為了促進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng) (Unmanned Aircraft System,UAS)應(yīng)用的快速發(fā)展,最大化無人機(jī)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益,在當(dāng)前無人機(jī)多樣化任務(wù)需求的牽引下,迫切需要突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù),并克服監(jiān)管、政策、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境等方面所面臨的挑戰(zhàn)。
無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展
無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展使無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具備了更多可能性,然而真正促進(jìn)無人機(jī)市場發(fā)展的則是任務(wù)需求。很長一段時(shí)間,無人機(jī)主要在作戰(zhàn)區(qū)域或者管制空域執(zhí)行軍事任務(wù),包括情報(bào)、監(jiān)視與偵察(ISR),目標(biāo)偵測、辨識(shí)和毀滅打擊,攻擊和壓制敵方防空系統(tǒng),電子對抗,通信中繼,反艦作戰(zhàn),反潛作戰(zhàn),地雷戰(zhàn),進(jìn)攻性或防御性對空作戰(zhàn)和空中運(yùn)輸?shù)取?/p>
近年來,無人機(jī)的民用應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前,已經(jīng)在如下領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用:貨物運(yùn)輸,地形、管道、公共設(shè)施、建筑等的監(jiān)測,執(zhí)法和公共安全,海岸線和交通運(yùn)輸?shù)臏y量,災(zāi)難和危險(xiǎn)的管理、搜索和救援,環(huán)境監(jiān)測,農(nóng)林植保,消防,通信中繼和遠(yuǎn)程傳感,空中測繪和氣象研究等。
無人機(jī)市場發(fā)展初期集中于制造飛行器平臺(tái)及其傳感器,長遠(yuǎn)來看更具價(jià)值的則是傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的詳細(xì)地理信息相結(jié)合,能給農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)和水務(wù)行業(yè)等日常業(yè)務(wù)包含土地使用的行業(yè)帶來新的機(jī)會(huì),如能促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有長期生產(chǎn)、效率最大化、資源利用最優(yōu)化與可持續(xù)性的特點(diǎn),需要有關(guān)土地、農(nóng)作物、環(huán)境變量的空間分布數(shù)據(jù)。采集和處理這些數(shù)據(jù)的頻率必須保持恰當(dāng),使農(nóng)民有時(shí)間對農(nóng)作物的重大生理發(fā)展或變化采取相應(yīng)的措施(如蟲害、疾病、肥料、干旱情況、預(yù)計(jì)收成等)。此時(shí),就可以引入無人機(jī)作為遙感平臺(tái),結(jié)合GPS和GIS對農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估;可以使用長航時(shí)無人機(jī)對農(nóng)作物成熟度進(jìn)行近實(shí)時(shí)監(jiān)控,利用獲取的數(shù)據(jù)判斷收獲的最佳時(shí)間;通過無人機(jī)使用經(jīng)輻射校準(zhǔn)的遙感數(shù)據(jù)對農(nóng)作物特性進(jìn)行評(píng)估等。
與之類似,無人機(jī)在牧場管理、交通監(jiān)管、災(zāi)害響應(yīng)等領(lǐng)域都將得到快速發(fā)展。
無人機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益
無人機(jī)用于貨物運(yùn)輸、管線巡檢等,最顯著的優(yōu)點(diǎn)是替代人力,從而提高作業(yè)效率,降低了作業(yè)成本。另外,隨著控制技術(shù)的發(fā)展,未來單人可同時(shí)操控多架無人機(jī),這將進(jìn)一步削減人力需求。
因此,從長遠(yuǎn)來看,無人機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。
隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步,其制造成本將持續(xù)降低,售價(jià)也將更加親民;同時(shí)無人機(jī)自主性不斷提高,用戶學(xué)習(xí)成本下降,操作變得更加簡單易學(xué)。
