美國推動小型無人機納入空管系統(tǒng)計劃

李韻

考慮到飛行安全性，無人機在飛行前必須申請空域并獲得批準。而獲得空域的審批流程冗長而繁瑣，這大大限制了無人機的推廣和應(yīng)用。美國積極推動空域改革，精簡流程，積極推動小型無人機納入空管系統(tǒng)。

由美國運輸部長趙小蘭牽頭的一項將小型商用無人機納入空域管理系統(tǒng)的計劃，已取得顯著成果。

2018年5月，自從趙小蘭提名了10個由無人機業(yè)界、政府機構(gòu)和大學合作組建的聯(lián)合工作組參與到無人機系統(tǒng)集成試點計劃（UAS IPP）中以來，至少有三個聯(lián)合工作組已宣布取得重大進展。特朗普政府提倡該項舉措的目的是在州和地方層面上、加速將無人機納入空域管理和推動其商業(yè)化，推動美國聯(lián)邦航空局（FAA）加快其進展緩慢的監(jiān)管程序。

3月26日，UPS和無人機運輸系統(tǒng)開發(fā)商Matternet公司推出了一項新服務(wù)，使用其M2四旋翼無人機將大約5lb的血液和其它醫(yī)療樣品，從位于北卡羅來納州羅利市的韋克郡醫(yī)療健康醫(yī)院（WakeMed）運送到附近的的醫(yī)療辦公園區(qū)。包括UPS公司、Matternet公司、韋克郡醫(yī)療健康醫(yī)院、美國聯(lián)邦航空局和北卡羅來納州交通部在內(nèi)的無人機系統(tǒng)集成試點計劃參與方表示，首次無人機營運飛行標志著“大量日常飛行的開始”。

今年3月8日，無人機運輸系統(tǒng)開發(fā)商Flirtey公司表示，該公司已獲得美國聯(lián)邦航空局的批準進行無人機超視距飛行（BVLOS），此種飛行活動必須獲得美國聯(lián)邦航空局特許才能進行。通過與內(nèi)華達州里諾市合作的的這一無人機系統(tǒng)集成試點計劃，F(xiàn)lirtey公司計劃使用多旋翼無人機為突發(fā)心臟驟停的患者空運自動體外除顫器以及其它包裹。

今年1月，美國保險企業(yè)State Farm表示，該公司已獲得美國聯(lián)邦航空局的長期特許，在自然災(zāi)害發(fā)生后在全國范圍內(nèi)進行無人機超視距飛行和在人群上空的飛行以進行災(zāi)害損失評估。后者也是被美國聯(lián)邦航空局限制的飛行類型。

通過由弗吉尼亞創(chuàng)新與企業(yè)投資局和技術(shù)創(chuàng)新中心（CIT）牽頭的一個無人機系統(tǒng)集成試點計劃合作項目，State Farm公司達成了這一里程碑，CIT中心是一家支持技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司、推動經(jīng)濟發(fā)展的非盈利企業(yè)。但在獲得美國聯(lián)邦航空局的該項特許之前，State Farm公司已經(jīng)與弗吉尼亞理工大學的美大西洋航空合作組織（MAAP）合作了將近兩年。

美大西洋航空合作組織為CIT在弗吉尼亞理工大學管理無人機系統(tǒng)集成試點計劃項目的日常運作。該試點基地從2013年12月開始運作，當時美國聯(lián)邦航空局選擇了6個頂尖機構(gòu)來管理全國范圍內(nèi)的無人機測試基地。（位于拉斯克魯塞斯的新墨西哥州立大學從2008年開始就已開始運行著一個美國聯(lián)邦航空局批準的無人機測試基地）另外兩個同樣獲得美國聯(lián)邦航空局批準的測試基地也參與了無人機系統(tǒng)集成試點計劃，這兩個基地分別由阿拉斯加州費爾班克斯大學和北達科他州商務(wù)部領(lǐng)導。

這些測試基地和其它無人機系統(tǒng)集成試點計劃都沒有獲得任何聯(lián)邦資金，盡管國會最近撥款600萬美元用于支持各公司在測試基地的研究，但不會直接向這些設(shè)施提供資金，美大西洋航空合作組織主任馬克·布蘭克斯表示。

測試基地計劃由國會在2012年美國聯(lián)邦航空局現(xiàn)代化與改革法案中擬定，最初計劃于2017年到期，后來延長了兩年。去年10月，唐納德·特朗普總統(tǒng)簽署成為法律的美國聯(lián)邦航空局再授權(quán)法將該計劃的結(jié)束時間延長至2023年9月。計劃要求無人機系統(tǒng)集成試點計劃工作于2020年10月完成。

