無人機系統應用和挑戰

為了促進無人機系統 （Unmanned Aircraft System，UAS）應用的快速發展，最大化無人機應用帶來的經濟效益，在當前無人機多樣化任務需求的牽引下，迫切需要突破相應的關鍵技術，并克服監管、政策、技術、社會、環境等方面所面臨的挑戰。

無人機應用領域的拓展

無人機技術的發展使無人機應用領域的拓展具備了更多可能性，然而真正促進無人機市場發展的則是任務需求。很長一段時間，無人機主要在作戰區域或者管制空域執行軍事任務，包括情報、監視與偵察（ISR），目標偵測、辨識和毀滅打擊，攻擊和壓制敵方防空系統，電子對抗，通信中繼，反艦作戰，反潛作戰，地雷戰，進攻性或防御性對空作戰和空中運輸等。

近年來，無人機的民用應用領域不斷拓展。目前，已經在如下領域得到推廣應用：貨物運輸，地形、管道、公共設施、建筑等的監測，執法和公共安全，海岸線和交通運輸的測量，災難和危險的管理、搜索和救援，環境監測，農林植保，消防，通信中繼和遠程傳感，空中測繪和氣象研究等。

無人機市場發展初期集中于制造飛行器平臺及其傳感器，長遠來看更具價值的則是傳感器所產生的數據。數據與地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的詳細地理信息相結合，能給農業、牧業、林業和水務行業等日常業務包含土地使用的行業帶來新的機會，如能促進精準農業的發展。

精準農業具有長期生產、效率最大化、資源利用最優化與可持續性的特點，需要有關土地、農作物、環境變量的空間分布數據。采集和處理這些數據的頻率必須保持恰當，使農民有時間對農作物的重大生理發展或變化采取相應的措施（如蟲害、疾病、肥料、干旱情況、預計收成等）。此時，就可以引入無人機作為遙感平臺，結合GPS和GIS對農作物進行監控和評估；可以使用長航時無人機對農作物成熟度進行近實時監控，利用獲取的數據判斷收獲的最佳時間；通過無人機使用經輻射校準的遙感數據對農作物特性進行評估等。

與之類似，無人機在牧場管理、交通監管、災害響應等領域都將得到快速發展。

無人機應用的經濟效益

無人機用于貨物運輸、管線巡檢等，最顯著的優點是替代人力，從而提高作業效率，降低了作業成本。另外，隨著控制技術的發展，未來單人可同時操控多架無人機，這將進一步削減人力需求。

因此，從長遠來看，無人機應用的經濟效益是顯而易見的。

隨著無人機技術的不斷成熟與進步，其制造成本將持續降低，售價也將更加親民；同時無人機自主性不斷提高，用戶學習成本下降，操作變得更加簡單易學。

無人機系統的技術攻關

無人機任務需求與技術發展相輔相成，技術的發展使任務需求成為現實，同時，任務需求又反過來促進技術的發展。無人機屬于高新技術產品，各種新技術的出現與發展促使無人機系統性能產生巨大提升，同時將促進軍用和商業無人機市場的發展和增長。

動力、材料技術

目前，國內的低端發動機有賴于進口，隨時可能遭受禁運，國產高端發動機性能較低，進口則更加困難。對于發動機技術的研究，需要突破活塞發動機缸內直噴技術，重油發動機技術、增壓技術，渦扇發動機大涵道比低油耗技術，低雷諾數下關鍵部件設計技術等。對于新能源動力，需要持續提高太陽能、燃料電池轉換效率。

當前，隱身材料技術制約了隱身無人機的發展；輕質高強度材料技術則制約了機體結構強度提升和重量下降；長久耐高溫材料技術制約了發動機和超高聲速無人機的發展。因此，需要開展新型隱身材料、輕質高強度復合材料、長久耐高溫材料持續研究，并有效地集成通用先進復合材料和金屬結構，研究如何預測和預防這些非傳統材料和制造方法的故障和缺陷。

信息技術

應滿足高空高速長航時無人機、無人戰斗機、多用途戰術無人機、微型無人機等新型無人機對測控與信息傳輸的不同需求，解決好一定空域范圍內無人機多品種、多架次、多系統測控與信息傳輸的協同和兼容工作，以及通用化、標準化、模塊化、系列化等問題，重點突破高可靠、保密、寬頻帶、抗干擾的無人機通用數據鏈技術；通用、互操作的無人機地面控制技術；遠程多目標無人機測控與通信網技術；超寬帶無人機激光數據鏈技術。

對于信息處理，由于信息量急劇增加，機上實時信息處理和目標提取技術缺失，多元信息融合處理能力不足，需要突破壓縮和機上信息處理技術，建立目標特性庫，實現目標自動提取、識別。

針對無人機自主能力弱，而執行任務的環境日趨復雜問題，需要突破機器推理、多傳感器數據融合、神經網絡等關鍵技術，實現無人機自主決策。

協同管控技術

隨著無人機數量快速增長，用戶不斷增加，急需突破無人機“可觀測、可控制、可規避”技術；由于不同無人機標準體系不統一，互操作與信息共享困難，因此，需要研究構建開放式架構系統，建立服務知識庫，研制通用地面站，提升互操作性。

