全书内容翔实、结构严谨，融合了前沿理论与工程实践，兼具学术深度与实用价值。
目录
目录
序
前言
第1章 低空经济概论 1
1.1 低空经济的定义、范围与要素构成 1
1.1.1 低空经济的定义 1
1.1.2 低空经济的空间边界 3
1.1.3 低空经济的关键构成要素 6
1.2 低空产业链与生态系统 8
1.2.1 制造环节：飞行器研发与生产 8
1.2.2 平台与运营商：价值实现的关键枢纽 9
1.2.3 通信与导航服务供应商：低空经济的“数字基石” 11
1.2.4 空域管理与服务提供方：低空经济的“规则制定者与交通指挥官” 13
1.2.5 低空经济生态系统协同 14
1.3 全球与中国发展现状及商业模式 15
1.3.1 全球发展现状 15
1.3.2 商业模式类型 17
1.3.3 市场驱动因素 20
1.3.4 限制性因素 21
1.4 社会经济影响与利益相关者 23
1.4.1 对社会经济的影响 23
1.4.2 利益相关者地图 24
1.4.3 潜在冲突点 26
第2章 UAV与eVTOL技术基础 29
2.1 UAV分类与典型平台 29
2.1.1 按任务划分 29
2.1.2 按结构划分 31
2.2 eVTOL架构与设计趋势 33
2.2.1 eVTOL架构类型 33
2.2.2 设计权衡与技术挑战 36
2.3 航电与自动化系统 38
2.3.1 关键传感器系统 38
2.3.2 飞行控制系统 41
2.4 推进与能源解决方案 43
2.4.1 电池与能量管理 43
2.4.2 氢燃料电池与混合动力 45
2.4.3 充电与换电站设计 47
2.5 性能参数与运营意义 49
2.5.1 关键性能参数 49
2.5.2 性能指标向运营能力转化 51
第3章 通信、导航与监视 54
3.1 低空通信需求 54
3.1.1 链路类型 54
3.1.2 链路可靠性与时延要求 56
3.1.3 频谱分配与干扰管理 59
3.2 卫星导航与组合导航 61
3.2.1 GNSS在低空的适用性 61
3.2.2 GNSS定位误差来源与分析 63
3.2.3 组合导航方案 65
3.2.4 导航性能的三大支柱：完好性、可用性与连续性 67
3.3 监视技术 69
3.3.1 ADS-B技术在低空监视中的优势与局限性 69
3.3.2 多点定位技术与网络化传感器融合 71
3.3.3 地面雷达与机载雷达在低空系统中的角色 73
3.3.4 远程识别技术与隐私平衡 76
3.4 CNS集成架构与冗余策略 77
3.4.1 多链路融合与冗余通信策略 78
3.4.2 多传感器融合与导航监视冗余架构 80
3.4.3 网络安全与数据完整性设计 81
3.5 UTM中的CNS要求 83
3.5.1 识别与注册 83
3.5.2 态势感知与监视 84
3.5.3 安全通信与数据共享 86
3.5.4 信息延迟、带宽与可扩展性 88
第4章 航空器性能、环境与运营约束 90
4.1 低空气象与测报 90
4.1.1 微尺度风场、风切变与湍流模型 90
4.1.2 能见度、降水、雾与城市热岛效应对传感器与控制的影响 92
4.1.3 气象数据获取与预报理想方案 94
4.2 空间天气效应与系统性能约束 97
4.2.1 空间天气的基本现象与传播机理 97
4.2.2 对低空CNS系统的具体影响 98
4.2.3 运营管理与工程缓解策略 100
4.2.4 适航与设计考量 101
4.3 城市环境中的障碍物与航行风险 101
4.3.1 建筑物、电线、塔桅与移动目标的建模与感知 101
4.3.2 缓冲区设计与安全间隔 104
4.3.3 障碍物数据库与动态管理框架 107
4.3.4 实时感知与智能避障技术 109
4.4 起降场与地面基础设施 111
4.4.1 垂直起降场规划核心要素 111
4.4.2 起降点选址与城市融合策略 113
4.5 能源管理与任务规划 116
