无人机系统应用和挑战

为了促进无人機系统 （Unmanned Aircraft System，UAS）应用的快速发展，最大化无人机应用带来的经济效益，在当前无人机多样化任务需求的牵引下，迫切需要突破相应的关键技术，并克服监管、政策、技术、社会、环境等方面所面临的挑战。

无人机应用领域的拓展

无人机技术的发展使无人机应用领域的拓展具备了更多可能性，然而真正促进无人机市场发展的则是任务需求。很长一段时间，无人机主要在作战区域或者管制空域执行军事任务，包括情报、监视与侦察（ISR），目标侦测、辨识和毁灭打击，攻击和压制敌方防空系统，电子对抗，通信中继，反舰作战，反潜作战，地雷战，进攻性或防御性对空作战和空中运输等。

近年来，无人机的民用应用领域不断拓展。目前，已经在如下领域得到推广应用：货物运输，地形、管道、公共设施、建筑等的监测，执法和公共安全，海岸线和交通运输的测量，灾难和危险的管理、搜索和救援，环境监测，农林植保，消防，通信中继和远程传感，空中测绘和气象研究等。

无人机市场发展初期集中于制造飞行器平台及其传感器，长远来看更具价值的则是传感器所产生的数据。数据与地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的详细地理信息相结合，能给农业、牧业、林业和水务行业等日常业务包含土地使用的行业带来新的机会，如能促进精准农业的发展。

精准农业具有长期生产、效率最大化、资源利用最优化与可持续性的特点，需要有关土地、农作物、环境变量的空间分布数据。采集和处理这些数据的频率必须保持恰当，使农民有时间对农作物的重大生理发展或变化采取相应的措施（如虫害、疾病、肥料、干旱情况、预计收成等）。此时，就可以引入无人机作为遥感平台，结合GPS和GIS对农作物进行监控和评估；可以使用长航时无人机对农作物成熟度进行近实时监控，利用获取的数据判断收获的最佳时间；通过无人机使用经辐射校准的遥感数据对农作物特性进行评估等。

与之类似，无人机在牧场管理、交通监管、灾害响应等领域都将得到快速发展。

无人机应用的经济效益

无人机用于货物运输、管线巡检等，最显著的优点是替代人力，从而提高作业效率，降低了作业成本。另外，随着控制技术的发展，未来单人可同时操控多架无人机，这将进一步削减人力需求。

因此，从长远来看，无人机应用的经济效益是显而易见的。

随着无人机技术的不断成熟与进步，其制造成本将持续降低，售价也将更加亲民；同时无人机自主性不断提高，用户学习成本下降，操作变得更加简单易学。

无人机系统的技术攻关

无人机任务需求与技术发展相辅相成，技术的发展使任务需求成为现实，同时，任务需求又反过来促进技术的发展。无人机属于高新技术产品，各种新技术的出现与发展促使无人机系统性能产生巨大提升，同时将促进军用和商业无人机市场的发展和增长。

动力、材料技术

目前，国内的低端发动机有赖于进口，随时可能遭受禁运，国产高端发动机性能较低，进口则更加困难。对于发动机技术的研究，需要突破活塞发动机缸内直喷技术，重油发动机技术、增压技术，涡扇发动机大涵道比低油耗技术，低雷诺数下关键部件设计技术等。对于新能源动力，需要持续提高太阳能、燃料电池转换效率。

当前，隐身材料技术制约了隐身无人机的发展；轻质高强度材料技术则制约了机体结构强度提升和重量下降；长久耐高温材料技术制约了发动机和超高声速无人机的发展。因此，需要开展新型隐身材料、轻质高强度复合材料、长久耐高温材料持续研究，并有效地集成通用先进复合材料和金属结构，研究如何预测和预防这些非传统材料和制造方法的故障和缺陷。

信息技术

应满足高空高速长航时无人机、无人战斗机、多用途战术无人机、微型无人机等新型无人机对测控与信息传输的不同需求，解决好一定空域范围内无人机多品种、多架次、多系统测控与信息传输的协同和兼容工作，以及通用化、标准化、模块化、系列化等问题，重点突破高可靠、保密、宽频带、抗干扰的无人机通用数据链技术；通用、互操作的无人机地面控制技术；远程多目标无人机测控与通信网技术；超宽带无人机激光数据链技术。

对于信息处理，由于信息量急剧增加，机上实时信息处理和目标提取技术缺失，多元信息融合处理能力不足，需要突破压缩和机上信息处理技术，建立目标特性库，实现目标自动提取、识别。

针对无人机自主能力弱，而执行任务的环境日趋复杂问题，需要突破机器推理、多传感器数据融合、神经网络等关键技术，实现无人机自主决策。

协同管控技术

随着无人机数量快速增长，用户不断增加，急需突破无人机“可观测、可控制、可规避”技术；由于不同无人机标准体系不统一，互操作与信息共享困难，因此，需要研究构建开放式架构系统，建立服务知识库，研制通用地面站，提升互操作性。

