美国推动小型无人机纳入空管系统计划

李韵

考虑到飞行安全性，无人机在飞行前必须申请空域并获得批准。而获得空域的审批流程冗长而繁琐，这大大限制了无人机的推广和应用。美国积极推动空域改革，精简流程，积极推动小型无人机纳入空管系统。

由美国运输部长赵小兰牵头的一项将小型商用无人机纳入空域管理系统的计划，已取得显著成果。

2018年5月，自从赵小兰提名了10个由无人机业界、政府机构和大学合作组建的联合工作组参与到无人机系统集成试点计划（UAS IPP）中以来，至少有三个联合工作组已宣布取得重大进展。特朗普政府提倡该项举措的目的是在州和地方层面上、加速将无人机纳入空域管理和推动其商业化，推动美国联邦航空局（FAA）加快其进展缓慢的监管程序。

3月26日，UPS和无人机运输系统开发商Matternet公司推出了一项新服务，使用其M2四旋翼无人机将大约5lb的血液和其它医疗样品，从位于北卡罗来纳州罗利市的韦克郡医疗健康医院（WakeMed）运送到附近的的医疗办公园区。包括UPS公司、Matternet公司、韦克郡医疗健康医院、美国联邦航空局和北卡罗来纳州交通部在内的无人机系统集成试点计划参与方表示，首次无人机营运飞行标志着“大量日常飞行的开始”。

今年3月8日，无人机运输系统开发商Flirtey公司表示，该公司已获得美国联邦航空局的批准进行无人机超视距飞行（BVLOS），此种飞行活动必须获得美国联邦航空局特许才能进行。通过与内华达州里诺市合作的的这一无人机系统集成试点计划，Flirtey公司计划使用多旋翼无人机为突发心脏骤停的患者空运自动体外除颤器以及其它包裹。

今年1月，美国保险企业State Farm表示，该公司已获得美国联邦航空局的长期特许，在自然灾害发生后在全国范围内进行无人机超视距飞行和在人群上空的飞行以进行灾害损失评估。后者也是被美国联邦航空局限制的飞行类型。

通过由弗吉尼亚创新与企业投资局和技术创新中心（CIT）牵头的一个无人机系统集成试点计划合作项目，State Farm公司达成了这一里程碑，CIT中心是一家支持技术创业公司、推动经济发展的非盈利企业。但在获得美国联邦航空局的该项特许之前，State Farm公司已经与弗吉尼亚理工大学的美大西洋航空合作组织（MAAP）合作了将近两年。

美大西洋航空合作组织为CIT在弗吉尼亚理工大学管理无人机系统集成试点计划项目的日常运作。该试点基地从2013年12月开始运作，当时美国联邦航空局选择了6个顶尖机构来管理全国范围内的无人机测试基地。（位于拉斯克鲁塞斯的新墨西哥州立大学从2008年开始就已开始运行着一个美国联邦航空局批准的无人机测试基地）另外两个同样获得美国联邦航空局批准的测试基地也参与了无人机系统集成试点计划，这两个基地分别由阿拉斯加州费尔班克斯大学和北达科他州商务部领导。

这些测试基地和其它无人机系统集成试点计划都没有获得任何联邦资金，尽管国会最近拨款600万美元用于支持各公司在测试基地的研究，但不会直接向这些设施提供资金，美大西洋航空合作组织主任马克·布兰克斯表示。

测试基地计划由国会在2012年美国联邦航空局现代化与改革法案中拟定，最初计划于2017年到期，后来延长了两年。去年10月，唐纳德·特朗普总统签署成为法律的美国联邦航空局再授权法将该计划的结束时间延长至2023年9月。计划要求无人机系统集成试点计划工作于2020年10月完成。

美大西洋航空合作组织总部位于布莱克斯堡的弗吉尼亚理工大学，该机构正在参与无人机系统集成试点计划下的三个项目：与State Farm公司就无人机灾害损失评估进行合作；与谷歌母公司Alphabet旗下的Wing公司进行商业包裹投递方面的合作；与总部位于弗吉尼亚州里奇蒙德的Dominion能源公司合作的“线性基础设施检查”项目，将无人机用于输电线路和电塔巡检。

作为美国联邦航空局测试基地与这些公司合作取得的进展，为美大西洋航空合作组织承担的无人机系统集成试点计划工作打下了基础。马克·布兰克斯表示，例如State Farm公司，美大西洋航空合作组织为该公司准备的安全案例帮他们在2018年获得了短期进行超视距飞行和在人群上空飞行的特别许可，在南北卡罗莱纳州遭“佛罗伦萨飓风”和迈阿密遭“迈克”飓风袭击后，使用该公司研发的全重仅1.52lb的“SenseFly eBee Classic ”无人机进行灾害评估。美国联邦航空局于1月份批准了提交的文件，并在1天内向该公司签发了长期的全国范围特别许可。