4.5.1 能量管理系统 116
4.5.2 任务分配与调度约束 118
4.5.3 能量约束下的任务规划流程 120
4.6 噪声、排放与环境影响评估 123
4.6.1 噪声测量、评估与公众接受度管理 123
4.6.2 生命周期评估 125
4.6.3 环境影响综合评估方法 127
4.7 可靠性、维护与适航 130
4.7.1 可靠性概述：低空运营的安全与信任基石 130
4.7.2 预测与健康管理：从被动维修到主动智能运维 131
4.7.3 数据驱动维护策略 133
4.7.4 适航设计基础要求 135
第5章 航路规划、避障与路径优化 138
5.1 航路规划问题定义 138
5.1.1 航路规划概述：低空飞行的智能导航基石 138
5.1.2 目标函数：航路规划的多目标优化核心 140
5.1.3 约束条件：航路规划的刚性边界 142
5.1.4 数学建模示例：航路规划的形式化表达 143
5.2 GIS与地形数据处理 145
5.2.1 GIS在低空航路规划中的作用 145
5.2.2 DEM与DSM：低空环境的三维数字基底 147
5.2.3 空间数据预处理：构建可靠数字底图的关键工序 148
5.2.4 网格化与可行空间表示：为算法构建可搜索的地图 150
5.3 路径规划算法 152
5.3.1 路径规划概述：在复杂三维空间中寻找最优通道 152
5.3.2 图搜索算法 153
5.3.3 基于采样的规划算法 155
5.3.4 算法可行性、复杂度与选型指南 157
5.4 连续优化与多目标优化 158
5.4.1 连续优化与变分方法概述 158
5.4.2 最优控制简介 160
5.4.3 多目标优化策略 162
5.4.4 多目标优化求解方法 164
5.5 实时规划与动态避障 166
5.5.1 实时规划概述：应对动态不确定性的关键能力 166
5.5.2 基于模型的预测：实现前瞻性智能避障 167
5.5.3 分布式冲突解决：去中心化的协同智能 169
5.5.4 协同规避与群体航行：从个体智能到群体智能 171
第6章 高度层分配与空域结构 174
6.1 空域分类与设计原则 174
6.1.1 低空空域概述：战略性三维资源 174
6.1.2 空域分类：分级分区的风险管理框架 175
6.1.3 空域设计原则：构建安全、高效、包容的低空交通基础 178
6.1.4 空域分配优先级：动态任务管理的决策核心 180
6.2 高度层划分策略 182
6.2.1 高度层划分概述：构建三维空域的垂直秩序 182
6.2.2 固定高度带策略：简单可靠的静态管理模式 183
6.2.3 动态高度分配策略：面向高密度运行的智能调度 185
6.2.4 分垂直带结构：面向异构融合运行的秩序重构 187
6.2.5 垂直分离标准与安全冗余 189
6.3 容量分析与流量管理 190
6.3.1 低空空域容量概述 190
6.3.2 基于冲突概率的容量估计 192
6.3.3 高峰/非高峰流量管理策略 194
6.3.4 流量容量优化 195
6.4 多交通主体共存 197
6.4.1 多交通主体概述 197
6.4.2 协同与分离策略 198
6.4.3 城市低空“走廊化”策略 200
第7章 空中交通管理与无人机交通管理 203
7.1 传统ATM简介与局限 203
7.1.1 传统ATM概述 203
7.1.2 传统ATM核心方法 205
7.1.3 传统ATM的局限 206
7.1.4 低空经济对传统ATM的挑战 207
7.2 UTM的功能模块 209
7.2.1 UTM概述 209
7.2.2 核心功能模块 210
7.2.3 服务级别划分 212
7.2.4 模块间数据流与协同 214
7.3 冲突探测、解脱与优先级管理 216
7.3.1 冲突检测概述 216
7.3.2 预测冲突检测 218
7.3.3 最小修正轨迹生成 219
7.3.4 优先级分配策略 221
