2 017年4月，美國航空環(huán)境公司（AeroVironment）的一架“美洲豹”（Puma AE）小型無人機(jī)對(duì)弗吉尼亞州郊區(qū)的電力線進(jìn)行了檢查，以驗(yàn)證超視距無人機(jī)的性能。試驗(yàn)中無人機(jī)配備了3種不同的通信鏈路，在“羅賓遜”（Robinson）R44直升機(jī)的密切注視下完成了檢查，美國聯(lián)邦航空管理局（FA A）發(fā)布了“Drotam”提醒其他空域使用者。

上述試驗(yàn)反映了無人機(jī)超視距（BVLOS）操作的現(xiàn)實(shí)。雖然小型無人系統(tǒng)或無人機(jī)的使用變得越來越常見，但在美國和其他一些國家，無人機(jī)操作受到嚴(yán)格限制，按規(guī)定應(yīng)在白天飛行、飛行高度低于122m，還需在視距內(nèi)操作。不過，F(xiàn)AA會(huì)準(zhǔn)許Part 107中限制的豁免申請(qǐng)，到目前為止，超視距操作的豁免申請(qǐng)占21%，夜間使用的豁免申請(qǐng)占65%。

超視距無人機(jī)前景看好

無人機(jī)行業(yè)正在努力掙脫束縛、爭取超視距操作。一般認(rèn)為，超視距操作可提升無人機(jī)的能力，使無人機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性，如在執(zhí)行管道巡檢、電力線巡檢、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、農(nóng)業(yè)勘測以及其他任務(wù)時(shí)，無人機(jī)與有人飛機(jī)或地面團(tuán)隊(duì)相比成本更低，且具有更高的安全性和有效性。

道明尼電力公司（Dominion）參與了這次在弗吉尼亞州迪爾溫附近進(jìn)行的“美洲豹”無人機(jī)試驗(yàn)，公司對(duì)無人機(jī)超視距電力線檢查，特別是風(fēng)暴之后的電力線檢查。該公司利用視距內(nèi)無人機(jī)進(jìn)行缺陷檢查，用直升機(jī)來進(jìn)行輸電線路鐵塔的詳細(xì)檢查，以及相隔約80km的變電站之間的傳輸線的常規(guī)檢查。道明尼電力公司每年至少檢查一次其長達(dá)10460km的高功率電線，尋找掛到樹上的電線或破損的部件。

道明尼電力公司看好無人機(jī)超視距檢查的前景，認(rèn)為使用無人機(jī)后可以開展更多次數(shù)的檢查。一旦允許無人機(jī)超視距檢查，有望節(jié)省大量成本。未來，道明尼電力公司希望利用無人機(jī)完成對(duì)暴雨后的損失評(píng)估并改善停電狀態(tài)。設(shè)想的場景是：工作人員從暴雨現(xiàn)場附近派出一架超視距無人機(jī)，飛到現(xiàn)場進(jìn)行盤旋獲得實(shí)時(shí)視距，在工作人員返回辦公室之前即可分析出所需人力、資源和維護(hù)量。

除電力公司外，其他行業(yè)對(duì)無人機(jī)超視距操作也有相似的使用需求。截至2017年4月21日，在FAA批準(zhǔn)的3個(gè)超視距豁免申請(qǐng)中，其中之一是由美國柏林頓北方圣塔菲（BNSF）鐵路公司提出的，該豁免申請(qǐng)準(zhǔn)許時(shí)間為2015年，屬于FAA的“探路者”（Pathfinder）項(xiàng)目，即批準(zhǔn)無人機(jī)用于鄉(xiāng)村區(qū)域鐵軌檢查。該檢查一開始僅限于新墨西哥州，目前已擴(kuò)展到了其他區(qū)域，BNSF公司讓無人機(jī)每天沿其所屬鐵軌飛行以執(zhí)行檢查。FAA的豁免中要求無人機(jī)在整個(gè)飛行過程處于觀察者的視距內(nèi)，限制操作高度在610m以下。

全球多地陸續(xù)獲批或開展試驗(yàn)

類似的超視距操作在全球各地陸續(xù)獲得批準(zhǔn)。2017年2月，在加拿大阿爾伯達(dá)省的Foremost無人機(jī)測試場，加拿大小型無人機(jī)系統(tǒng)制造商艾倫實(shí)驗(yàn)室（Aeryon Labs）的“天空游俠”（SkyRanger）四旋翼無人機(jī)為文圖斯地理空間公司（Ventus Geospatial）和加拿大無人駕駛公司（Canadian Unmanned）執(zhí)行了飛行。2017年3月，在Foremost測試場，加拿大無人機(jī)（Canadian UAVs）與洛馬公司的“英達(dá)格”（Indago）2四旋翼無人機(jī)一起進(jìn)行管道和電力線檢查。2017年4月，在Foremost測試場，加拿大無人機(jī)快遞公司（Drone Delivery Canada）開始超視距試驗(yàn)，目的是在加拿大以北廣大地區(qū)內(nèi)獲得投遞飛行的批準(zhǔn)。

