地面交通有行車道、人行道、紅綠燈、交通安全法規(guī)等，確保了交通安全和效率之間的平衡?？罩幸残枰@樣一套管理系統(tǒng)來獲得這種平衡。尤其是無人機迅猛發(fā)展，超低空將在不遠(yuǎn)的將來變得擁擠不堪。需要一套無人機融入低空空域的秩序管理系統(tǒng)，無人機系統(tǒng)交通管理（UTM）應(yīng)運而生。
當(dāng)前美國將空域劃分為 A、B、C、D、E、G 六個等級，其中 A、B、C、D、E 級空域是受管制的，而航空器在 G 級空域里飛行完全不受限制。G 級空域主要是指從地面到 700 或 1200 英尺的超低空，在這個貼近地面的高度，由于地形原因使雷達無法覆蓋, 所以也無管制可言。只要天氣允許, 在 G 級空域的飛行是完全自由的，不需要無線電和應(yīng)答器，也無須向任何組織申請或聯(lián)系。商用飛機、滑翔機、直升機、氣球等在 G 級空域中不受限制，而無人機恰恰就是在 G 級空域中飛行，這無疑大大增加了安全風(fēng)險。
美國空域劃分表
FAA 早就想管理 G 級空域，無奈雷達難以覆蓋。據(jù) FAA 2016 年 5 月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國已有大約 47 萬個無人機注冊用戶。FAA 預(yù)測，2020 年后每年將有 270 萬無人機登記注冊。亞馬遜公司估計，未來使用亞馬遜無人機快遞服務(wù)的訂單量將達到 4000 萬，每天將有 13 萬無人機送快遞。
低空飛行群體數(shù)量如此之龐大，必然會造成低空空域的擁擠和安全問題，如果沒有管理，未來的低空將變得險象環(huán)生。為此 FAA 著手開發(fā)了一套無人機空中交通管理系統(tǒng)，將未來所有在美國上空飛行的無人機同UTM系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，以確保飛行效率并避免碰撞。
UTM 是 NASA 為 FAA 設(shè)計的一套空中交通管理系統(tǒng)，也是十分關(guān)鍵的安全系統(tǒng)，它能夠允許大量無人機同時在超低空飛行，而不會發(fā)生撞擊事故。這套系統(tǒng)允許無人機操作員輸入其飛行計劃，并請求幫助清除飛行障礙，系統(tǒng)會合適該飛行計劃，判斷是否與其他無人機飛行計劃有沖突，從而做出接受或拒絕的答復(fù)。有了 UTM，F(xiàn)AA 就能使用它來發(fā)布指令，約束在該空域飛行的無人機，以保證該空域的飛行安全。
UTM 在設(shè)計理念主要源于在超低空大規(guī)模無人機的運行安全，主要考慮以下三個方面：一是要確保地區(qū)和國家安全，不能對白宮、機場等要地構(gòu)成威脅；二是保證所在的空域安全，小無人機跟傳統(tǒng)航空器并存的情況下，小無人機的操作安全至關(guān)重要；三是要保證經(jīng)濟利益。利用超低空開展商業(yè)、公共安全和個人應(yīng)用，將帶來巨大的經(jīng)濟效益，不能因為安全問題就完全放棄經(jīng)濟利益。
綜合考慮，要在安全和經(jīng)濟利益之間必須取得一個最佳的平衡，這就是 UTM 系統(tǒng)研發(fā)的出發(fā)點。
UTM 的設(shè)計
NASA 的研究人員最初想在每個無人機上安裝監(jiān)測和避障裝置，來躲避其他飛行器和惡劣天氣。但是這些裝置往往笨重又昂貴，無人機本身難以負(fù)載，無人機使用者也難以承擔(dān)高昂的費用。因此，研究人員將 UTM 設(shè)計為一套能夠與無人機和現(xiàn)有航空管制系統(tǒng)進行交互的軟件系統(tǒng)，而非裝在無人機上的硬件。該系統(tǒng)將兼容包括固定翼飛機、旋翼機、無人機等不同類型航空器，對這些航空器精確建模、與不同類型的航空器通信都十分具有挑戰(zhàn)性。
NASA 的研究人員定了兩個設(shè)計原則：一是結(jié)構(gòu)盡可能靈活，二是在滿足性能需求的同時盡可能降低風(fēng)險。研究人員提出UTM的架構(gòu)如下：