7.3.5 集中式对比分布式冲突解决 223
7.4 ATM-UTM接口与互操作性 225
7.4.1 ATM与UTM的互操作背景 225
7.4.2 高度与航路共享机制 227
7.4.3 人机协作模式 228
7.4.4 自动化层级设计 230
7.5 运营模型与商业化路径 232
7.5.1 UTM提供商模式与治理架构 232
7.5.2 监管与市场化服务模式 234
第8章 运行限制与安全管理 237
8.1 空域使用与许可体系 237
8.1.1 空域使用概述 237
8.1.2 常规许可机制 238
8.1.3 临时空域限制 241
8.1.4 航行通告系统 243
8.2 危险辨识与安全风险管理 244
8.2.1 低空运营的风险特征 244
8.2.2 风险矩阵 246
8.2.3 故障树分析 248
8.2.4 失效模式与影响分析 250
8.2.5 风险缓解策略 252
8.3 事故与事件分析 253
8.3.1 低空事故与事件分类 253
8.3.2 因果链分析 255
8.3.3 根本原因分析 258
8.4 运营合规与日常监管 260
8.4.1 运营手册与标准作业程序 260
8.4.2 作业失效管理 262
8.4.3 人员资质与培训 264
8.5 数据安全、隐私与伦理 266
8.5.1 低空数据安全概述 266
8.5.2 数据保密与加密技术 267
8.5.3 身份与公众隐私保护 269
8.5.4 伦理与公众可接受性 271
8.6 应急响应与备降策略 272
8.6.1 低空应急响应概述 272
8.6.2 联合应急预案设计 274
8.6.3 城市应急响应案例演练 276
8.6.4 迫降与备降方案设计 278
第9章 法规与政策 281
9.1 国际监管逻辑与组织 281
9.1.1 国际监管背景与必要性 281
9.1.2 主要国际组织及其作用 283
9.1.3 国际监管协调逻辑 285
9.2 主要国家/地区法规框架 287
9.2.1 法规设计总体原则 287
9.2.2 各国法规框架比较分析 289
9.2.3 集中与分权监管模式的比较分析 291
9.3 适航审定、运营许可与认证流程 293
9.3.1 适航审定总体框架 293
9.3.2 eVTOL特别适航关注点 295
9.3.3 UAV适航与运营许可流程 297
9.3.4 eVTOL载人飞行适航特殊要求 299
9.3.5 国际适航认证对比 302
9.4 标准化与行业规范 304
9.4.1 标准化在低空经济发展中的基础性作用 304
9.4.2 数据接口标准化体系 306
9.4.3 远程识别与通信安全标准 308
9.4.4 维护与操作标准 310
9.4.5 国际标准与行业规范实例分析 312
9.5 政策工具与激励机制 315
9.5.1 城市试点政策 315
9.5.2 财政补贴与投资激励机制 318
9.5.3 土地使用与基础设施激励 320
9.5.4 政策组合与激励效果评估 322
第10章 前沿技术与发展趋势 325
10.1 低空无人系统的协同运行与智能化演进 325
10.1.1 编队与集群协同的技术范式 325
10.1.2 AI在自主决策中的应用 326
10.1.3 空天一体化与通信融合 329
10.2 绿色动力学与能量优化 331
10.2.1 绿色动力学概念体系 331
10.2.2 能量回收技术 333
10.2.3 混合推进与可再生能源系统 334
10.2.4 全生命周期能量与排放分析 336
10.3 社会学与伦理问题 337
10.3.1 公共接受度研究 337
10.3.2 就业替代与经济影响分析 339
10.3.3 伦理审查与法律责任框架 340
10.4 未来趋势预测与研究议题 342
10.4.1 技术发展路线图 342
10.4.2 关键技术瓶颈分析 343
10.4.3 跨学科合作方向 345
10.4.4 未来研究议题 347