美大西洋航空合作組織總部位于布萊克斯堡的弗吉尼亞理工大學，該機構(gòu)正在參與無人機系統(tǒng)集成試點計劃下的三個項目：與State Farm公司就無人機災(zāi)害損失評估進行合作；與谷歌母公司Alphabet旗下的Wing公司進行商業(yè)包裹投遞方面的合作；與總部位于弗吉尼亞州里奇蒙德的Dominion能源公司合作的“線性基礎(chǔ)設(shè)施檢查”項目，將無人機用于輸電線路和電塔巡檢。

作為美國聯(lián)邦航空局測試基地與這些公司合作取得的進展，為美大西洋航空合作組織承擔的無人機系統(tǒng)集成試點計劃工作打下了基礎(chǔ)。馬克·布蘭克斯表示，例如State Farm公司，美大西洋航空合作組織為該公司準備的安全案例幫他們在2018年獲得了短期進行超視距飛行和在人群上空飛行的特別許可，在南北卡羅萊納州遭“佛羅倫薩颶風”和邁阿密遭“邁克”颶風襲擊后，使用該公司研發(fā)的全重僅1.52lb的“SenseFly eBee Classic ”無人機進行災(zāi)害評估。美國聯(lián)邦航空局于1月份批準了提交的文件，并在1天內(nèi)向該公司簽發(fā)了長期的全國范圍特別許可。

作為在無人機系統(tǒng)集成試點計劃下的部分測試，2016年9月，Wing公司和美大西洋航空合作組織使用無人駕駛載具沿弗吉尼亞理工大學交通研究院的智能公路（運輸研究設(shè)施）運送了墨西哥卷餅。于2018年8月向附近的校屬肯特蘭農(nóng)場的測試場運送了冰棒和冰淇淋。試點客戶中有馬克·布蘭克斯的3個孩子。他們每天都挺期待的，每天下午一架無人機將出現(xiàn)并送來冰棍和冰淇淋。

圖3是一架早期版本的“蜂鳥”7000混合動力無人機的懸停在美大西洋航空合作組織的辦公室上方。該機重15lb，兩側(cè)的小機身上裝有12個升力螺旋槳用于垂直飛行，翼展5ft的機翼前緣裝有兩個推力螺旋槳為水平飛行提供推力。圖中該機正懸停在地面上方7m處，通過系繩將小包裹降落到地面然后釋放。

圖1 經(jīng)中大西洋航空合作組織測試之后，State Farm公司在1月宣布獲得了FAA 的一項長期特許以運行其開發(fā)的“SenseFly eBee Classic”無人機，該機配備了全彩攝像頭和調(diào)制解調(diào)器，將用于災(zāi)害損失評估。

圖2 Wing公司的的“蜂鳥”7000混合動力無人機設(shè)計用于遞送小包裹，這些小包裹將在紙箱容器中攜帶，通過系繩降落到地面，然后鎖定釋放機構(gòu)松開系繩。

圖3 Wing公司和弗吉尼亞理工大學的中大西洋航空合作組織合作，于2018年8月向附近的校屬肯特蘭農(nóng)場的測試場運送了冰棒和冰淇淋。

馬克·布蘭克斯表示，我們測試基地率先參與了無人機系統(tǒng)集成試點計劃，因為我們在該計劃下做的所有項目其實都是我們作為一個測試基地已經(jīng)在做的。但無人機系統(tǒng)集成試點計劃在美國聯(lián)邦航空局方面是優(yōu)先事項，所以這些事情能加速進行。無人機系統(tǒng)集成試點計劃使之達到了一個全新的水平。

馬克·布蘭克斯此前曾擔任堪薩斯州立大學應(yīng)用航空研究中心的無人機計劃項目經(jīng)理，后于2015年8月被任命為美大西洋航空合作組織弗吉尼亞分部副主任。2016年7月，當美大西洋航空合作組織成為一個弗吉尼亞州實體時，馬克·布蘭克斯成了該組織主管。

早期領(lǐng)導美大西洋航空合作組織的是德事隆集團旗下AAI公司的前高管羅斯·慕尼，當時這一獲得州政府支持的測試基地還處于使命不明確的糾結(jié)期。馬克·布蘭克斯回憶道：“在我上任伊始，在一次公開論壇的專題演講上，我要求所有測試基地主管給我30min時間，我重點講了他們的價值主張的問題，第1個測試基地主管說，‘我也不確定是什么，我們還沒想明白。’那是我在這里工作第一周的時候的事。”