無人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)
無人機(jī)任務(wù)需求與技術(shù)發(fā)展相輔相成,技術(shù)的發(fā)展使任務(wù)需求成為現(xiàn)實(shí),同時(shí),任務(wù)需求又反過來促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。無人機(jī)屬于高新技術(shù)產(chǎn)品,各種新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展促使無人機(jī)系統(tǒng)性能產(chǎn)生巨大提升,同時(shí)將促進(jìn)軍用和商業(yè)無人機(jī)市場的發(fā)展和增長。
動(dòng)力、材料技術(shù)
目前,國內(nèi)的低端發(fā)動(dòng)機(jī)有賴于進(jìn)口,隨時(shí)可能遭受禁運(yùn),國產(chǎn)高端發(fā)動(dòng)機(jī)性能較低,進(jìn)口則更加困難。對于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究,需要突破活塞發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù),重油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、增壓技術(shù),渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大涵道比低油耗技術(shù),低雷諾數(shù)下關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)技術(shù)等。對于新能源動(dòng)力,需要持續(xù)提高太陽能、燃料電池轉(zhuǎn)換效率。
當(dāng)前,隱身材料技術(shù)制約了隱身無人機(jī)的發(fā)展;輕質(zhì)高強(qiáng)度材料技術(shù)則制約了機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升和重量下降;長久耐高溫材料技術(shù)制約了發(fā)動(dòng)機(jī)和超高聲速無人機(jī)的發(fā)展。因此,需要開展新型隱身材料、輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料、長久耐高溫材料持續(xù)研究,并有效地集成通用先進(jìn)復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu),研究如何預(yù)測和預(yù)防這些非傳統(tǒng)材料和制造方法的故障和缺陷。
信息技術(shù)
應(yīng)滿足高空高速長航時(shí)無人機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)、多用途戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)、微型無人機(jī)等新型無人機(jī)對測控與信息傳輸?shù)牟煌枨?,解決好一定空域范圍內(nèi)無人機(jī)多品種、多架次、多系統(tǒng)測控與信息傳輸?shù)膮f(xié)同和兼容工作,以及通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化等問題,重點(diǎn)突破高可靠、保密、寬頻帶、抗干擾的無人機(jī)通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù);通用、互操作的無人機(jī)地面控制技術(shù);遠(yuǎn)程多目標(biāo)無人機(jī)測控與通信網(wǎng)技術(shù);超寬帶無人機(jī)激光數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。
對于信息處理,由于信息量急劇增加,機(jī)上實(shí)時(shí)信息處理和目標(biāo)提取技術(shù)缺失,多元信息融合處理能力不足,需要突破壓縮和機(jī)上信息處理技術(shù),建立目標(biāo)特性庫,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)提取、識(shí)別。
針對無人機(jī)自主能力弱,而執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境日趨復(fù)雜問題,需要突破機(jī)器推理、多傳感器數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主決策。
協(xié)同管控技術(shù)
隨著無人機(jī)數(shù)量快速增長,用戶不斷增加,急需突破無人機(jī)“可觀測、可控制、可規(guī)避”技術(shù);由于不同無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系不統(tǒng)一,互操作與信息共享困難,因此,需要研究構(gòu)建開放式架構(gòu)系統(tǒng),建立服務(wù)知識(shí)庫,研制通用地面站,提升互操作性。