参考文献 350
附录 360
序
前言
第1章 低空经济概论 1
1.1 低空经济的定义、范围与要素构成 1
1.1.1 低空经济的定义 1
1.1.2 低空经济的空间边界 3
1.1.3 低空经济的关键构成要素 6
1.2 低空产业链与生态系统 8
1.2.1 制造环节：飞行器研发与生产 8
1.2.2 平台与运营商：价值实现的关键枢纽 9
1.2.3 通信与导航服务供应商：低空经济的“数字基石” 11
1.2.4 空域管理与服务提供方：低空经济的“规则制定者与交通指挥官” 13
1.2.5 低空经济生态系统协同 14
1.3 全球与中国发展现状及商业模式 15
1.3.1 全球发展现状 15
1.3.2 商业模式类型 17
1.3.3 市场驱动因素 20
1.3.4 限制性因素 21
1.4 社会经济影响与利益相关者 23
1.4.1 对社会经济的影响 23
1.4.2 利益相关者地图 24
1.4.3 潜在冲突点 26
第2章 UAV与eVTOL技术基础 29
2.1 UAV分类与典型平台 29
2.1.1 按任务划分 29
2.1.2 按结构划分 31
2.2 eVTOL架构与设计趋势 33
2.2.1 eVTOL架构类型 33
2.2.2 设计权衡与技术挑战 36
2.3 航电与自动化系统 38
2.3.1 关键传感器系统 38
2.3.2 飞行控制系统 41
2.4 推进与能源解决方案 43
2.4.1 电池与能量管理 43
2.4.2 氢燃料电池与混合动力 45
2.4.3 充电与换电站设计 47
2.5 性能参数与运营意义 49
2.5.1 关键性能参数 49
2.5.2 性能指标向运营能力转化 51
第3章 通信、导航与监视 54
3.1 低空通信需求 54
3.1.1 链路类型 54
3.1.2 链路可靠性与时延要求 56
3.1.3 频谱分配与干扰管理 59
3.2 卫星导航与组合导航 61
3.2.1 GNSS在低空的适用性 61
3.2.2 GNSS定位误差来源与分析 63
3.2.3 组合导航方案 65
3.2.4 导航性能的三大支柱：完好性、可用性与连续性 67
3.3 监视技术 69
3.3.1 ADS-B技术在低空监视中的优势与局限性 69
3.3.2 多点定位技术与网络化传感器融合 71
3.3.3 地面雷达与机载雷达在低空系统中的角色 73
3.3.4 远程识别技术与隐私平衡 76
3.4 CNS集成架构与冗余策略 77
3.4.1 多链路融合与冗余通信策略 78
3.4.2 多传感器融合与导航监视冗余架构 80
3.4.3 网络安全与数据完整性设计 81
3.5 UTM中的CNS要求 83
3.5.1 识别与注册 83
3.5.2 态势感知与监视 84
3.5.3 安全通信与数据共享 86
3.5.4 信息延迟、带宽与可扩展性 88
第4章 航空器性能、环境与运营约束 90
4.1 低空气象与测报 90
4.1.1 微尺度风场、风切变与湍流模型 90
4.1.2 能见度、降水、雾与城市热岛效应对传感器与控制的影响 92
4.1.3 气象数据获取与预报理想方案 94
4.2 空间天气效应与系统性能约束 97
4.2.1 空间天气的基本现象与传播机理 97
4.2.2 对低空CNS系统的具体影响 98
4.2.3 运营管理与工程缓解策略 100
4.2.4 适航与设计考量 101
4.3 城市环境中的障碍物与航行风险 101
4.3.1 建筑物、电线、塔桅与移动目标的建模与感知 101
4.3.2 缓冲区设计与安全间隔 104
4.3.3 障碍物数据库与动态管理框架 107
4.3.4 实时感知与智能避障技术 109
4.4 起降场与地面基础设施 111
4.4.1 垂直起降场规划核心要素 111
4.4.2 起降点选址与城市融合策略 113
4.5 能源管理与任务规划 116
4.5.1 能量管理系统 116
4.5.2 任务分配与调度约束 118