在長達10年的準備之后，管轄起飛重量55lb以內(nèi)的商用小型無人機的美國聯(lián)邦航空局第107部分規(guī)定最終于2016年8月下旬生效。這也對測試基地起到了幫助。馬克·布蘭克斯表示，“我們的價值主張是基于需求 - 人們希望用無人機做一切可以做到的事。”他說。“第107部分規(guī)定發(fā)布后，加速了行業(yè)的發(fā)展，對我們而言也是一個重大利好。此后，我們的努力將聚焦在更困難的問題上：飛得更高、超視距飛行、在人群上空飛行、多機同時飛行 - 這些是現(xiàn)在大家想做的事。”

測試基地主管每月都會舉行電話會議，參與者包括美國聯(lián)邦航空局項目主管約翰·萊因哈特。各測試基地目前有美國聯(lián)邦航空局簽發(fā)的標準授權(quán)認證（COA），允許他們在G類非管控空域的1200ft高度以內(nèi)使用小型無人機進行飛行。機場進行的特定活動則需要單獨的授權(quán)認證。

美大西洋航空合作組織的授權(quán)認證的覆蓋范圍包括弗吉尼亞州中部、包括幾個機場的7000ft以下空域。該許可允許美大西洋航空合作組織對較大的無人機進行測試，如德事隆系統(tǒng)集團研發(fā)的“航空器節(jié)點”（Aerosonde Mk）無人機，該機起飛重量75lb，彈射起飛。美大西洋航空合作組織已在Blackstone陸軍機場對該機進行試飛。

美大西洋航空合作組織總部位于弗吉尼亞理工大學的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用科學院內(nèi)，過去幾年里美大西洋航空合作組織一直在自持運行。馬克·布蘭克斯表示，他拒絕透露該組織的預(yù)算情況。在今年3月，該組織有12名全職雇員，計劃還要再增加8名。

NASA是美大西洋航空合作組織的主要資助者之一，美大西洋航空合作組織正在與Gryphon傳感器公司等合作伙伴一起，進行使用地面雷達幫助無人機探測和避免碰撞的工作，這是無人機進行超視距飛行必須具備的能力，NASA正在為該項目提供資助。研究人員正在為NASA測試空中目標探測和防撞系統(tǒng)，使用的是安裝在“Titan X8”多旋翼無人機上的，由Echodyne公司開發(fā)的一種薄板型、手掌大小的名為“EchoFlight ”的超材料電掃相控陣雷達。

圖4 Wing公司在澳大利亞和美國研發(fā)運送小包裹的無人機已有幾年時間，該公司計劃于今年春季在芬蘭推出無人機遞送業(yè)務(wù)。“蜂鳥”7000無人機重15lb。兩側(cè)的小機身上各裝有6個升力螺旋槳用于垂直飛行，兩個推力螺旋槳為水平飛行提供推力。

該測試基地為尋求美國聯(lián)邦航空局審批的公司提供安全案例，讓他們的無人機能飛到比通常允許的更高的高度、進行超視距飛行、在人員上空飛行、多機同時飛行或進行空運活動。提供安全案例的過程從定義作業(yè)概念開始，對風險進行評估和拿出解決方案。然后測試基地通過試飛采集數(shù)據(jù)，這項工作占全部工作的比重大概是四分之一。

以美國聯(lián)邦航空局簽發(fā)的的《指令8040.4B - 安全風險管理政策》為指導，當所有風險應(yīng)對措施得到測試數(shù)據(jù)驗證時，安全案例就算制定完成。向美國聯(lián)邦航空局提交的介紹文檔中包括作業(yè)概念、測試數(shù)據(jù)、端到端系統(tǒng)分析以及風險級別摘要。

“這是我們對行業(yè)的核心價值。波音等大公司可以做各種工程和開發(fā)工作，他們可以自己建立這些安全案例。但對于非傳統(tǒng)意義上的航空企業(yè)，他們并沒有解決這一問題所需的專業(yè)知識和設(shè)施。”馬克·布蘭克斯說，“我們現(xiàn)在的客戶群并不是傳統(tǒng)航空企業(yè)，而是試圖使用這項技術(shù)的企業(yè)。”