當前，無法實現統一控制無人機編隊執行任務，需要研究通過通用地面站，利用協同控制技術，實現無人機之間，甚至無人機與有人機之間的編隊協同作戰任務。

其他技術

以無人機平臺和信息能力相結合為主線，勾畫無人機的型譜和發展路線，重視信息技術在無人機系統中的突出作用，并綜合集成信息能力。

效費比高、相對成本低廉是無人機重要的特點之一，開展低成本設計技術研究對無人機發展十分重要。需要進行低成本結構設計與制造技術研究；開展集成度高、體積小、重量輕、性能優、成本低的航空電子電氣設備技術研究。

進一步加強試驗和訓練基地及配套建設，建立專業駕駛員培訓考核機構。

無人機應用的其他挑戰

軍用無人機作為空中目標，具有被摧毀的預期，因此其設計并不十分強調壽命和魯棒性。然而，民用無人機則完全不同，利用無人機執行公共、私人和商業任務的同時，必須考慮其他的空中交通，需要重視其他空中交通操作的相關需求和民眾關切。對無人機駕駛員進行嚴格要求才能為其他飛機以及地面人員和財產提供安全環境，這就意味著必須面對一系列復雜的潛在限制，這些限制同時也將制約民用無人機的發展。

總而言之，當前無人機民用市場增長的挑戰主要包括：監管、政策和技術問題，社會問題（如隱私和擾民問題），環境問題（如噪聲和排放）。需要理解和重視這些擔憂，才有可能推動無人機的應用發展。

監管政策和技術

無人機的有效監管需要政策和技術兩方面的支撐。無人機的監管政策面臨嚴峻的現實挑戰：政策放松，安全隱患就會增加；政策收緊，產業發展可能會受限。在技術層面，除了提升空域管理技術之外，還需要得無人機具備感知與規避能力，監管機構具備無人機的反制能力。

在美國，為了將無人機的安全隱患控制在最小程度，制定了嚴格的監管政策。此前，美國聯邦航空局（FAA）規定25kg以內民用無人機必須向政府注冊，駕駛員也需要獲得執照；消費娛樂用途的無人機飛行時必須避開人群和工業、商業設施，商用無人機在人群上空飛行時也需要有安全保障；無人機未經申請前只能在白天使用，高度限制在約120m以下，且全程都要在駕駛員視線范圍之內飛行等。

這些政策的草案從公布開始就受到一些批評，主要認為政策過于嚴格，大大限制了無人機的使用場景。因此，監管政策也在不斷的調整中，FAA于2017年7月7日頒布新政，規定娛樂型無人機無需再注冊。

社會問題

即使克服了監管政策和技術難題，廣泛使用無人機還會給公眾帶來隱私問題。隨著智能移動終端和成像技術的進步，無人機不僅能夠實現更高效、更安全的航拍航攝，無人機技術門欄和成本也不斷降低，公眾獲得無人機變得越來越容易。觀察市場上現有的民用無人機，主流機型的用途基本都是攝像、攝影。在無人機應用過程中，如房產調查、地圖繪制，都有可能涉及個人私密或財產隱私。如何解決無人機涉及的隱私問題是需要考慮的一個重要問題。

環境問題

無人機在執行任務時，其噪聲和排放總是難免給周圍環境帶來一定影響。以民用貨物運輸為例，無人機在接近地面進行貨物投放時，會給附近的人帶來噪聲污染。此外，發動機排放的煙氣也會對環境造成影響，這些問題都需要得到重視和解決。

有效應對挑戰的建議

預計將來在軍事和非軍事領域，無人機的運用將會超過有人駕駛飛機。為實現這一超越，除了證明無人機相比當前的有人駕駛飛機更具成本效益，并且能夠更高效地完成復雜任務外，還必須要證明無人機的使用安全性。目前，支持這一轉變所需的技術正在迅速發展，成本在降低，應用在增長，此時面臨的最大挑戰則是監管、政策和技術問題。為了應對上述挑戰，以在美國促進無人機在國家空域系統（NAS）中操作為例，分析可以借鑒和參考的措施。

監管層面

（1） 在5500m以上的高度空間里，研究減少有人和無人駕駛飛機的垂直隔離到152m，尤其是要考慮到速度的差別。

（2） 建立地基感知與規避（GBSAA）標準與程序。這需要使用能夠探測到非合作飛機目標的三維雷達，并通過該雷達在航空頻率上提供無人機活動的緊急多路廣播，同時為無人機駕駛員提供所需的碰撞規避機動，或者直接將自動控制指令發給無人機。