4.5.3 能量约束下的任务规划流程 120
4.6 噪声、排放与环境影响评估 123
4.6.1 噪声测量、评估与公众接受度管理 123
4.6.2 生命周期评估 125
4.6.3 环境影响综合评估方法 127
4.7 可靠性、维护与适航 130
4.7.1 可靠性概述：低空运营的安全与信任基石 130
4.7.2 预测与健康管理：从被动维修到主动智能运维 131
4.7.3 数据驱动维护策略 133
4.7.4 适航设计基础要求 135
第5章 航路规划、避障与路径优化 138
5.1 航路规划问题定义 138
5.1.1 航路规划概述：低空飞行的智能导航基石 138
5.1.2 目标函数：航路规划的多目标优化核心 140
5.1.3 约束条件：航路规划的刚性边界 142
5.1.4 数学建模示例：航路规划的形式化表达 143
5.2 GIS与地形数据处理 145
5.2.1 GIS在低空航路规划中的作用 145
5.2.2 DEM与DSM：低空环境的三维数字基底 147
5.2.3 空间数据预处理：构建可靠数字底图的关键工序 148
5.2.4 网格化与可行空间表示：为算法构建可搜索的地图 150
5.3 路径规划算法 152
5.3.1 路径规划概述：在复杂三维空间中寻找最优通道 152
5.3.2 图搜索算法 153
5.3.3 基于采样的规划算法 155
5.3.4 算法可行性、复杂度与选型指南 157
5.4 连续优化与多目标优化 158
5.4.1 连续优化与变分方法概述 158
5.4.2 最优控制简介 160
5.4.3 多目标优化策略 162
5.4.4 多目标优化求解方法 164
5.5 实时规划与动态避障 166
5.5.1 实时规划概述：应对动态不确定性的关键能力 166
5.5.2 基于模型的预测：实现前瞻性智能避障 167
5.5.3 分布式冲突解决：去中心化的协同智能 169
5.5.4 协同规避与群体航行：从个体智能到群体智能 171
第6章 高度层分配与空域结构 174
6.1 空域分类与设计原则 174
6.1.1 低空空域概述：战略性三维资源 174
6.1.2 空域分类：分级分区的风险管理框架 175
6.1.3 空域设计原则：构建安全、高效、包容的低空交通基础 178
6.1.4 空域分配优先级：动态任务管理的决策核心 180
6.2 高度层划分策略 182
6.2.1 高度层划分概述：构建三维空域的垂直秩序 182
6.2.2 固定高度带策略：简单可靠的静态管理模式 183
6.2.3 动态高度分配策略：面向高密度运行的智能调度 185
6.2.4 分垂直带结构：面向异构融合运行的秩序重构 187
6.2.5 垂直分离标准与安全冗余 189
6.3 容量分析与流量管理 190
6.3.1 低空空域容量概述 190
6.3.2 基于冲突概率的容量估计 192
6.3.3 高峰/非高峰流量管理策略 194
6.3.4 流量容量优化 195
6.4 多交通主体共存 197
6.4.1 多交通主体概述 197
6.4.2 协同与分离策略 198
6.4.3 城市低空“走廊化”策略 200
第7章 空中交通管理与无人机交通管理 203
7.1 传统ATM简介与局限 203
7.1.1 传统ATM概述 203
7.1.2 传统ATM核心方法 205
7.1.3 传统ATM的局限 206
7.1.4 低空经济对传统ATM的挑战 207
7.2 UTM的功能模块 209
7.2.1 UTM概述 209
7.2.2 核心功能模块 210
7.2.3 服务级别划分 212
7.2.4 模块间数据流与协同 214
7.3 冲突探测、解脱与优先级管理 216
7.3.1 冲突检测概述 216
7.3.2 预测冲突检测 218
7.3.3 最小修正轨迹生成 219
7.3.4 优先级分配策略 221
7.3.5 集中式对比分布式冲突解决 223