在芬蘭，自2014年以來，無人機(jī)自動(dòng)巡檢初創(chuàng)企業(yè)Sharper Shape獲批在芬蘭國內(nèi)執(zhí)行超視距電力線巡檢。在丹麥，由Heliscope公司和專業(yè)檢測公司Scopito開展的類似超視距活動(dòng)正等待批準(zhǔn)。在瑞士，2017年2月，民用無人機(jī)制造商SenseFly首次獲得在瑞士全國范圍內(nèi)“任何時(shí)間”超視距飛行其eBee測繪無人機(jī)的許可，雖要求有觀察員，但無需事先劃定危險(xiǎn)區(qū)域。2017年4月，瑞士郵政在盧加諾市（Lugano）各醫(yī)院之間進(jìn)行了經(jīng)批準(zhǔn)的無人機(jī)超視距物資投遞試驗(yàn)。在以色列，2017年3月，無人機(jī)全自動(dòng)平臺(tái)初創(chuàng)企業(yè)空中機(jī)器人（Airobotics）獲批在以色列的英特爾化工廠上空進(jìn)行全自動(dòng)無人機(jī)的超視距飛行，不需要有執(zhí)照的飛行員。

2 017年2月，美國電力動(dòng)力公司Transpower在新澤西州完成了首次超視距飛行，檢查瑞姆塔卡（Rimutaka）測試場山脈上的傳輸線和信號(hào)塔。Transpower公司使用了直升機(jī)加視距內(nèi)無人機(jī)的組合來完成檢查。2017年3月，澳大利亞的垂直起降航宇公司（V-TOL Aerospace）在布里斯班開展了多架無人機(jī)的晝夜超視距試飛，試驗(yàn)由無人機(jī)交通管理（UTM）系統(tǒng)支持，使用蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)來持續(xù)監(jiān)控?zé)o人機(jī)。

在美國，作為FAA“探路者”項(xiàng)目的另一個(gè)成果，土地勘測無人機(jī)初創(chuàng)企業(yè)精密鷹（Precision Hawk）在2016年8月獲批在人煙稀少地區(qū)進(jìn)行擴(kuò)大視距（EVLOS）無人機(jī)操作。擴(kuò)大視距操作也屬于超視距的范疇，在擴(kuò)大視距操作中，無人機(jī)不在操作員視線之內(nèi)，但操作員能查看和掃描無人機(jī)活動(dòng)的空域，從而探測到闖入的有人機(jī)。擴(kuò)大視距的技術(shù)實(shí)現(xiàn)是以“探路者”項(xiàng)目數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，相比無飛行員時(shí)的探測距離1.6～3.2km，訓(xùn)練有素的飛行員能在更大距離上探測和規(guī)避飛機(jī)，最大探測距離可達(dá)24km。

預(yù)期將出臺(tái)法規(guī)

FAA預(yù)期今年內(nèi)提出擴(kuò)大無人機(jī)操作范圍的法規(guī)，包括擴(kuò)大視距操作和有限的超視距操作。不過，關(guān)于允許無人機(jī)在人群上空飛行的法規(guī)因執(zhí)法方面的顧慮而延后，因此，關(guān)于無人機(jī)遙控識(shí)別的新法規(guī)將先于擴(kuò)大視距操作范圍法規(guī)發(fā)布。另外，特朗普政府暫緩新法規(guī)的舉動(dòng)也使得所有的法規(guī)處于未定的狀態(tài)。

如果超視距的發(fā)展趨勢可以肯定為漸進(jìn)式，那么目前暫未批準(zhǔn)的理由應(yīng)是出于安全性方面的考慮。紐約德同（Dentons）律師事務(wù)所主任、FAA無人機(jī)綜合辦公室前任經(jīng)理吉姆？威廉斯認(rèn)為，視距內(nèi)操作是美國空中交通系統(tǒng)得以構(gòu)建的基礎(chǔ)，該規(guī)則最本質(zhì)的要求是，飛行員必須保持對(duì)發(fā)現(xiàn)和規(guī)避其他飛機(jī)的警惕。從這一定義上看，所有超視距飛行的無人機(jī)都不滿足該規(guī)則。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)——數(shù)據(jù)鏈

超視距的建立基礎(chǔ)是可靠的指揮與控制（C2）數(shù)據(jù)鏈路?！懊乐薇睙o人機(jī)試驗(yàn)由利加多網(wǎng)絡(luò)（Ligado Networks）公司主導(dǎo)，該公司前身是無線運(yùn)營商Lightsquared，主要從事衛(wèi)星-陸基混合通信網(wǎng)絡(luò)。超視距測試由隸屬中大西洋航空合作組織（MAAP）成員的弗吉尼亞理工大學(xué)在其測試場進(jìn)行，弗吉尼亞理工大學(xué)同時(shí)也是由FAA選定的六大無人機(jī)測試組織之一。測試使用的是由利加多網(wǎng)絡(luò)公司認(rèn)證的L波段衛(wèi)通（1.6GHz）和地面頻率（1670～1675MHz）以及未認(rèn)證的2.4GHz無線頻譜。

