论文
无人机航线规划与增强现实
以底特律大都会机场为试验场，梳理空域与法规约束，设计四条不干扰现有航班的 eVTOL 进场航线，并开发开源的航线规划与三维回放工具。入选 ICAS 2026。
与 Joby 及底特律大都会机场（DTW）合作的研究项目，论文入选 ICAS 2026。
研究的问题是电动垂直起降飞行器（eVTOL）做空中出租车时，怎么在大城市和枢纽机场之间飞。按论文的调研，这样的航线目前还没有真正运营过。eVTOL 能把城市到机场的时间最多缩短约 90%，但枢纽机场上空已经有大量客机沿固定走廊进近，新加入的飞行器要找到不影响它们的进场路线、等待位置和落地点。
论文以 DTW 为试验场，设计了从安娜堡和底特律市区飞到 DTW C 号候机楼旁起降点的四条候选航线，每条约 12 到 20 分钟，都在 Joby S4 的性能范围内。我负责其中的空域与法规分析、航线设计、运动学模型和网页规划工具。
为什么选 DTW
DTW 已经有一条连接底特律和安娜堡的空中交通走廊，支持超视距（BVLOS）运行。机场里有一座利用率不高的候机楼可以改成 eVTOL 起降点，停机坪也有富余，州和地方政府也在支持先进空中交通的试点。它是真正的枢纽机场，又有空间在不影响航班的情况下试飞，适合先在这里研究清楚，再推广到纽约肯尼迪这类更拥挤的机场。
空域和法规
设计航线之前，我先把机场附近不能飞或受限制的区域梳理了一遍。
DTW 周围是 B 类空域，形状像倒扣的多层蛋糕，离机场越近底板越低。FAA《航空信息手册》限制未经许可在枢纽机场附近低空进入。对 eVTOL 影响最大的是最内侧两层：半径 8 海里、从地面到 10,000 英尺的核心区，以及半径 10 海里、底板 2,500 英尺的第一层外圈。
客机的仪表进近程序按美国终端仪表程序标准（TERPS）设计，周围有障碍物净空面，eVTOL 航线要绕开。FAA 空管规程 JO 7110.65 还规定了水平和垂直方向的雷达间隔与尾流间隔，并要求留出等待区域来吸收流量波动。
NASA 城市空中交通运行概念（UAM ConOps）里提到「夹缝空域」，指 B 类空域底板之下、几股仪表进近流之间很少被使用的空间，eVTOL 最有可能从这里进出机场。
进近走廊按占用空间最大的精密跑道监视（PRM）仪表进近来重建，得到的结论偏保守。叠上 NASA Sherlock 数据库里的历史航迹后可以看到，客机几乎都沿着走廊飞，集中在 B 类空域的上层，下方的低空带基本没人用，所以 eVTOL 航线都安排在客机流的下方。
航线设计
场景是 DTW 南向运行，使用 22R、22L 和 21R 跑道。我按三条原则手工设计航线：
- 横向和垂直方向都与 PRM 进近空域保持安全距离
- 尽量沿铁路等现有地面交通走廊飞，减少对居民区的噪音，也能利用沿线已有的超视距运行设施
- 进场高度保持在各条进近走廊的下方或之间，并尽量低于附近机场（如 Willow Run）的起落航线高度
安娜堡航线从西边进场，横向避开 22R 跑道的进近走廊；底特律航线从东北方向进场，经过现有航班很少使用的低空扇区。
每条航线在最后进近前都有一个等待点。等待点要在大片无人居住的绿地上方，万一等待时间超出能量余量可以就近迫降，同时离机场足够近，让管制员一直看得见。
每条航线都试了两种等待方式：
| 北侧等待 | 侧向等待（西侧 / 东侧） | |
|---|---|---|
| 位置 | 机场北面，在主要进离场流后方 | 跑道正侧方，横向避开主流 |
| 尾流 | 暴露更多，前面常有重型客机 | 暴露更少 |
| 管制负担 | 只需穿过一条没在使用的侧风跑道，可以用事先签好的协议（LOA）代替逐次许可 | 要穿越正在使用的跑道，管制员需单独发许可，还要等进离场空档 |
侧向等待的尾流风险小，但要穿越正在使用的跑道，会增加管制员的工作量，而管制员负荷正是 B 类机场引入 eVTOL 时最受关注的问题之一。北侧等待正好反过来。论文没有给出唯一答案，选哪种要看机场更在意哪一边。