當(dāng)前,無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù),需要研究通過通用地面站,利用協(xié)同控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間,甚至無人機(jī)與有人機(jī)之間的編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)。
其他技術(shù)
以無人機(jī)平臺(tái)和信息能力相結(jié)合為主線,勾畫無人機(jī)的型譜和發(fā)展路線,重視信息技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)中的突出作用,并綜合集成信息能力。
效費(fèi)比高、相對成本低廉是無人機(jī)重要的特點(diǎn)之一,開展低成本設(shè)計(jì)技術(shù)研究對無人機(jī)發(fā)展十分重要。需要進(jìn)行低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究;開展集成度高、體積小、重量輕、性能優(yōu)、成本低的航空電子電氣設(shè)備技術(shù)研究。
進(jìn)一步加強(qiáng)試驗(yàn)和訓(xùn)練基地及配套建設(shè),建立專業(yè)駕駛員培訓(xùn)考核機(jī)構(gòu)。
無人機(jī)應(yīng)用的其他挑戰(zhàn)
軍用無人機(jī)作為空中目標(biāo),具有被摧毀的預(yù)期,因此其設(shè)計(jì)并不十分強(qiáng)調(diào)壽命和魯棒性。然而,民用無人機(jī)則完全不同,利用無人機(jī)執(zhí)行公共、私人和商業(yè)任務(wù)的同時(shí),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(guān)需求和民眾關(guān)切。對無人機(jī)駕駛員進(jìn)行嚴(yán)格要求才能為其他飛機(jī)以及地面人員和財(cái)產(chǎn)提供安全環(huán)境,這就意味著必須面對一系列復(fù)雜的潛在限制,這些限制同時(shí)也將制約民用無人機(jī)的發(fā)展。
總而言之,當(dāng)前無人機(jī)民用市場增長的挑戰(zhàn)主要包括:監(jiān)管、政策和技術(shù)問題,社會(huì)問題(如隱私和擾民問題),環(huán)境問題(如噪聲和排放)。需要理解和重視這些擔(dān)憂,才有可能推動(dòng)無人機(jī)的應(yīng)用發(fā)展。
監(jiān)管政策和技術(shù)
無人機(jī)的有效監(jiān)管需要政策和技術(shù)兩方面的支撐。無人機(jī)的監(jiān)管政策面臨嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn):政策放松,安全隱患就會(huì)增加;政策收緊,產(chǎn)業(yè)發(fā)展可能會(huì)受限。在技術(shù)層面,除了提升空域管理技術(shù)之外,還需要得無人機(jī)具備感知與規(guī)避能力,監(jiān)管機(jī)構(gòu)具備無人機(jī)的反制能力。
在美國,為了將無人機(jī)的安全隱患控制在最小程度,制定了嚴(yán)格的監(jiān)管政策。此前,美國聯(lián)邦航空局(FAA)規(guī)定25kg以內(nèi)民用無人機(jī)必須向政府注冊,駕駛員也需要獲得執(zhí)照;消費(fèi)娛樂用途的無人機(jī)飛行時(shí)必須避開人群和工業(yè)、商業(yè)設(shè)施,商用無人機(jī)在人群上空飛行時(shí)也需要有安全保障;無人機(jī)未經(jīng)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(nèi)飛行等。
這些政策的草案從公布開始就受到一些批評(píng),主要認(rèn)為政策過于嚴(yán)格,大大限制了無人機(jī)的使用場景。因此,監(jiān)管政策也在不斷的調(diào)整中,F(xiàn)AA于2017年7月7日頒布新政,規(guī)定娛樂型無人機(jī)無需再注冊。
社會(huì)問題
即使克服了監(jiān)管政策和技術(shù)難題,廣泛使用無人機(jī)還會(huì)給公眾帶來隱私問題。隨著智能移動(dòng)終端和成像技術(shù)的進(jìn)步,無人機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更安全的航拍航攝,無人機(jī)技術(shù)門欄和成本也不斷降低,公眾獲得無人機(jī)變得越來越容易。觀察市場上現(xiàn)有的民用無人機(jī),主流機(jī)型的用途基本都是攝像、攝影。在無人機(jī)應(yīng)用過程中,如房產(chǎn)調(diào)查、地圖繪制,都有可能涉及個(gè)人私密或財(cái)產(chǎn)隱私。如何解決無人機(jī)涉及的隱私問題是需要考慮的一個(gè)重要問題。
環(huán)境問題
