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民用无人机监管规则和安保技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-02  来源:国际航空微信公号  
  美国联邦航空局(FAA)于2016年8月29日宣布,首个小型民用无人机操作规则(即FAR-107部)正式生效。此举估计在未来10年可为美国带来超过820亿美元的国内生产总值(GDP),并创造超过10万个就业机会。

美国民用无人机监管体系现状

当前,FAA仅发布了针对小型民用无人机的监管规则,针对大中型民用无人机的监管规则尚未明确。FAA针对小型民用无人机的监管体系分为按重量对无人机分级、强制注册、出台分类监管文件和拓展小型无人机可用空域等4个部分。此外,FAA将小型无人机分为商用和个人用(含模型飞机)两大类,两类小型无人机的注册与使用限制存在明显不同。

按照重量分级

FAA最初将民用无人机分为在低空运行的小型无人机(重量低于25kg)和可在繁忙管制空域运行的大型无人机。2016年2月24日,FAA组建了针对微型无人机(重量小于2kg)的航空规则制定委员会(ARC),开发相应的监管规则提案。由此推断,美国民用无人机分为3个等级:大型无人机、小型无人机和微型无人机。

强制注册

2015年12月14日,FAA面向小型无人机所有者推出基于网页的飞机注册流程,包括有效载荷在内的重量大于250g和小于25kg的小型无人机均适用于该流程。FAA规定大型无人机(重量超过25kg),必须使用传统飞机注册流程注册。此外,该系统推出时只支持个人使用目的的小型无人机的注册,商用小型无人机只能按照传统飞机注册流程注册。

小型无人机个人使用者可选择基于纸张的传统流程或在线注册系统。使用在线注册系统的小型无人机的所有者须年满13岁,提供自己的姓名、家庭地址和电子邮件地址。完成注册后,在线注册系统会产生关于所有权的小型无人机注册/证明证书,证书信息包括向小型无人机所有者提供的唯一识别号,该识别号必须标注在无人机机身上。个人用小型无人机所有者只需注册一次,并可将该识别号用于其拥有的所有小型无人机。注册有效期为3年,注册费5美元。 

自2016年3月31日起,在线注册系统对所有用途的(含公共用途和商用)小型无人机拥有者开放,此类小型无人机注册费也是5美元,有效期同为3年。但此类小型无人机注册与个人用小型无人机注册有本质不同。个人用小型无人机是对所有者进行注册,注册号可用于此人拥有的所有小型无人机。换言之,FAA并不关心此人拥有多少架小型无人机,只关心一旦小型无人机发生事故,责任人是谁。但商用小型无人机注册每份证书只对应一架飞机,也就是对飞机注册,FAA关注的是飞机。因而此类注册还须包括小型无人机制造商、型号及序列号等信息。

分类监管文件正式出台

在正式监管规则建立前,FAA针对公共用途(学术机构,政府部门)及民用无人机空域管理采取了逐项审批的方式,具体分为面向公共机构的豁免或授权证书(COA)、面向民间机构(含商业机构)的试验类别下特殊适航证(试验适航证),以及面向商业机构的第333条豁免。上述3种授权成为FAA正式无人机监管规则出台前的过渡性措施。

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eBumper4系统原理示意图。

2015年9月2日,FAA发布新版模型飞机操作指南,取代了1981年发布的指南,要点包括:此类飞机仅限于爱好或娱乐用途;此类飞机的使用须符合以社区为基础的安全指引设置;除获得相关认证外,此类飞机重量上限为25kg;此类飞机的操作不得干扰任何载人飞机;模型飞机飞进机场周边8km范围内须提前告知机场运营商或机场空中交通管制塔;模型飞机在机场周边8km范围内的固定地点飞行需获得机场运营商以及机场空中交通管制塔双方的同意;模型飞机驾驶员需遵守所有临时飞行限制(TFR)。