当前，无法实现统一控制无人机编队执行任务，需要研究通过通用地面站，利用协同控制技术，实现无人机之间，甚至无人机与有人机之间的编队协同作战任务。

其他技术

以无人机平台和信息能力相结合为主线，勾画无人机的型谱和发展路线，重视信息技术在无人机系统中的突出作用，并综合集成信息能力。

效费比高、相对成本低廉是无人机重要的特点之一，开展低成本设计技术研究对无人机发展十分重要。需要进行低成本结构设计与制造技术研究；开展集成度高、体积小、重量轻、性能优、成本低的航空电子电气设备技术研究。

进一步加强试驗和训练基地及配套建设，建立专业驾驶员培训考核机构。

无人机应用的其他挑战

军用无人机作为空中目标，具有被摧毁的预期，因此其设计并不十分强调寿命和鲁棒性。然而，民用无人机则完全不同，利用无人机执行公共、私人和商业任务的同时，必须考虑其他的空中交通，需要重视其他空中交通操作的相关需求和民众关切。对无人机驾驶员进行严格要求才能为其他飞机以及地面人员和财产提供安全环境，这就意味着必须面对一系列复杂的潜在限制，这些限制同时也将制约民用无人机的发展。

总而言之，当前无人机民用市场增长的挑战主要包括：监管、政策和技术问题，社会问题（如隐私和扰民问题），环境问题（如噪声和排放）。需要理解和重视这些担忧，才有可能推动无人机的应用发展。

监管政策和技术

无人机的有效监管需要政策和技术两方面的支撑。无人机的监管政策面临严峻的现实挑战：政策放松，安全隐患就会增加；政策收紧，产业发展可能会受限。在技术层面，除了提升空域管理技术之外，还需要得无人机具备感知与规避能力，监管机构具备无人机的反制能力。

在美国，为了将无人机的安全隐患控制在最小程度，制定了严格的监管政策。此前，美国联邦航空局（FAA）规定25kg以内民用无人机必须向政府注册，驾驶员也需要获得执照；消费娱乐用途的无人机飞行时必须避开人群和工业、商业设施，商用无人机在人群上空飞行时也需要有安全保障；无人机未经申请前只能在白天使用，高度限制在约120m以下，且全程都要在驾驶员视线范围之内飞行等。

这些政策的草案从公布开始就受到一些批评，主要认为政策过于严格，大大限制了无人机的使用场景。因此，监管政策也在不断的调整中，FAA于2017年7月7日颁布新政，规定娱乐型无人机无需再注册。

社会问题

即使克服了监管政策和技术难题，广泛使用无人机还会给公众带来隐私问题。随着智能移动终端和成像技术的进步，无人机不仅能够实现更高效、更安全的航拍航摄，无人机技术门栏和成本也不断降低，公众获得无人机变得越来越容易。观察市场上现有的民用无人机，主流机型的用途基本都是摄像、摄影。在无人机应用过程中，如房产调查、地图绘制，都有可能涉及个人私密或财产隐私。如何解决无人机涉及的隐私问题是需要考虑的一个重要问题。

环境问题

无人机在执行任务时，其噪声和排放总是难免给周围环境带来一定影响。以民用货物运输为例，无人机在接近地面进行货物投放时，会给附近的人带来噪声污染。此外，发动机排放的烟气也会对环境造成影响，这些问题都需要得到重视和解决。

有效应对挑战的建议

预计将来在军事和非军事领域，无人机的运用将会超过有人驾驶飞机。为实现这一超越，除了证明无人机相比当前的有人驾驶飞机更具成本效益，并且能够更高效地完成复杂任务外，还必须要证明无人机的使用安全性。目前，支持这一转变所需的技术正在迅速发展，成本在降低，应用在增长，此时面临的最大挑战则是监管、政策和技术问题。为了应对上述挑战，以在美国促进无人机在国家空域系统（NAS）中操作为例，分析可以借鉴和参考的措施。

监管层面

（1） 在5500m以上的高度空间里，研究减少有人和无人驾驶飞机的垂直隔离到152m，尤其是要考虑到速度的差别。

（2） 建立地基感知与规避（GBSAA）标准与程序。这需要使用能够探测到非合作飞机目标的三维雷达，并通过该雷达在航空频率上提供无人机活动的紧急多路广播，同时为无人机驾驶员提供所需的碰撞规避机动，或者直接将自动控制指令发给无人机。