| 起点 | 等待方式 | 航路点 | 飞行时间 | 最大高度（离地） |
|---|---|---|---|---|
| 安娜堡（MCity） | 北侧 | 13 | 20 分 24 秒 | 1,154 英尺 |
| 安娜堡（MCity） | 西侧 | 14 | 16 分 36 秒 | 1,154 英尺 |
| 底特律（密歇根中央车站） | 北侧 | 8 | 11 分 55 秒 | 1,654 英尺 |
| 底特律（密歇根中央车站） | 东侧 | 14 | 15 分 32 秒 | 1,654 英尺 |
运动学模型
为了确认航线真的飞得出来，我搭了一个质点运动学模型，把离散的航路点平滑成随时间变化的轨迹。NASA GUAM 这类六自由度仿真更准，但算得太慢，没法在拖动航路点时实时检查；质点模型只考虑转弯、爬升和减速，足够判断能不能飞，速度也快到可以放进网页里。
模型的输入是一串航路点，每个点包括经纬度、离地高度和是否在此等待；输出每个时刻的三维位置、地速、航向、垂直速度、坡度角和过载。飞行分为起飞、前飞、等待、降落、滑行五个阶段，前飞时按刹车距离控制速度，保证在下一个航路点之前减速到位。
性能参数取自 Joby S4：巡航 90 节，爬升率 492 英尺/分钟，最大加速度 0.15 g，常用减速度 0.10 g，转弯率每秒 3°。按这组参数，最小转弯半径约 884 米。航路点间距太小或转角太大，航线就不可行，所以这个数字直接限制了航线的画法。模型还记录纵向和垂直过载，用来评估乘客舒适度。
规划工具
我把空域图层和运动学模型做成了一个开源网页工具，不写代码也能设计和检查航线。
前端用 React。二维规划页基于 Leaflet 地图，叠加进近走廊和 B 类空域边界，可以切换北向、南向、西向三种跑道运行方式，航路点直接在地图上放置和拖动。后端是 FastAPI，运行用 NumPy 和 Pandas 写的运动学模型，航线每改一次就重新计算，并标出让航线不可行的航路点。三维回放基于 CesiumJS，有自由视角、机上跟随视角和塔台视角；塔台视角把相机放在 DTW 塔台，看到的就是管制员的视野。高度和地速曲线用 Plotly 同步显示。整套系统用 Docker 打包，本地和服务器都能运行。
FAA 空域专家可以用自由视角检查航线和进近走廊之间的间隔，人因研究者可以用塔台视角找出管制员最难看清的进场方向。
论文的其他部分
论文也做了市场和经济分析。用人口增长回归估算机场客源，假设到 2035 年有 2% 往返机场的旅客从开车改乘空中出租车，按每英里 3 美元、每架 6 座计算，2035 年票务收入约 2,200 万美元/年。往返票价安娜堡约 150 美元，底特律约 114 美元。
用投入产出（Leontief）模型推算到韦恩县，每英里 3 美元时，地区总产出到 2035 年增加约 702 万美元，但机场停车等行业会因为旅客不再开车而收缩。票价提到每英里约 6.04 美元时，所有行业才都不亏，地区总产出增加约 4,413 万美元。
规划工具里的进近走廊图层来自论文的另一部分：用 Python 从 FAA 的 NASR 数据集解析 DTW 的进近程序，重建出三维走廊，在 Google Earth 里展示南向、北向、西向三种运行方式。
团队还用 Unity 和 Cesium 为 Apple Vision Pro 搭建了 DTW 塔台视角的沉浸式环境，准备以后用来研究管制员工作负荷、eVTOL 是否容易被看见，以及 AI 辅助决策的效果。由于 Cesium 与 Vision Pro 的兼容性问题，目前还没能部署到头显上。
之后的计划包括加入电池能量模型，确保长时间等待时电量够用；把垂直空域边界直接写进模型；考虑风的影响；按 884 米转弯半径自动插入中间航路点；支持多架飞机同时运行。
论文全文见下方。