相对于模型飞机的原则性指南,于2016年8月29日生效的FAR-107部条款的逻辑更加严密,条件的界定更加清晰。其要点包括使用限制、驾驶员的认证和职责、对小型无人机的要求、模型飞机的法规适用性等4个方面。FAA表示下一步将致力于解决在未获豁免情况下107部未涵盖的使用问题,包括飞越人群上方空域、飞出视线范围的操作、扩展性操作、在城市地区飞行以及夜间飞行等。

无人机空域管理技术进展

无人机大规模应用所面临的一大问题是小型无人机的空域可用性,另一大问题是对障碍物的感知和规避(SAA)以及空中防撞。应对这一问题应从监管当局开发适用于无人机的空域管理技术以及提升无人机自身态势感知与规避能力等两方面努力。当前距离发布相应技术标准并建立无人机空域管理体系还需要相当长的时间。

小型无人机空域可用性

FAA对小型无人机可用空域的使用限制可归纳为飞行范围限定在驾驶员视线范围内、保持与人群的安全距离、保持与载人飞机和机场的安全距离、飞行高度限制等4个方面,其中前两点尤为重要。

2015年5月6日,FAA宣布与业界开展合作,探索扩大小型无人机可用空域。合作项目分别是:与美国有线电视新闻网(CNN)合作,探索小型无人机如何在居民区安全地采集新闻;与精密鹰(PrecisionHawk)公司合作,探索小型无人机在农作物保护中如何发挥更大作用;与BNSF铁路公司合作,探索使用小型无人机在铁路系统基础设施检查面临的指挥与控制挑战。后两个项目均针对超越驾驶员视线范围这一限制因素。

目前虽然尚未见到微型无人机监管框架面向公众的征求意见稿,但首个可在人类上空飞行的商用微型无人机项目已获FAA批准。2016年8月30日,CNN宣布成为首家获得FAA授予豁免可在美国境内人群上空飞行无人机的机构。CNN采用的是一款名为Fotokite Pro的系留无人机,重量低于1kg。

无人机空域管理技术进展

美国无人机空域管理技术由美国航空航天局(NASA)主导开发,同时针对高空空域和低空空域展开。

在高空空域方面,NASA启动了“无人机系统融入国家空域系统”(UAS-NAS)项目。由NASA、FAA、通用原子公司和霍尼韦尔公司合作,利用Ikhana研究飞机(“捕食者”B的民用型)对SAA系统概念进行验证。该项目包括开展无人机避撞系统在没有人为干预情况下的空中碰撞试验,目标是建立该领域的技术标准。

在低空空域方面,NASA和FAA打算推出针对低空空域的无人机空域管理(UTM)系统。NASA于2014年与美国最大的无线电信公司Verizon签署协议,共同探索能否利用手机信号塔支持低空无人机的通信并实现监控功能。该协议由NASA艾姆斯研究中心执行。Verizon公司计划从2017年开始用移动电话网络实现无人机数据、导航、监视和跟踪功能,并希望于2019年完成该技术的开发。

欧洲将无人机系统称作“遥控飞机系统”(RPAS)。欧洲RPAS融入空域的研究项目由欧洲防务局(EDA)主导,开展了空中防撞系统(MIDCAS)、使RPAS融入欧洲空域(DeSIRE)和提升RPAS自动化水平(ERA)等3个项目。

MIDCAS项目于2009年启动,有11家公司参与。2015年4月,MIDCAS联合体完成了该项目的飞行测试与仿真研究。飞行测试覆盖了多种场景和传感器组合,包括与一架载人飞机进行碰撞-规避试验,从而使得RPAS融入民用空域向前推进了一大步。该平台搭载的传感器包括:合作敌我识别(IFF)及广播式自动相关监视(ADS-B)设备,非合作电光、红外和雷达传感器等。D&A系统测试使用了数据融合技术,测试了多种检测技术的不同组合。MIDCAS项目完成的几种仿真测试证明MIDCAS的功能设计可以符合载人航空的安全水平。