（3） 增加和终端雷达进近控制设备（TRACONs）的工作人员，处理无人机任务规划和审批，以及复杂的协调与通信任务，以更好地管理无人机驾驶员的工作量和复杂度。

（4） 评估航空气象要求是否适用于多种不同类型的无人机。当前的航空气象要求是基于飞行员的能力来确定飞行所需天气条件。因此，应当研究确定遥控驾驶、半自主、全自主无人机相关操作模式是否与当前有关天气的程序、规则和要求相适应。

（5） 针对航空管制设备，研究无人机驾驶员和空中交通控制人员之间的通信、指挥和控制的概念、功能和系统。无人机和有人驾驶飞机存在显著的性能差异，因此，促使无人机进入国家空域系统首要考虑的是根据操作特性进行隔离。

（6） 考虑使无人机在受保护的频谱范围内活动，指定卫星和陆上频谱作为无人机与驾驶员的通信链路。

（7） 考虑依赖广播式自动相关监视（ADS-B）对高空长航时（HALE）和中空长航时（MALE）无人机进行监视。对于超过某一尺寸和重量的无人机，都需要携带一个双向链接的扩展断续振荡器（1090ES）和一个通用接入收发器（UAT）ADS-B，用于空中交通管制（ATC）的识别和监视。如在978MHz使用UAT 1M/s的带宽，就应该将其作为保护频谱，保持其可用性和所需数据带宽。

（8） 研究、设计和整合一种应用于无人机的协调任务规划，以及与相关ATC保持一致的监视机制。目的是在链路丢失和其他意外情况下，建立详尽的、低风险的四维航行剖面，避开高密度人群、关键设施区域和密集使用的空域。任务剖面（又名飞行计划）应该提前24h向FAA雷达控制设备提出申请，并从某一位置开始能够通过快速时间仿真进行检查。FAA应该进行适当的修改，并发回给操作人员，以进行进一步的磋商或者接受。该飞行计划应该能够在经批准后15min内激活和执行。这在本质上替代了授权认证（COA），创建一个24h“申请和放飞”批准程序。

（9） 研究在监管设施中引入无人机位置的可行性，监管人员可以根据位置信息实时掌握无人机飞行动态，了解所辖区域空中交通状况。

政策层面

（1）考虑和采取适度的直接排除否定，例如，对于小于2kg的微小型无人机只进行操作限制。这些操作限制应遵循无线电遥控模型飞机咨询通告AC-91- 57的要求，即保持在122m高度以下，远离公共机场4.8km以外，除非得到了空管授权批准。

（2）发布关于小型无人机系统的标准制定意见通知。

（3）研究无人机的标称动能，以确定对人员和财产的地面威胁，进而评估安全性需求，并制定相应规章。飞行器脆弱性也应作为该研究的部分内容。

（4）研究并强调与无人机有关的公众隐私关切，考虑采用某种政策，或者创建一种建议规则，使驾驶员和/或飞行器可以进行基于web的注册，从而能够快速批准对小型和中型无人机的操作授权。这样不仅能够跟踪无人机、驾驶员和市场动态，而且对于已经确定违反了当地、州或者联邦法律，以及非法隐私入侵的无人机，可以撤销操作许可。

（5）研究和评估无人机相关认证（FAA飞机认证服务（AIR））、标准（FAA飞行标准服务（AFS））和操作（FAA空中交通組织（ATO））。

技术层面

（1）修改有人驾驶飞机和无人机的UAT，以提供双向的数据链路，使UAT链路能够轻易地实现与空中交通管制相关的潜在通信、指挥和控制功能。

（2）研究语音识别、编码和解码技术，同时可以将这项技术应用于任意能够传输数据的通信信道上。

（3）为了使驾驶员能够看到并避开无人机，除了继续进行感知与规避的相关研究工作外，应研究和确定特殊的颜色和灯光标准，以增强无人机的可视性。

（4）研究、设计和应用新的无人机设计和制造标准，对重量大于2kg的无人机进行分类认证。将无人机的安全性提高到一个FAA和公众可以接受的标准。

（5）设计一套采用网络电话（Voice over Internet Protocol，VoIP）的通信基础设施，用于提供地面到地面的通信链路，建立起空中交通控制人员与驾驶员的联系；建立并维护好确定的频谱，包括对飞机和地面上的无线电设备的标准进行规定，确保可接受通信的有效性和性能；支持语音和数据，从而实现多方的“即时消息”；确定便携式和固定通信数据链路的性能和功能标准。

（6）研究改进飞机的高度测量和飞行控制系统，缩小最小垂直间隔（RVSM）空域。

（7）评估无人机应用带来的风险。空中和地面碰撞的主要风险因素是动能（速度和质量）以及平台的脆弱程度。例如，由泡沫和轻质木材构成的微型飞机，重量不超过2kg，飞行速度低于9m/s，即使发生碰撞，对平台、地面人员或财产造成的损失也很小。尤其是在122m高度以下进行操作的无人机。

（责任编辑：黄贞静）

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