美国无人机运行基础设施发展研究

2018 年 2 月 12 日 无人机

导读

无人机的大量使用使得无人机的安全性引发社会的高度关注，建立完善的安全监管体系势在必行。无人机交通管理概念的提出对通过技术手段完善目前的监管框架体系提供一种新途径。

本文概述了美国无人机交通管理系统的发展，指出了监管政策、感知与规避技术以及安全运行间隔标准不足，值得高度关注。

1956年，美国大峡谷上空发生了一起两架飞机相撞事故，由此催生了空中交通管理(ATM)系统。

为了吸取历史教训，2014年，美国提出了无人机交通管理 (UAS Traffic Management, UTM) 系统的概念，其目的是预防无人机与有人机相撞。无人机交通管理概念意图通过技术手段对无人机进行监管，完善目前支离破碎的监管框架体系。

近几年，无人机技术取得了巨大突破，产业化水平大幅提升，大量企业不断涌入，这导致无人机行业进入野蛮生长的周期，产品同质化现象非常严重。

然而，根据美国无人机发展线路图提出的自主控制等级（ACL,共10级）标准，目前市场上大部分无人机自主等级 ACL < 2，其自主性水平比较低。

根据美国CyPhy Works公司预测，2019年，无人机将实现快递和送货。虽然目前无人机的使用仍然以农业植保、电力巡线和航拍等为主，但是无人运输将是无人机技术的真正变革意义所在。

从科技发展的趋势来看，无人运输像互联网的发展一样具有“链接”功能，对社会和技术的发展具有巨大的推动作用。

近几年，可选有人驾驶飞行器(OPV) 技术发展迅速，这种无人飞行器既可以选择无人驾驶模式，又可以选择有人驾驶模式。在空域受到限制的环境下，可选有人驾驶飞行器将是一种有效的选择。

目前，这种飞行器的研发已经列入了美国未来无人机发展路线图之中，西科斯基飞机公司等企业也正在积极研发相关同类飞行器。

在传统航空业中，两架以上飞机之间的相撞是非常罕见的。但无人机数量正在以几何级数增长，在有限的低空空域，未来三架以上无人机的相撞也很容易发生。

例如，发生突发事件后，几十架航拍无人机可能在同一时间到达。你也可以想象未来有数十架（甚至更多）快递无人机同时到达某个小区时的情景。

与此同时，无人机空中防撞的技术解决方案也变得越来越复杂，这种挑战被一些学者称为维数灾难 (Curse of Dimensionality)。所以，必须采用更先进的技术手段来管理低空空域，研发、部署无人机交通管理系统等基础设施对确保无人机的空域使用安全具有重要性和必要性。

美国宇航局(NASA)率先开展无人机交通管理系统的研究、开发、测试和实工作。建成后，无人机交通管理系统将具备以下六项功能：

一是空域管理，划定电子围栏；

二是恶劣气象条件预警；

三是空域拥挤预防；

四是建立地形、建筑等低空障碍物数据库；

五是确保飞行安全间隔；

六是飞行认证、飞行监督。

美国宇航局正在与政府、利益相关部门和学术机构合作，探索未来可能的无人机交通管理系统以及无人机业务安全运行的技术支持。在此基础上，美国宇航局规划了无人机交通管理的发展路线图，提出了一套技术控制等级(TCL)标准：

第一等级(TCL1)：用技术解决农业、消防和基础设施应用监控，重点是地理围栏、高度层的运行规则和运行航迹的规划。该阶段的相关技术已经在2015年8月进行实地测试，并在美国联邦航空局(FAA) 的网站正在进行进一步的测试。

第二等级(TCL2)：测试相关技术支持空域动态管理和应急救援管理。2016年10月，利用TCL1测试结果，在人口稀少地区进行超视距的飞行试验。

第三等级(TCL3)：充分利用TCL2 结果，测试相关技术以保持在适度人口密集区上空合作目标和非合作目标的无人机安全间隔，计划于2018年1月开始实施。

第四等级(TCL4)：将充分利用TCL3 结果，并专注于高人口密度的城市地区上空无人机运行任务，例如新闻航拍和包裹递送，并且将测试用于管理大规模突发事件的技术。此阶段的时间框架还未确定。

在无人机交通管理框架中，在管制部门和无人机运营商之外，选取第三方空域服务商的模式被广泛认同。

未来，无人机交通管理系统的运行将采用空域服务商(Airspace Service Providers, ASPs)的商业运营模式，以提供禁飞区、气象、地形障碍、交通、飞行计划等数据服务，并对无人机空域进行规划和容量管理。

目前，美国宇航局的研究工作已有包括谷歌、亚马逊在内的至少14家公司和大学参与。

谷歌公司提出了无人机安全认证系统，通过三个机构，即身份注册机构、认证授权机构和权限审查机构，建立一个无人机安全认证的生态系统，采用一个高效的公钥设施 Public Key Infrastructure , PKI)，使得无人机运营商生成一个公共的和一个私用的“密匙对”，在管制部门和无人机运营商之间架起一座桥梁，模块化地解决无人机安全认证问题。

洛克希德-马丁公司依托通用航空飞行服务网站，开发了无人机的无人机交通管理模块。通过飞行员在线网站，洛克希德-马丁公司直接将飞行计划提交给美国联邦航空局，实现与局方的无缝结合。

无人机企业获得美国联邦航空局的商业运营豁免后，无人机操作员可以在该网站上直接输入信息，获取最新的禁飞区等航行情报信息。无人机起飞后，该公司的无人机交通管理系统监视它们是否在计划的空域中飞行，如果侵犯了其他用户的空域，无人机交通管理系统会在第一时间通知当地空管部门。