美大西洋航空合作組織的主要飛行測試基地是肯特蘭農(nóng)場，該基地占地1,800acre，設(shè)有一條90m長的跑道，可進行垂直起降作業(yè)，該基地距離弗吉尼亞理工學院14.5km。其它測試設(shè)施包括Gryphon公司的用于探測和跟蹤無人機的“Skylight”多傳感器系統(tǒng)和安裝在拖車上的移動式操作中心。該組織管理著一個足球場大小的、用安全網(wǎng)圍起來的無人機試飛場。該場地已于2018年4月正式對師生開放，讓學生和教師能在無需美國聯(lián)邦航空局授權(quán)的情況下進行無人機試飛。

減稅政策的推行讓人不由地去關(guān)注減稅帶來的效應(yīng)。拿零售行業(yè)來說，增值稅稅率降了一個百分點，現(xiàn)行為16%。按照中華人民共和國國家統(tǒng)計局公布的2015-2017年批發(fā)以及零售業(yè)商品的銷售額分別為515567.5億元，558877.6億元和585916.7億元，再結(jié)合2017年全國實物商品零售銷售額54806億元和2018年5-12月預(yù)估的零售業(yè)務(wù)所涉及的減稅額可能達到312億元。

測試基地與弗吉尼亞理工學院的傷害生物力學中心合作，研究低空無人機對人員的傷害風險。在校內(nèi)的一個沖擊實驗室里，小型無人機被放在軌道上，用壓縮空氣加速到最高130km/h的速度，然后靠慣性飛向軌道末端，與安裝了各種測量設(shè)備的假人相撞。

圖5 Dominion能源和美大西洋航空合作組織已經(jīng)測試了使用無人機（包括Aerovironment 公司的RQ-20“美洲獅”無人機）對輸電線路進行線性檢測的超視距飛行。

圖6 Avitas 系統(tǒng)公司與殼牌石油公司合作，獲得了FAA 的批準，使用地面雷達代替視覺觀察員用“Vapor 55”無人機進行超視距飛行。

圖7 在NASA 的一個項目下，MAAP正在對Echodyne公司的EchoFlight MESA雷達進行測試，安裝在“Titan X8”多旋翼無人機前部的這種白色的小型平板雷達設(shè)計用于空中目標探測和規(guī)避用途。

截至4月初，自2016年8月第107部分規(guī)定生效以來，美國聯(lián)邦航空局已簽發(fā)了2547項特別許可。無人機系統(tǒng)國際協(xié)會對規(guī)定發(fā)布后兩年內(nèi)的1960項特別許可進行了一項分析。結(jié)果表明，92%特別許可的無人機飛行活動是在夜間。5%是關(guān)于運營飛行和特定空域使用權(quán)；2%是關(guān)于多機同時飛行。

馬克·布蘭克斯表示，盡管有特別許可程序，但大多數(shù)無人機操作員進行的是遠視距飛行而不是超視距飛行。他們可以把無人機飛出肉眼看得清飛機的范圍之外，但必須保持在一定距離內(nèi)，必須確保操作員用肉眼能看清無人機所在空域的情況，超過這一范圍的飛行則需要獲得進行超視距飛行的特別許可。

“我們現(xiàn)在使用的是靠視覺探測進行超視距飛行的方式。這種方式的有效范圍雖然有限，但仍比第107部分規(guī)定允許的距離要遠得多。現(xiàn)在99%的超視距飛行特別許可都屬于這種情況。”馬克·布蘭克斯說。

BNSF鐵路公司是例外之一，該公司在第107部分規(guī)定生效后的第1天獲得了首個進行無人機超視距飛行的特別許可。1年前，美國聯(lián)邦航空局選定讓這家鐵路運輸公司參與了一項“探路”性質(zhì)的無人機研究項目。

在沿著BNSF新墨西哥州克洛維斯分公司的一條320km的路段進行的測試中，該公司采用柯林斯航空航天的“CNPC-1000數(shù)據(jù)鏈”對無人機進行超視距操控，該數(shù)據(jù)鏈工作在L波段的航空頻段范圍內(nèi)。哈里斯公司提供了“Xtend”廣播式自相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）接收機，用于跟蹤測試機周邊的低空無人機交通情況。

去年10月，GE旗下總部位于波士頓的風險投資公司 - Avitas系統(tǒng)公司宣布，已獲得美國聯(lián)邦航空局批準，將使用飛行重量超過55lb的“Vapor 55”無人直升機，在沒有目視觀察員的情況下進行遠程超視距飛行。使用DeTect智能傳感器公司提供的地面雷達提供同等級別的安全性。Avitas公司表示，該公司與殼牌石油公司密切合作，后者希望使用無人機對其位于德州西部二疊紀盆地的石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進行空中巡檢，這是世界上最大的油田之一。