在 UTM 的架構(gòu)中，UTM 由監(jiān)管方 FAA 操作，與國家空域系統(tǒng)（ATM）交互，并提供指令、限制給無人機服務(wù)供應(yīng)商，最終傳送至無人機。無人機操作員和無人機服務(wù)提供商密切合作，以滿足所有的監(jiān)管指令。監(jiān)管方FAA能夠訪問所有的操作，從而判斷是否會對國家空域系統(tǒng)造成影響。
UTM 主要涉及三個利益相關(guān)方，監(jiān)管方、無人機操作方、無人機服務(wù)供應(yīng)商，其角色和責(zé)任劃分如下表：
UTM 的發(fā)展規(guī)劃
NASA 的研究人員為 UTM 規(guī)劃了四個等級的技術(shù)成熟度，并設(shè)立時間節(jié)點，如下圖示：
UTM 技術(shù)成熟度，來源 NASA
技術(shù)成熟度 1 已于 2015 年 8 月完成測試，實現(xiàn)低密度空域的視距內(nèi)信息共享，滿足農(nóng)業(yè)、消防和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控使用。在這個等級中，無人機操作員遇到?jīng)_突時將手動調(diào)整計劃和空域。UTM 系統(tǒng)開發(fā)商之一洛克希德·馬丁公司宣布其 UTM 系統(tǒng)的第一個組成部分：飛行計劃在線報告系統(tǒng)投入使用，該系統(tǒng)與 FAA 的國家空域系統(tǒng)直接連接。其應(yīng)用場景如下圖：
技術(shù)成熟度 1 的應(yīng)用場景圖
技術(shù)成熟度 2 于 2016 年 4 月完成測試，可以實現(xiàn)超視距運行，跟蹤低密度的操作，分享飛行意圖，設(shè)立地理圍欄等。2016 年4 月 19 日，NASA 使用 FAA 位于阿拉斯加州、北達科他州、內(nèi)華達州、紐約州、弗吉尼亞州和馬里蘭州的六個無人機測試基地進行了 UTM 的技術(shù)成熟度 2 測試。在三個小時的測試中，包括航空環(huán)境公司美洲豹 AE 小型無人機和靈巧指揮控制（SmartC2）公司多種小型無人機在內(nèi)的 17 種無人機和 8 種軟件客戶端的 102 個飛行操作連接到 UTM 平臺，同時與交通模擬平臺進行無縫交互。在測試的第一個小時，最高時有 20 架無人機被允許同時飛行，第二小時達到 33 架，第三小時達到 43 架。飛行驗證和外場試驗取得巨大成果，驗證了 UTM 在人煙稀少地區(qū)超視距飛行時可動態(tài)調(diào)整空域可用性和應(yīng)急管理的關(guān)鍵技術(shù)。
無人機接受 UTM 監(jiān)管飛行的測試實例
2016 年 UTM 測試試驗時的控制中心
技術(shù)成熟度 3 計劃 2018 年 1 月測試，進行常態(tài)超視距運行，空中 V2V 防撞，規(guī)避靜態(tài)障礙物。在人口密度較大的地區(qū)，對合作和不合作的無人機具備跟蹤能力，確保載人和無人航空器的運行安全。示意圖如下：
技術(shù)成熟度 3 應(yīng)用場景圖
技術(shù)成熟度 4測試日期待定，城市復(fù)雜超視距，跟蹤和定位，規(guī)避動態(tài)障礙物，在高密度的城市地區(qū)完成如新聞采集和送貨等操作，并可滿足大規(guī)模的應(yīng)急需求。示意圖如下：
技術(shù)成熟度 4 應(yīng)用場景圖
UTM 系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了有段時日，目前已進展到技術(shù)成熟度 2-3 之間，NASA 表示在 2019 年會將更深入的研發(fā)和測試結(jié)果提交給 FAA。
毫無疑問，這個系統(tǒng)是商用無人機順利引入美國空域管理的關(guān)鍵，其研發(fā)成功將大幅推進美國無人機的商業(yè)應(yīng)用。亞馬遜和谷歌為了加速無人機相關(guān)法規(guī)的制定，也在研發(fā)自己的無人機空中管理系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見的是，美國距離無人機規(guī)模化應(yīng)用已經(jīng)不遠(yuǎn)。
?