作为在无人机系统集成试点计划下的部分测试，2016年9月，Wing公司和美大西洋航空合作组织使用无人驾驶载具沿弗吉尼亚理工大学交通研究院的智能公路（运输研究设施）运送了墨西哥卷饼。于2018年8月向附近的校属肯特兰农场的测试场运送了冰棒和冰淇淋。试点客户中有马克·布兰克斯的3个孩子。他们每天都挺期待的，每天下午一架无人机将出现并送来冰棍和冰淇淋。

图3是一架早期版本的“蜂鸟”7000混合动力无人机的悬停在美大西洋航空合作组织的办公室上方。该机重15lb，两侧的小机身上装有12个升力螺旋桨用于垂直飞行，翼展5ft的机翼前缘装有两个推力螺旋桨为水平飞行提供推力。图中该机正悬停在地面上方7m处，通过系绳将小包裹降落到地面然后释放。

图1 经中大西洋航空合作组织测试之后，State Farm公司在1月宣布获得了FAA 的一项长期特许以运行其开发的“SenseFly eBee Classic”无人机，该机配备了全彩摄像头和调制解调器，将用于灾害损失评估。

图2 Wing公司的的“蜂鸟”7000混合动力无人机设计用于递送小包裹，这些小包裹将在纸箱容器中携带，通过系绳降落到地面，然后锁定释放机构松开系绳。

图3 Wing公司和弗吉尼亚理工大学的中大西洋航空合作组织合作，于2018年8月向附近的校属肯特兰农场的测试场运送了冰棒和冰淇淋。

马克·布兰克斯表示，我们测试基地率先参与了无人机系统集成试点计划，因为我们在该计划下做的所有项目其实都是我们作为一个测试基地已经在做的。但无人机系统集成试点计划在美国联邦航空局方面是优先事项，所以这些事情能加速进行。无人机系统集成试点计划使之达到了一个全新的水平。

马克·布兰克斯此前曾担任堪萨斯州立大学应用航空研究中心的无人机计划项目经理，后于2015年8月被任命为美大西洋航空合作组织弗吉尼亚分部副主任。2016年7月，当美大西洋航空合作组织成为一个弗吉尼亚州实体时，马克·布兰克斯成了该组织主管。

早期领导美大西洋航空合作组织的是德事隆集团旗下AAI公司的前高管罗斯·慕尼，当时这一获得州政府支持的测试基地还处于使命不明确的纠结期。马克·布兰克斯回忆道：“在我上任伊始，在一次公开论坛的专题演讲上，我要求所有测试基地主管给我30min时间，我重点讲了他们的价值主张的问题，第1个测试基地主管说，‘我也不确定是什么，我们还没想明白。’那是我在这里工作第一周的时候的事。”

在长达10年的准备之后，管辖起飞重量55lb以内的商用小型无人机的美国联邦航空局第107部分规定最终于2016年8月下旬生效。这也对测试基地起到了帮助。马克·布兰克斯表示，“我们的价值主张是基于需求 - 人们希望用无人机做一切可以做到的事。”他说。“第107部分规定发布后，加速了行业的发展，对我们而言也是一个重大利好。此后，我们的努力将聚焦在更困难的问题上：飞得更高、超视距飞行、在人群上空飞行、多机同时飞行 - 这些是现在大家想做的事。”

测试基地主管每月都会举行电话会议，参与者包括美国联邦航空局项目主管约翰·莱因哈特。各测试基地目前有美国联邦航空局签发的标准授权认证（COA），允许他们在G类非管控空域的1200ft高度以内使用小型无人机进行飞行。机场进行的特定活动则需要单独的授权认证。

美大西洋航空合作组织的授权认证的覆盖范围包括弗吉尼亚州中部、包括几个机场的7000ft以下空域。该许可允许美大西洋航空合作组织对较大的无人机进行测试，如德事隆系统集团研发的“航空器节点”（Aerosonde Mk）无人机，该机起飞重量75lb，弹射起飞。美大西洋航空合作组织已在Blackstone陆军机场对该机进行试飞。

美大西洋航空合作组织总部位于弗吉尼亚理工大学的关键技术与应用科学院内，过去几年里美大西洋航空合作组织一直在自持运行。马克·布兰克斯表示，他拒绝透露该组织的预算情况。在今年3月，该组织有12名全职雇员，计划还要再增加8名。