（3） 增加和終端雷達進近控制設備（TRACONs）的工作人員，處理無人機任務規劃和審批，以及復雜的協調與通信任務，以更好地管理無人機駕駛員的工作量和復雜度。

（4） 評估航空氣象要求是否適用于多種不同類型的無人機。當前的航空氣象要求是基于飛行員的能力來確定飛行所需天氣條件。因此，應當研究確定遙控駕駛、半自主、全自主無人機相關操作模式是否與當前有關天氣的程序、規則和要求相適應。

（5） 針對航空管制設備，研究無人機駕駛員和空中交通控制人員之間的通信、指揮和控制的概念、功能和系統。無人機和有人駕駛飛機存在顯著的性能差異，因此，促使無人機進入國家空域系統首要考慮的是根據操作特性進行隔離。

（6） 考慮使無人機在受保護的頻譜范圍內活動，指定衛星和陸上頻譜作為無人機與駕駛員的通信鏈路。

（7） 考慮依賴廣播式自動相關監視（ADS-B）對高空長航時（HALE）和中空長航時（MALE）無人機進行監視。對于超過某一尺寸和重量的無人機，都需要攜帶一個雙向鏈接的擴展斷續振蕩器（1090ES）和一個通用接入收發器（UAT）ADS-B，用于空中交通管制（ATC）的識別和監視。如在978MHz使用UAT 1M/s的帶寬，就應該將其作為保護頻譜，保持其可用性和所需數據帶寬。

（8） 研究、設計和整合一種應用于無人機的協調任務規劃，以及與相關ATC保持一致的監視機制。目的是在鏈路丟失和其他意外情況下，建立詳盡的、低風險的四維航行剖面，避開高密度人群、關鍵設施區域和密集使用的空域。任務剖面（又名飛行計劃）應該提前24h向FAA雷達控制設備提出申請，并從某一位置開始能夠通過快速時間仿真進行檢查。FAA應該進行適當的修改，并發回給操作人員，以進行進一步的磋商或者接受。該飛行計劃應該能夠在經批準后15min內激活和執行。這在本質上替代了授權認證（COA），創建一個24h“申請和放飛”批準程序。

（9） 研究在監管設施中引入無人機位置的可行性，監管人員可以根據位置信息實時掌握無人機飛行動態，了解所轄區域空中交通狀況。

政策層面

（1）考慮和采取適度的直接排除否定，例如，對于小于2kg的微小型無人機只進行操作限制。這些操作限制應遵循無線電遙控模型飛機咨詢通告AC-91- 57的要求，即保持在122m高度以下，遠離公共機場4.8km以外，除非得到了空管授權批準。

（2）發布關于小型無人機系統的標準制定意見通知。

（3）研究無人機的標稱動能，以確定對人員和財產的地面威脅，進而評估安全性需求，并制定相應規章。飛行器脆弱性也應作為該研究的部分內容。

（4）研究并強調與無人機有關的公眾隱私關切，考慮采用某種政策，或者創建一種建議規則，使駕駛員和/或飛行器可以進行基于web的注冊，從而能夠快速批準對小型和中型無人機的操作授權。這樣不僅能夠跟蹤無人機、駕駛員和市場動態，而且對于已經確定違反了當地、州或者聯邦法律，以及非法隱私入侵的無人機，可以撤銷操作許可。

（5）研究和評估無人機相關認證（FAA飛機認證服務（AIR））、標準（FAA飛行標準服務（AFS））和操作（FAA空中交通組織（ATO））。

技術層面

（1）修改有人駕駛飛機和無人機的UAT，以提供雙向的數據鏈路，使UAT鏈路能夠輕易地實現與空中交通管制相關的潛在通信、指揮和控制功能。

（2）研究語音識別、編碼和解碼技術，同時可以將這項技術應用于任意能夠傳輸數據的通信信道上。

（3）為了使駕駛員能夠看到并避開無人機，除了繼續進行感知與規避的相關研究工作外，應研究和確定特殊的顏色和燈光標準，以增強無人機的可視性。

（4）研究、設計和應用新的無人機設計和制造標準，對重量大于2kg的無人機進行分類認證。將無人機的安全性提高到一個FAA和公眾可以接受的標準。

（5）設計一套采用網絡電話（Voice over Internet Protocol，VoIP）的通信基礎設施，用于提供地面到地面的通信鏈路，建立起空中交通控制人員與駕駛員的聯系；建立并維護好確定的頻譜，包括對飛機和地面上的無線電設備的標準進行規定，確保可接受通信的有效性和性能；支持語音和數據，從而實現多方的“即時消息”；確定便攜式和固定通信數據鏈路的性能和功能標準。

（6）研究改進飛機的高度測量和飛行控制系統，縮小最小垂直間隔（RVSM）空域。

（7）評估無人機應用帶來的風險。空中和地面碰撞的主要風險因素是動能（速度和質量）以及平臺的脆弱程度。例如，由泡沫和輕質木材構成的微型飛機，重量不超過2kg，飛行速度低于9m/s，即使發生碰撞，對平臺、地面人員或財產造成的損失也很小。尤其是在122m高度以下進行操作的無人機。

（責任編輯：黃貞靜）