CICC科普欄目｜無人機空管，向超視距運行邁進

無人機空管改革仍然會遵循「先爬、後走、最後跑」模式。不過，比起有人航空器管制體系和空管體系耗時數十年的改革，無人機空管改革的步伐要快得多。

龐大需求推動立法

當前各方對於商用小型無人機市場需求的預測差別很大。其中，美國市場的需求預測數據大體上獲得各方的認可——每年會有50萬架以上。

根據美國聯邦航空局（FAA）的預測數據，到2017年美國商用小型無人機的保有量高達190萬架。為跟上無人機飛速發展的步伐，FAA著手制定了兩部新的法規。

第一部法規FAR 107已於2016年8月頒布實施。按照FAR 107的規定，已取得證照並註冊了無人機（重量在25kg以下）的運營人(本文中「運營人」一詞既可能指商用無人機駕駛員，也可能指其所屬的公司)，可以在非管制空域內進行日間視距內的商業取酬飛行，同時必須滿足其他多項限制條件。

第二部法規預計將於2017年8月定稿，它將允許駕駛員使用多架小型無人機進行超視距（BVLOS）飛行，這將會對業界帶來更大的影響。FAA認為，一旦法規放鬆了對超視距運行和單人操縱多架無人機的限制，商用無人機的總體需求將快速增長，而且很可能超過先前的預測。

NASA引領技術體系頂層設計

無人機的超視距運行要想安全融入現有的空域體系，必須考慮空管、監視導航、探測防撞、頻譜管理等關鍵問題。美國航空航天局(NASA)提出了一種無人空管體系框架，並與FAA和工業界一起創建運行模型，這些技術將於2020年逐步向FAA移交。

無人機空管（UTM）的原型架構是一個概念界面，NASA稱之為飛行信息管理系統（FIMS），它可以接入現有的各種空管自動化系統中。

NASA和工業界成功進行了FIMS的功能模擬測試。這些功能將催生一些新的第三方公司，作為無人機商業運營者和FAA、空中航行服務提供方（ANSP)、軍方、警察之間的中介組織，它們被稱作無人機系統服務商（USS）。其中一項功能是允許多個USS向FAA提供有關無人機運行的關鍵信息；也可以要求USS從FAA或ANSP接收相關信息。

通過FIMS從USS傳遞到ATC的信息流，包括飛行器細節信息、運行的日期和時間、地理區域、最大高度、飛行目的、實時通告等。通過FIMS從ATC傳回到USS的信息流包括飛行計劃是否被空管部門接受及其授權狀態在飛行前和飛行中的變化情況。

除了與FIMS的交換數據，USS也將為運營人管理空中交通事務、接收請求（或飛行計劃）、在起飛前解決運營人之間的衝突問題，以及為運營人提供地形、氣象、監視和性能信息。

典型解決方案

ANRA技術公司最近推出了一個無人機運行系統與服務平台（OSS），它可以承擔USS的角色。當然，前提是FAA決定採用上述架構。OSS可以為商業無人機提供一個全自動的運行管理系統。以移動通信塔架巡檢任務為例，OSS可以處理飛行計劃相關工作，可以在巡檢飛行作業期間掌握無人機的指揮和控制，視頻和感測器信息的分析報告將在短時間內發給運營人。

對於高度150m以下非管制空域內的飛行，FAA的初步態度是管制員只考慮無人機的運行異常（通過FIMS），比如，出現偏離航線的情況。一旦管制員出於安全考慮，需要一架無人機落地或重新安排飛行區域時，空管部門應當通過FIMS與USS進行聯繫。對於在管制空域內的UAS飛行，FIMS將成為關鍵性的通信埠，確保FAA或ANSP能將有人和無人航空器安全地融入統一的空域體系中運行。

泰雷茲作為空管自動化系統的主要廠商，在有人和無人駕駛航空器混合空管系統研究方面處於「願景階段」。泰雷茲方案的重點是解決商用快遞無人機和優步等公司提出的自主駕駛個人航空器的運行問題。泰雷茲公司空管業務預研負責人馬克·帕爾默表示，「我們已經開發了一些系統架構和原型，並努力讓我們的『願景』被廣泛分享和認可」。他表示，這種「願景」的各種方案有很多支持者，它們之間的差異可能會很大，比如，有的方案沒有包含無人機自主管理和飛行(UTM)機制，有的概念則傾向於由ANSP控制所有無人機，無論其在哪個區域飛行。

泰雷茲更傾向於中間方案，即包含一個基於飛行計劃的運行場景，其中一部分空域轉交給UTM系統，用於無人機運行；而一些低空空域可以無須監管，並用於娛樂飛行（航模）。泰雷茲的方案會考慮其他無人機的實時活動狀態，並通過大數據輸入把影響無人機性能的細微氣象條件考慮在內，進而做出批准或者調整飛行計劃的決定。有時會出現一些計劃外情況，比如，無人機與有人機的飛行計劃存在衝突，這就需要系統具備一定靈活性。帕爾默說：「如果你駕駛著一架直升機，因某種原因必須下降高度，穿過UTM管理的空域，系統就不得不做出變更，允許直升機通過。」

對於效率，泰雷茲傾向於把ATM和UTM結合起來。帕爾默說：「我們的目標是讓UTM和ATM部署在同一個雲平台和數據共享系統中。」2016年3月，泰雷茲發布了最新的基於雲的ECOsystem決策支撐平台。泰雷茲的TopSky空管自動化平台目前在美國140個空管中心獲得應用，用於塔台、進近、航路和洋區管制中心。

這就是說，相應的流量管理系統也必須是高度自動化的，無人機會由運控中心控制。如有必要，運控中心將通過ATM/UTM混合系統，對單架無人機發布指令。帕爾默說：「我們討論的問題是，未來的空管系統將自動控制10000架無人機，管制員或監管人員只是監視異常情況。如果我們仍然像對待有人駕駛飛機一樣，每一個管制員管理20～50架無人機，這一系統的效率就太低了。如果飛行計劃有問題，你必須去修改或中止它，指揮命令必須直接下達給飛行運營人。」

除了通過預研進行創新，泰雷茲公司還從實踐中獲得經驗。南非空管局（ATNS）已經進行了幾年的融合空域試驗，即在泰雷茲提供的「中央空域管理單元」（CAMU）進行人工輸入，以實現對無人機的管制。CAMU是集成到Eurocat X空管系統中的模塊，在空域中有無人機飛行的情況下，CAMU可以擔當前述FIMS的角色。

運營人如果在管制空域內使用無人機，需要按照規定的程序向CAMU發起靈活使用空域（FUA）的請求。根據起飛時刻和任務進度，CAMU軟體將預測空中交通流量並向進離港管理軟體共享信息。

處理過程中將考慮潛在安全問題和特殊限制，例如，是否有合理的通信中斷異常處理程序。如果申請在低流量密度空域飛行，運營人的要求「很容易滿足」，會被分配一個「特定大小和高度的盒子（即空域）」。如果向在高流量密度的空域飛行，除了前述要求，還會要求運營人提供通信和航空器監視信息。

目前，ATNS每周都會收到一到兩次無人機飛行申請，通常是測試和展示飛行，因此當前的無人機運行管理機制基本滿足要求。不過，ATNS空管服務負責人坦承，這個系統並不足以應對高密度運行。

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