NASA是美大西洋航空合作组织的主要资助者之一，美大西洋航空合作组织正在与Gryphon传感器公司等合作伙伴一起，进行使用地面雷达帮助无人机探测和避免碰撞的工作，这是无人机进行超视距飞行必须具备的能力，NASA正在为该项目提供资助。研究人员正在为NASA测试空中目标探测和防撞系统，使用的是安装在“Titan X8”多旋翼无人机上的，由Echodyne公司开发的一种薄板型、手掌大小的名为“EchoFlight ”的超材料电扫相控阵雷达。

图4 Wing公司在澳大利亚和美国研发运送小包裹的无人机已有几年时间，该公司计划于今年春季在芬兰推出无人机递送业务。“蜂鸟”7000无人机重15lb。两侧的小机身上各装有6个升力螺旋桨用于垂直飞行，两个推力螺旋桨为水平飞行提供推力。

该测试基地为寻求美国联邦航空局审批的公司提供安全案例，让他们的无人机能飞到比通常允许的更高的高度、进行超视距飞行、在人员上空飞行、多机同时飞行或进行空运活动。提供安全案例的过程从定义作业概念开始，对风险进行评估和拿出解决方案。然后测试基地通过试飞采集数据，这项工作占全部工作的比重大概是四分之一。

以美国联邦航空局签发的的《指令8040.4B - 安全风险管理政策》为指导，当所有风险应对措施得到测试数据验证时，安全案例就算制定完成。向美国联邦航空局提交的介绍文档中包括作业概念、测试数据、端到端系统分析以及风险级别摘要。

“这是我们对行业的核心价值。波音等大公司可以做各种工程和开发工作，他们可以自己建立这些安全案例。但对于非传统意义上的航空企业，他们并没有解决这一问题所需的专业知识和设施。”马克·布兰克斯说，“我们现在的客户群并不是传统航空企业，而是试图使用这项技术的企业。”

美大西洋航空合作组织的主要飞行测试基地是肯特兰农场，该基地占地1,800acre，设有一条90m长的跑道，可进行垂直起降作业，该基地距离弗吉尼亚理工学院14.5km。其它测试设施包括Gryphon公司的用于探测和跟踪无人机的“Skylight”多传感器系统和安装在拖车上的移动式操作中心。该组织管理着一个足球场大小的、用安全网围起来的无人机试飞场。该场地已于2018年4月正式对师生开放，让学生和教师能在无需美国联邦航空局授权的情况下进行无人机试飞。

减税政策的推行让人不由地去关注减税带来的效应。拿零售行业来说，增值税税率降了一个百分点，现行为16%。按照中华人民共和国国家统计局公布的2015-2017年批发以及零售业商品的销售额分别为515567.5亿元，558877.6亿元和585916.7亿元，再结合2017年全国实物商品零售销售额54806亿元和2018年5-12月预估的零售业务所涉及的减税额可能达到312亿元。

测试基地与弗吉尼亚理工学院的伤害生物力学中心合作，研究低空无人机对人员的伤害风险。在校内的一个冲击实验室里，小型无人机被放在轨道上，用压缩空气加速到最高130km/h的速度，然后靠惯性飞向轨道末端，与安装了各种测量设备的假人相撞。

图5 Dominion能源和美大西洋航空合作组织已经测试了使用无人机（包括Aerovironment 公司的RQ-20“美洲狮”无人机）对输电线路进行线性检测的超视距飞行。

图6 Avitas 系统公司与壳牌石油公司合作，获得了FAA 的批准，使用地面雷达代替视觉观察员用“Vapor 55”无人机进行超视距飞行。

图7 在NASA 的一个项目下，MAAP正在对Echodyne公司的EchoFlight MESA雷达进行测试，安装在“Titan X8”多旋翼无人机前部的这种白色的小型平板雷达设计用于空中目标探测和规避用途。

截至4月初，自2016年8月第107部分规定生效以来，美国联邦航空局已签发了2547项特别许可。无人机系统国际协会对规定发布后两年内的1960项特别许可进行了一项分析。结果表明，92%特别许可的无人机飞行活动是在夜间。5%是关于运营飞行和特定空域使用权；2%是关于多机同时飞行。

马克·布兰克斯表示，尽管有特别许可程序，但大多数无人机操作员进行的是远视距飞行而不是超视距飞行。他们可以把无人机飞出肉眼看得清飞机的范围之外，但必须保持在一定距离内，必须确保操作员用肉眼能看清无人机所在空域的情况，超过这一范围的飞行则需要获得进行超视距飞行的特别许可。

“我们现在使用的是靠视觉探测进行超视距飞行的方式。这种方式的有效范围虽然有限，但仍比第107部分规定允许的距离要远得多。现在99%的超视距飞行特别许可都属于这种情况。”马克·布兰克斯说。