對美大西洋航空合作組織和其它無人機系統(tǒng)集成試點計劃參與方來說，在人員上空飛行，以及超視距飛行的能力將有助于正在開發(fā)的商業(yè)運營類型，但定期飛越有人區(qū)上空仍有待監(jiān)管指導。

今年2月，美國聯(lián)邦航空局發(fā)布了1份擬議規(guī)則制定通知（NPRM），將對第107部分規(guī)則進行修改完善，在特定條件下和夜間允許小型無人機在有人區(qū)上空飛行，無需特別許可。對于夜間飛行，美國聯(lián)邦航空局建議遙控飛行員完成相關(guān)知識測驗，包括與夜間飛行相關(guān)的新主題，以及給無人機裝備具有至少5km可見距離的防撞指示燈。

美國聯(lián)邦航空局建議按對地面人員的致傷風險將無人機飛行分為3類，第1類情況適用于重量小于250g的無人機。因為此類無人機對人員的致傷風險較低，遙控飛行員可操控其飛越人員上空，需要符合第107部分規(guī)定的要求但沒有額外限制。

第2類情況適用于重量250g的無人機，并增加了性能方面的要求。飛機必須設(shè)計成如果它擊中一個人，所導致的傷害程度不會超過被具有15J動能的硬物撞擊的傷害，不能有暴露在外的可以劃破人體皮膚的旋轉(zhuǎn)部件。存在美國聯(lián)邦航空局確定的安全缺陷的飛機將不能在人員上空飛行，比如暴露電線、高溫表面、鋒利邊緣、結(jié)構(gòu)缺陷或軟件缺陷。

第3類情況允許比第2類情況更高的傷害閾值。同時通過操作限制降低了受傷風險。如果無人機擊中人員，所導致的傷害程度不能超過被具有35J動能的硬物撞擊的傷害。不能有暴露在外的可以劃破人體皮膚的旋轉(zhuǎn)部件。存在安全缺陷的情況下不能在人員上空飛行。

操作限制將禁止飛越任何露天人群上空，并讓無人機保持在封閉或限制進入的空域內(nèi)飛行。如果不是在封閉的空域內(nèi)飛行，則無人機可以從人員上空飛過但不能懸停。

在發(fā)布擬議規(guī)則制定通知的同時，針對國防、能源、國土安全和司法部門對惡意無人機對大型公共集會或關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的威脅的關(guān)切，美國聯(lián)邦航空局還發(fā)布了一份征求公眾對無人機“安全可靠運行”的意見的預(yù)先通知。

這兩個通知的反饋截止日期都是4月15日。美國聯(lián)邦航空局在這兩份通知里均強調(diào)，出于安全方面的考慮，該機構(gòu)不會允許無人機常態(tài)化飛越人員上空和在夜間飛行，等單獨的無人機遠程識別和跟蹤規(guī)則制定過程完成之后才會考慮。

美國聯(lián)邦航空局在發(fā)布的擬議規(guī)則制定通知中表示。“由于這一問題的重要性，美國聯(lián)邦航空局計劃在對第107部分規(guī)則進行最終修改以允許小型無人機在人員上空和夜間飛行之前，盡快最終敲定小型無人機遠程識別的相關(guān)政策。內(nèi)容包括規(guī)則制定、標準制定或其它聯(lián)邦機構(gòu)可能提出的其它措施。

馬克·布蘭克斯指出，美國聯(lián)邦航空局以具有特定動能的硬物撞擊人員造成的傷害作為是否允許無人機在人員上空飛行的判斷標準 - 美大西洋航空合作組織正在實驗室用木塊模擬測試這種場景。但這種動能值評價仍然只是簡單地按數(shù)字來評價。美大西洋航空合作組織的測試基地也在研究美國聯(lián)邦航空局禁止在移動的交通工具上操控無人機的規(guī)定，該組織相信這種方式是可以做到確保安全的。

在監(jiān)管環(huán)境變得更加清晰之前，將無人機納入空管體系的進程仍在繼續(xù)。“無人機系統(tǒng)集成試點計劃的目標是示范性的，”馬克·布蘭克斯說，“該計劃的目標是真正的商業(yè)化部署運營，我們正朝著無人機的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用努力。” ■