無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí),其噪聲和排放總是難免給周圍環(huán)境帶來一定影響。以民用貨物運(yùn)輸為例,無人機(jī)在接近地面進(jìn)行貨物投放時(shí),會(huì)給附近的人帶來噪聲污染。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)排放的煙氣也會(huì)對環(huán)境造成影響,這些問題都需要得到重視和解決。
有效應(yīng)對挑戰(zhàn)的建議
預(yù)計(jì)將來在軍事和非軍事領(lǐng)域,無人機(jī)的運(yùn)用將會(huì)超過有人駕駛飛機(jī)。為實(shí)現(xiàn)這一超越,除了證明無人機(jī)相比當(dāng)前的有人駕駛飛機(jī)更具成本效益,并且能夠更高效地完成復(fù)雜任務(wù)外,還必須要證明無人機(jī)的使用安全性。目前,支持這一轉(zhuǎn)變所需的技術(shù)正在迅速發(fā)展,成本在降低,應(yīng)用在增長,此時(shí)面臨的最大挑戰(zhàn)則是監(jiān)管、政策和技術(shù)問題。為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn),以在美國促進(jìn)無人機(jī)在國家空域系統(tǒng)(NAS)中操作為例,分析可以借鑒和參考的措施。
監(jiān)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(jī)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(guī)避(GBSAA)標(biāo)準(zhǔn)與程序。這需要使用能夠探測到非合作飛機(jī)目標(biāo)的三維雷達(dá),并通過該雷達(dá)在航空頻率上提供無人機(jī)活動(dòng)的緊急多路廣播,同時(shí)為無人機(jī)駕駛員提供所需的碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng),或者直接將自動(dòng)控制指令發(fā)給無人機(jī)。
(3) 增加和終端雷達(dá)進(jìn)近控制設(shè)備(TRACONs)的工作人員,處理無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃和審批,以及復(fù)雜的協(xié)調(diào)與通信任務(wù),以更好地管理無人機(jī)駕駛員的工作量和復(fù)雜度。
(4) 評(píng)估航空氣象要求是否適用于多種不同類型的無人機(jī)。當(dāng)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(yīng)當(dāng)研究確定遙控駕駛、半自主、全自主無人機(jī)相關(guān)操作模式是否與當(dāng)前有關(guān)天氣的程序、規(guī)則和要求相適應(yīng)。
(5) 針對航空管制設(shè)備,研究無人機(jī)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(tǒng)。無人機(jī)和有人駕駛飛機(jī)存在顯著的性能差異,因此,促使無人機(jī)進(jìn)入國家空域系統(tǒng)首要考慮的是根據(jù)操作特性進(jìn)行隔離。
(6) 考慮使無人機(jī)在受保護(hù)的頻譜范圍內(nèi)活動(dòng),指定衛(wèi)星和陸上頻譜作為無人機(jī)與駕駛員的通信鏈路。
(7) 考慮依賴廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)對高空長航時(shí)(HALE)和中空長航時(shí)(MALE)無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)視。對于超過某一尺寸和重量的無人機(jī),都需要攜帶一個(gè)雙向鏈接的擴(kuò)展斷續(xù)振蕩器(1090ES)和一個(gè)通用接入收發(fā)器(UAT)ADS-B,用于空中交通管制(ATC)的識(shí)別和監(jiān)視。如在978MHz使用UAT 1M/s的帶寬,就應(yīng)該將其作為保護(hù)頻譜,保持其可用性和所需數(shù)據(jù)帶寬。
(8) 研究、設(shè)計(jì)和整合一種應(yīng)用于無人機(jī)的協(xié)調(diào)任務(wù)規(guī)劃,以及與相關(guān)ATC保持一致的監(jiān)視機(jī)制。目的是在鏈路丟失和其他意外情況下,建立詳盡的、低風(fēng)險(xiǎn)的四維航行剖面,避開高密度人群、關(guān)鍵設(shè)施區(qū)域和密集使用的空域。任務(wù)剖面(又名飛行計(jì)劃)應(yīng)該提前24h向FAA雷達(dá)控制設(shè)備提出申請,并從某一位置開始能夠通過快速時(shí)間仿真進(jìn)行檢查。FAA應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?,并發(fā)回給操作人員,以進(jìn)行進(jìn)一步的磋商或者接受。該飛行計(jì)劃應(yīng)該能夠在經(jīng)批準(zhǔn)后15min內(nèi)激活和執(zhí)行。這在本質(zhì)上替代了授權(quán)認(rèn)證(COA),創(chuàng)建一個(gè)24h“申請和放飛”批準(zhǔn)程序。