7.4 ATM-UTM接口与互操作性 225
7.4.1 ATM与UTM的互操作背景 225
7.4.2 高度与航路共享机制 227
7.4.3 人机协作模式 228
7.4.4 自动化层级设计 230
7.5 运营模型与商业化路径 232
7.5.1 UTM提供商模式与治理架构 232
7.5.2 监管与市场化服务模式 234
第8章 运行限制与安全管理 237
8.1 空域使用与许可体系 237
8.1.1 空域使用概述 237
8.1.2 常规许可机制 238
8.1.3 临时空域限制 241
8.1.4 航行通告系统 243
8.2 危险辨识与安全风险管理 244
8.2.1 低空运营的风险特征 244
8.2.2 风险矩阵 246
8.2.3 故障树分析 248
8.2.4 失效模式与影响分析 250
8.2.5 风险缓解策略 252
8.3 事故与事件分析 253
8.3.1 低空事故与事件分类 253
8.3.2 因果链分析 255
8.3.3 根本原因分析 258
8.4 运营合规与日常监管 260
8.4.1 运营手册与标准作业程序 260
8.4.2 作业失效管理 262
8.4.3 人员资质与培训 264
8.5 数据安全、隐私与伦理 266
8.5.1 低空数据安全概述 266
8.5.2 数据保密与加密技术 267
8.5.3 身份与公众隐私保护 269
8.5.4 伦理与公众可接受性 271
8.6 应急响应与备降策略 272
8.6.1 低空应急响应概述 272
8.6.2 联合应急预案设计 274
8.6.3 城市应急响应案例演练 276
8.6.4 迫降与备降方案设计 278
第9章 法规与政策 281
9.1 国际监管逻辑与组织 281
9.1.1 国际监管背景与必要性 281
9.1.2 主要国际组织及其作用 283
9.1.3 国际监管协调逻辑 285
9.2 主要国家/地区法规框架 287
9.2.1 法规设计总体原则 287
9.2.2 各国法规框架比较分析 289
9.2.3 集中与分权监管模式的比较分析 291
9.3 适航审定、运营许可与认证流程 293
9.3.1 适航审定总体框架 293
9.3.2 eVTOL特别适航关注点 295
9.3.3 UAV适航与运营许可流程 297
9.3.4 eVTOL载人飞行适航特殊要求 299
9.3.5 国际适航认证对比 302
9.4 标准化与行业规范 304
9.4.1 标准化在低空经济发展中的基础性作用 304
9.4.2 数据接口标准化体系 306
9.4.3 远程识别与通信安全标准 308
9.4.4 维护与操作标准 310
9.4.5 国际标准与行业规范实例分析 312
9.5 政策工具与激励机制 315
9.5.1 城市试点政策 315
9.5.2 财政补贴与投资激励机制 318
9.5.3 土地使用与基础设施激励 320
9.5.4 政策组合与激励效果评估 322
第10章 前沿技术与发展趋势 325
10.1 低空无人系统的协同运行与智能化演进 325
10.1.1 编队与集群协同的技术范式 325
10.1.2 AI在自主决策中的应用 326
10.1.3 空天一体化与通信融合 329
10.2 绿色动力学与能量优化 331
10.2.1 绿色动力学概念体系 331
10.2.2 能量回收技术 333
10.2.3 混合推进与可再生能源系统 334
10.2.4 全生命周期能量与排放分析 336
10.3 社会学与伦理问题 337
10.3.1 公共接受度研究 337
10.3.2 就业替代与经济影响分析 339
10.3.3 伦理审查与法律责任框架 340
10.4 未来趋势预测与研究议题 342
10.4.1 技术发展路线图 342
10.4.2 关键技术瓶颈分析 343
10.4.3 跨学科合作方向 345
10.4.4 未来研究议题 347
参考文献 350
附录 360