该公司在无人机交通管理系统开发过程中与美国宇航局等机构合作，达成了空域信息共享协议。这些协议规定了软件接口标准，允许其他公司的无人机交通管理系统和地面站可以直接接入。

技术难点

（1）监管政策不明确

监管政策发展滞后成为无人机交通管理的最大挑战。

目前，还没有哪个国家正式把无人机交通管理系统列入无人机监管方案。

2015年11月，欧洲航空安全局提出了无人机运行的技术标准，将无人机按照安全等级分为三个类别“开放” (“Open”)、“专用”（“Specific”)和“认证” (“Certified” )，并提出了无人机交通管理的相关路线图。

2018年1月26日，中国工业与信息化部装备工业司发布了《关于公开征求<无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）意见的通知>》，征求意见稿突破现行“所有飞行必须预先提出申请，经批准后方可实施”的规定，对部分运行场景的飞行计划申请与批复流程作出适当简化。

微小型无人机在禁止飞行空域外飞行，无需申请飞行计划；

轻型、植保无人机在相应适飞空域内飞行，只需实时报送动态信息；

轻型无人机在适飞空域上方不超过飞行安全高度飞行，具备一定条件的小型无人机在轻型无人机适飞空域及上方不超过飞行安全高度的飞行，只需申报飞行计划；

国家无人机在飞行安全高度以下遂行作战战备、反恐维稳、救险救灾等飞行任务，可适当简化飞行计划审批流程。

同时，将紧急任务飞行申请时限由现行1小时前调整为30分钟前。

美国洛克希德-马丁公司的无人机交通管理系统面临的最大风险是政策的不确定，一方面体现为技术标准的不确定性，另一方面体现为与现有空管系统的融合性。

该系统在面对以下两种情况时将无能为力。

第一种是无人机飞出控制区，超出了链路控制范围，并且不能返回起始点；

第二种是蓄意闯出了电子围栏区域，闯入禁飞区。在这两种情况下，该系统无法管控无人机，必须通报当地空中交通管制部门，随后由其向周围空域发出预警。

（2）感知规避技术有待进步

无人机融入民用空域，首先要解决感知规避问题。

我国民航局CCAR-91第113 条规定“当气象条件许可时，无论是按仪表飞行规则还是按目视飞行规则飞行，航空器驾驶员必须注意观察，以便发现并避开其他航空器。”因此，有人机驾驶员必须通过“看见规避”的方式保证空域安全。

融入民用空域后，无人机需要以“感知规避”代替“看见规避”。我国对“感知规避”没有提出相应要求，但是美国联邦航空局在2008年颁布的标准规定，无人机“感知规避”能力必须要达到“看见规避”的最低要求。

无人机感知规避可分为合作式和非合作式两种类型。合作式感知面临的挑战是需要降低设备价格、重量和能耗。

亚马逊公司提出了一种地面车-车通信手段 (V2V)解决方案。

谷歌公司提出了移动蜂窝网络(3G、4G)通信技术。

中国也于近期完成了低空联网无人机安全飞行测试报告，尝试研究测试蜂窝网络在无人机监管的有效性。

此外，还有短距广播式自动相关监视设备(通用访问收发机(UAT)和S模式的基于异频雷达收发机1090ES)、长期演进(LTE) 无线通信设备、基于802.Up通信协议的设备用于合作式感知规避。这些设备在微小型无人机技术上不存在太多障碍，但是会受到其低载荷能力的极大限制。

非合作式感知技术面临的挑战是感知规避精度有待提高。美国有近5000架有人机没有装备应答机等设备，其中有一半飞机甚至连航电设备都没有（例如动力三角翼、滑翔机等），其驾驶员很难观测到空中的无人机，即使观测到飞行目标，仍然需要判断这是近处一架无人机还是远处一架有人机。

（3）运行间隔标准有待明确

有人机的最小间隔标准为飞行员主观确定的安全间隔，无人机的安全间隔标准需要通过感知设备确定。间隔标准太小将会增加碰撞风险，标准太大会影响空域使用效率。因此，研究如何定义无人机安全间隔标准以取代飞机驾驶员的主管判断，既能保证空域安全性，又能确保空域使用效率。

国际民航组织(ICA0)提出了保持充分间隔和防撞水平解析示例，如果某一威胁穿过无人机的防撞限制，无人机的探测和规避系统应警示遥控驾驶员采取行动，以防止入侵航空器进人冲突空域体出现相撞风险。

在无人机空中管理系统开发的早期就需要定义最低运行间隔标准。

2004年，美国国防部空域融入计划中就有陈述，“有用的感知规避性能必须向操作者提出警告，在本地的空中交通系统中，安全限度必须规定有充足的反应时间和规避动作”。航空无线电委员会 (RTCA)颁布了 228 (SC-228)文件，提出了无人机运行的最低要求，对无人机感知规避技术提出了要求，但是没有明确运行安全间隔标准。

2009年，美国联邦航空管理局感知规避工作组提出了 “最小间隔标准”的概念，在本质上可以模拟飞行员的主观判断，实施的关键是研发一种可满足于工程应用的感知规避技术。

2011年，在美国宇航局、林肯实验室、美国空军研究实验室的基础上，美国成立了感知规避研究小组(SARP)。

2013年，该小组在第二次会议上对这一问题进行了探讨，达成了以下共识：无人机的well clear是最小间隔标准，可作为感知规避工程开发的最小间隔标准。

2015年，该小组还提出了3个无人机安全间隔标准，总结归纳了安全间隔标准的基本准则，研究安全间隔的决策尺度及其权重，并通过仿真试验。