BNSF铁路公司是例外之一，该公司在第107部分规定生效后的第1天获得了首个进行无人机超视距飞行的特别许可。1年前，美国联邦航空局选定让这家铁路运输公司参与了一项“探路”性质的无人机研究项目。

在沿着BNSF新墨西哥州克洛维斯分公司的一条320km的路段进行的测试中，该公司采用柯林斯航空航天的“CNPC-1000数据链”对无人机进行超视距操控，该数据链工作在L波段的航空频段范围内。哈里斯公司提供了“Xtend”广播式自相关监视（ADS-B）接收机，用于跟踪测试机周边的低空无人机交通情况。

去年10月，GE旗下总部位于波士顿的风险投资公司 - Avitas系统公司宣布，已获得美国联邦航空局批准，将使用飞行重量超过55lb的“Vapor 55”无人直升机，在没有目视观察员的情况下进行远程超视距飞行。使用DeTect智能传感器公司提供的地面雷达提供同等级别的安全性。Avitas公司表示，该公司与壳牌石油公司密切合作，后者希望使用无人机对其位于德州西部二叠纪盆地的石油和天然气基础设施进行空中巡检，这是世界上最大的油田之一。

对美大西洋航空合作组织和其它无人机系统集成试点计划参与方来说，在人员上空飞行，以及超视距飞行的能力将有助于正在开发的商业运营类型，但定期飞越有人区上空仍有待监管指导。

今年2月，美国联邦航空局发布了1份拟议规则制定通知（NPRM），将对第107部分规则进行修改完善，在特定条件下和夜间允许小型无人机在有人区上空飞行，无需特别许可。对于夜间飞行，美国联邦航空局建议遥控飞行员完成相关知识测验，包括与夜间飞行相关的新主题，以及给无人机装备具有至少5km可见距离的防撞指示灯。

美国联邦航空局建议按对地面人员的致伤风险将无人机飞行分为3类，第1类情况适用于重量小于250g的无人机。因为此类无人机对人员的致伤风险较低，遥控飞行员可操控其飞越人员上空，需要符合第107部分规定的要求但没有额外限制。

第2类情况适用于重量250g的无人机，并增加了性能方面的要求。飞机必须设计成如果它击中一个人，所导致的伤害程度不会超过被具有15J动能的硬物撞击的伤害，不能有暴露在外的可以划破人体皮肤的旋转部件。存在美国联邦航空局确定的安全缺陷的飞机将不能在人员上空飞行，比如暴露电线、高温表面、锋利边缘、结构缺陷或软件缺陷。

第3类情况允许比第2类情况更高的伤害阈值。同时通过操作限制降低了受伤风险。如果无人机击中人员，所导致的伤害程度不能超过被具有35J动能的硬物撞击的伤害。不能有暴露在外的可以划破人体皮肤的旋转部件。存在安全缺陷的情况下不能在人员上空飞行。

操作限制将禁止飞越任何露天人群上空，并让无人机保持在封闭或限制进入的空域内飞行。如果不是在封闭的空域内飞行，则无人机可以从人员上空飞过但不能悬停。

在发布拟议规则制定通知的同时，针对国防、能源、国土安全和司法部门对恶意无人机对大型公共集会或关键基础设施的威胁的关切，美国联邦航空局还发布了一份征求公众对无人机“安全可靠运行”的意见的预先通知。

这两个通知的反馈截止日期都是4月15日。美国联邦航空局在这两份通知里均强调，出于安全方面的考虑，该机构不会允许无人机常态化飞越人员上空和在夜间飞行，等单独的无人机远程识别和跟踪规则制定过程完成之后才会考虑。

美国联邦航空局在发布的拟议规则制定通知中表示。“由于这一问题的重要性，美国联邦航空局计划在对第107部分规则进行最终修改以允许小型无人机在人员上空和夜间飞行之前，尽快最终敲定小型无人机远程识别的相关政策。内容包括规则制定、标准制定或其它联邦机构可能提出的其它措施。

马克·布兰克斯指出，美国联邦航空局以具有特定动能的硬物撞击人员造成的伤害作为是否允许无人机在人员上空飞行的判断标准 - 美大西洋航空合作组织正在实验室用木块模拟测试这种场景。但这种动能值评价仍然只是简单地按数字来评价。美大西洋航空合作组织的测试基地也在研究美国联邦航空局禁止在移动的交通工具上操控无人机的规定，该组织相信这种方式是可以做到确保安全的。

在监管环境变得更加清晰之前，将无人机纳入空管体系的进程仍在继续。“无人机系统集成试点计划的目标是示范性的，”马克·布兰克斯说，“该计划的目标是真正的商业化部署运营，我们正朝着无人机的大规模商业应用努力。” ■