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。空中也需要這樣一套管理系統(tǒng)來獲得這種平衡。尤其是無人機(jī)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(jī)融入低空空域的秩序管理系統(tǒng)，無人機(jī)系統(tǒng)交通管理（UTM）應(yīng)運(yùn)而生。
當(dāng)前美國將空域劃分為 A、B、C、D、E、G 六個(gè)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(gè)貼近地面的高度，由于地形原因使雷達(dá)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(jī)、滑翔機(jī)、直升機(jī)、氣球等在 G 級空域中不受限制，而無人機(jī)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(xiǎn)。
美國空域劃分表
FAA 早就想管理 G 級空域，無奈雷達(dá)難以覆蓋。據(jù) FAA 2016 年 5 月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國已有大約 47 萬個(gè)無人機(jī)注冊用戶。FAA 預(yù)測，2020 年后每年將有 270 萬無人機(jī)登記注冊。亞馬遜公司估計(jì)，未來使用亞馬遜無人機(jī)快遞服務(wù)的訂單量將達(dá)到 4000 萬，每天將有 13 萬無人機(jī)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(xiǎn)象環(huán)生。為此 FAA 著手開發(fā)了一套無人機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)同時(shí)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(jī)操作員輸入其飛行計(jì)劃，并請求幫助清除飛行障礙，系統(tǒng)會合適該飛行計(jì)劃，判斷是否與其他無人機(jī)飛行計(jì)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(jī)，以保證該空域的飛行安全。
UTM 在設(shè)計(jì)理念主要源于在超低空大規(guī)模無人機(jī)的運(yùn)行安全，主要考慮以下三個(gè)方面：一是要確保地區(qū)和國家安全，不能對白宮、機(jī)場等要地構(gòu)成威脅；二是保證所在的空域安全，小無人機(jī)跟傳統(tǒng)航空器并存的情況下，小無人機(jī)的操作安全至關(guān)重要；三是要保證經(jīng)濟(jì)利益。利用超低空開展商業(yè)、公共安全和個(gè)人應(yīng)用，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，不能因?yàn)榘踩珕栴}就完全放棄經(jīng)濟(jì)利益。
綜合考慮，要在安全和經(jīng)濟(jì)利益之間必須取得一個(gè)最佳的平衡，這就是 UTM 系統(tǒng)研發(fā)的出發(fā)點(diǎn)。
UTM 的設(shè)計(jì)
NASA 的研究人員最初想在每個(gè)無人機(jī)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(jī)本身難以負(fù)載，無人機(jī)使用者也難以承擔(dān)高昂的費(fèi)用。因此，研究人員將 UTM 設(shè)計(jì)為一套能夠與無人機(jī)和現(xiàn)有航空管制系統(tǒng)進(jìn)行交互的軟件系統(tǒng)，而非裝在無人機(jī)上的硬件。該系統(tǒng)將兼容包括固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī)、無人機(jī)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(gè)設(shè)計(jì)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(shí)盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)。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(jī)服務(wù)供應(yīng)商，最終傳送至無人機(jī)。無人機(jī)操作員和無人機(jī)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(gè)利益相關(guān)方，監(jiān)管方、無人機(jī)操作方、無人機(jī)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(gè)等級的技術(shù)成熟度，并設(shè)立時(shí)間節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(gè)等級中，無人機(jī)操作員遇到?jīng)_突時(shí)將手動(dòng)調(diào)整計(jì)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(gè)組成部分：飛行計(jì)劃在線報(bào)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(shí)現(xiàn)超視距運(yùn)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(dá)科他州、內(nèi)華達(dá)州、紐約州、弗吉尼亞州和馬里蘭州的六個(gè)無人機(jī)測試基地進(jìn)行了 UTM 的技術(shù)成熟度 2 測試。在三個(gè)小時(shí)的測試中，包括航空環(huán)境公司美洲豹 AE 小型無人機(jī)和靈巧指揮控制（SmartC2）公司多種小型無人機(jī)在內(nèi)的 17 種無人機(jī)和 8 種軟件客戶端的 102 個(gè)飛行操作連接到 UTM 平臺，同時(shí)與交通模擬平臺進(jìn)行無縫交互。在測試的第一個(gè)小時(shí)，最高時(shí)有 20 架無人機(jī)被允許同時(shí)飛行，第二小時(shí)達(dá)到 33 架，第三小時(shí)達(dá)到 43 架。飛行驗(yàn)證和外場試驗(yàn)取得巨大成果，驗(yàn)證了 UTM 在人煙稀少地區(qū)超視距飛行時(shí)可動(dòng)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(jī)接受 UTM 監(jiān)管飛行的測試實(shí)例
2016 年 UTM 測試試驗(yàn)時(shí)的控制中心
技術(shù)成熟度 3 計(jì)劃 2018 年 1 月測試，進(jìn)行常態(tài)超視距運(yùn)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(jī)具備跟蹤能力，確保載人和無人航空器的運(yùn)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(dòng)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(shí)日，目前已進(jìn)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(gè)系統(tǒng)是商用無人機(jī)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(jìn)美國無人機(jī)的商業(yè)應(yīng)用。亞馬遜和谷歌為了加速無人機(jī)相關(guān)法規(guī)的制定，也在研發(fā)自己的無人機(jī)空中管理系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見的是，美國距離無人機(jī)規(guī)?；瘧?yīng)用已經(jīng)不遠(yuǎn)。
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