(9) 研究在監(jiān)管設(shè)施中引入無人機(jī)位置的可行性,監(jiān)管人員可以根據(jù)位置信息實(shí)時(shí)掌握無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài),了解所轄區(qū)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(jī)只進(jìn)行操作限制。這些操作限制應(yīng)遵循無線電遙控模型飛機(jī)咨詢通告AC-91- 57的要求,即保持在122m高度以下,遠(yuǎn)離公共機(jī)場4.8km以外,除非得到了空管授權(quán)批準(zhǔn)。
(2)發(fā)布關(guān)于小型無人機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定意見通知。
(3)研究無人機(jī)的標(biāo)稱動(dòng)能,以確定對人員和財(cái)產(chǎn)的地面威脅,進(jìn)而評(píng)估安全性需求,并制定相應(yīng)規(guī)章。飛行器脆弱性也應(yīng)作為該研究的部分內(nèi)容。
(4)研究并強(qiáng)調(diào)與無人機(jī)有關(guān)的公眾隱私關(guān)切,考慮采用某種政策,或者創(chuàng)建一種建議規(guī)則,使駕駛員和/或飛行器可以進(jìn)行基于web的注冊,從而能夠快速批準(zhǔn)對小型和中型無人機(jī)的操作授權(quán)。這樣不僅能夠跟蹤無人機(jī)、駕駛員和市場動(dòng)態(tài),而且對于已經(jīng)確定違反了當(dāng)?shù)亍⒅莼蛘呗?lián)邦法律,以及非法隱私入侵的無人機(jī),可以撤銷操作許可。
(5)研究和評(píng)估無人機(jī)相關(guān)認(rèn)證(FAA飛機(jī)認(rèn)證服務(wù)(AIR))、標(biāo)準(zhǔn)(FAA飛行標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)(AFS))和操作(FAA空中交通組織(ATO))。
技術(shù)層面
(1)修改有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī)的UAT,以提供雙向的數(shù)據(jù)鏈路,使UAT鏈路能夠輕易地實(shí)現(xiàn)與空中交通管制相關(guān)的潛在通信、指揮和控制功能。
(2)研究語音識(shí)別、編碼和解碼技術(shù),同時(shí)可以將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于任意能夠傳輸數(shù)據(jù)的通信信道上。
(3)為了使駕駛員能夠看到并避開無人機(jī),除了繼續(xù)進(jìn)行感知與規(guī)避的相關(guān)研究工作外,應(yīng)研究和確定特殊的顏色和燈光標(biāo)準(zhǔn),以增強(qiáng)無人機(jī)的可視性。
(4)研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用新的無人機(jī)設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn),對重量大于2kg的無人機(jī)進(jìn)行分類認(rèn)證。將無人機(jī)的安全性提高到一個(gè)FAA和公眾可以接受的標(biāo)準(zhǔn)。
(5)設(shè)計(jì)一套采用網(wǎng)絡(luò)電話(Voice over Internet Protocol,VoIP)的通信基礎(chǔ)設(shè)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(lián)系;建立并維護(hù)好確定的頻譜,包括對飛機(jī)和地面上的無線電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定,確??山邮芡ㄐ诺挠行院托阅?;支持語音和數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)多方的“即時(shí)消息”;確定便攜式和固定通信數(shù)據(jù)鏈路的性能和功能標(biāo)準(zhǔn)。
(6)研究改進(jìn)飛機(jī)的高度測量和飛行控制系統(tǒng),縮小最小垂直間隔(RVSM)空域。
(7)評(píng)估無人機(jī)應(yīng)用帶來的風(fēng)險(xiǎn)??罩泻偷孛媾鲎驳闹饕L(fēng)險(xiǎn)因素是動(dòng)能(速度和質(zhì)量)以及平臺(tái)的脆弱程度。例如,由泡沫和輕質(zhì)木材構(gòu)成的微型飛機(jī),重量不超過2kg,飛行速度低于9m/s,即使發(fā)生碰撞,對平臺(tái)、地面人員或財(cái)產(chǎn)造成的損失也很小。尤其是在122m高度以下進(jìn)行操作的無人機(jī)。
(責(zé)任編輯:黃貞靜)