DeSIRE项目由欧洲航天局(ESA)和EDA联合投资,研究可用于RPAS的卫星指挥和控制数据链。DeSIRE项目第一阶段(2012—2013年)由西班牙Indra公司领导,对 “苍鹭”平台(RPAS)安全融入非隔离空域满足海上监视服务需求进行了验证。DeSIRE II项目于2015年4月启动,由Telespazio公司领导,用一架比亚乔公司P.1HH“锤头”作为飞行试验平台,旨在开发允许在民用空域安全运营的功能,以支持诸如环境监测、海上监视或危机管理等任务,该项目还将研究在不同频段下卫星通信指挥和控制数据链特性。

增强RPAS自动化(ERA)项目合同于2015年12月签署,为期42个月,预算为3100万欧元。该项目旨在支持民用及军用RPAS在欧洲非隔离空域的广泛使用,特别是RPAS融入机场运行的问题。该项目将发展技术和程序解决方案,进行仿真和飞行试验验证,并与欧洲民用航空设备组织(EUROCAE)合作编制标准草案,该项目由9个机构负责执行。

无人机机载感知与规避设备

无人机态势感知与规避技术有两个技术路线:基于空域管理/通信系统实现无人机对环境的感知以及基于无人机自身配备的传感器探测障碍物并实现规避。由于针对民用大中型无人机的监管规则尚未明确,加之市场容量有限,当前民用大中型无人机通常都是军用型的改型,有大量为军用无人机或载人飞机开发的传感器或航电设备可供选择,因而无人机机载感知与规避设备的开发主要针对小型无人机市场。

Panoptes Systems公司eBumper4系统是小型无人机利用自身搭载的传感器实现感知与规避功能的典型产品。eBumper4是第一款市售的、基于声学传感器技术的小型无人机障碍物规避系统。eBumper4系统配有4部声呐传感器,向小型无人机提供前方、左侧、右侧和上方的物理环境数据;该系统发现障碍物后,将使小型无人机与障碍物保持安全距离,随后驾驶员可引导小型无人机安全飞离障碍物。eBumper4系统的最大允许运行速度约为2.5m/s,高于大多数工业监测和摄影用途小型无人机的操作条件。

无人机探测与反无人机系统

民用无人机大规模扩散引发的另一个问题是机场、军事基地、电站、大型体育场馆等重要设施如何实现对无人机的探测以及建立反无人机系统,现有的军用防空系统硬杀伤模式并不适用于上述地点,因而需专门研制针对民用无人机的探测与反无人机系统。目前此类产品有的仅具备无人机探测功能,有的则是具备完整功能的反无人机系统。

2015年5月,FAA启动“无人机探路者”项目,与工业界合作探索无人机使用的后续步骤,该领域FAA的主要政府合作部门是国土安全部。参与“探路者”项目的公司包括美国CACI国际公司、Gryphon传感器公司、Liteye系统公司和Sensofusion公司以及一个英国多家公司组成的团队。FAA已对CACI国际公司、Liteye系统公司和英国团队的解决方案进行了测试。

欧洲及以色列公司也看到了这一需求,包括以色列拉斐尔公司、意大利莱昂纳多-芬梅卡尼卡集团的英国子公司Selex ES、空客公司等,不过他们的解决方案均为具备攻击功能的反无人机系统,包括雷达、光电以及电子传感器,对无人机的攻击方式包括干扰GPS信号或无线电信号等,通过干扰/抑制无人机的控制信号使其在安全地区着陆或将其击落。其中由英国Blighter监视系统公司、Chess动力公司和Enterprise控制系统公司团队开发的AUDS据称是全球第一款具备完整探测、跟踪、干扰功能的反无人机系统,具备快速部署能力,每套商用货架产品(COTS)价格低于80万英镑。

民用无人机由于其廉价且销售不受控制等特性,被用于战场监视或武器化的趋势已日益明显。美国军方(特别是陆军)也在寻求新的方法和技术以应对这一不对称威胁。但军用反无人机系统与安防工业反无人机系统的需求存在一些不同。当前诺斯罗普·格鲁门公司和洛克希德·马丁公司已注意到这一需求并展示了各自的早期解决方案。 

 


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