利加多網(wǎng)絡(luò)公司首席技術(shù)官塔瑪拉？凱西（Tamara Casey）稱，在結(jié)合了地面鏈路和衛(wèi)星鏈路后，超視距無人機(jī)將展示出高能力、高可用性、高可靠性和安全性。使用高增益的定向天線后，無線鏈路可連接到10km處的無人機(jī)，另外，當(dāng)使用1670～1675MHz波段時(shí)，距離可增至23nm，即空中走廊全長。為了保持衛(wèi)星的連通性，可通過安裝在“美洲豹”無人機(jī)機(jī)身頂部的小型衛(wèi)星通信（ViaSat）終端來持續(xù)維護(hù)。

衛(wèi)星用于C2和關(guān)鍵遙測，同時(shí)地面鏈路能支持C2和高帶寬載荷數(shù)據(jù)。對(duì)于商用超視距操作，利加多網(wǎng)絡(luò)公司向聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)修改了L波段頻譜的40MHz段，該段是基站和移動(dòng)終端所用。1670～1675MHz被批準(zhǔn)為地面使用，但需要FCC對(duì)試驗(yàn)的“特別臨時(shí)授權(quán)”。

這次試驗(yàn)并非最終結(jié)果，F(xiàn)AA還在尋找超視距的C2數(shù)據(jù)鏈路、關(guān)鍵遙測和定位數(shù)據(jù)鏈，以期達(dá)到最低99.95%的可靠性，但這還取決于空域的擁擠程度，F(xiàn)AA希望能達(dá)到更高水平，對(duì)陸基-衛(wèi)星的混合通信結(jié)構(gòu)較為看好。為了迎合FAA需求，利加多網(wǎng)絡(luò)公司正在研究多種高安全度的、可靠可用的數(shù)據(jù)鏈。

探測與規(guī)避能力（DAA）

常規(guī)超視距操作的另一個(gè)基礎(chǔ)需求是探測與規(guī)避（DAA）能力，可能首先是地基的，以降低對(duì)追逐機(jī)和對(duì)目視觀察者的要求。在這點(diǎn)上，F(xiàn)AA指定的試驗(yàn)場地正在建設(shè)相關(guān)設(shè)施，初步擬作為研究活動(dòng)的支撐，但最終將用于實(shí)際操作。

利用紐約州政府資助的2億5千萬美元，東北UAS空域集成研究聯(lián)盟計(jì)劃從2018年開始，在格里菲斯（Griffiss）國際機(jī)場無人機(jī)測試場和紐約州附近的雪城市（Syracuse）之間設(shè)立一個(gè)80km的空中走廊。該計(jì)劃將結(jié)合初級(jí)雷達(dá)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）和廣域多點(diǎn)定位來實(shí)現(xiàn)超視距操作。

雷達(dá)開發(fā)商貴豐傳感器公司（Gryphon Sensors）戰(zhàn)略和商業(yè)開發(fā)部主任介紹，該空中走廊將用來驗(yàn)證大尺寸UTM系統(tǒng)的性能，采用由美國宇航局（NASA）和FAA共同開發(fā)的技術(shù)。貴豐傳感器公司主導(dǎo)了該項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)階段。

位于北達(dá)科他州的北部平原無人機(jī)測試場正采用基于高度的雙管齊下的方式。飛行高度更高的大型無人機(jī)的地基DAA將使用來自大?？怂箍哲娀氐腄ASR-11數(shù)字式進(jìn)場雷達(dá)數(shù)據(jù)。這將使超視距操作延伸到該基地西北111km外的空域區(qū)域。飛行試驗(yàn)預(yù)定在2017年6～7月間進(jìn)行，另一方面，機(jī)載DAA系統(tǒng)的廠商試驗(yàn)有可能更早地在該空域進(jìn)行。

為便于小型無人機(jī)在914m以下進(jìn)行超視距操作，哈里斯（Harris）通信公司和北達(dá)科他州大學(xué)合作，經(jīng)允許在試驗(yàn)場地部署了ADS-B地面站網(wǎng)絡(luò)。目前覆蓋大福克斯-法戈走廊，將擴(kuò)大到北達(dá)科他州全境，最終試驗(yàn)預(yù)計(jì)覆蓋整個(gè)美國，在2017年年底開展并持續(xù)到2019年。

最終將需要機(jī)載DAA，但要對(duì)“充分暢通”給出定量化的定義，即無人機(jī)與有人空中交通必須保持多大的距離。大型無人機(jī)對(duì)此（超過25kg）已有定義，11月，多機(jī)構(gòu)無人機(jī)執(zhí)行委員會(huì)科學(xué)與研究小組推薦了小型無人機(jī)“充分暢通”的一種定義：無人機(jī)周圍水平方向610m乘以垂直方向76m的“冰球型”空域。若認(rèn)可，則可制定小型無人機(jī)DAA的規(guī)范和規(guī)則。

結(jié)束語

技術(shù)層面已萬事俱備，但經(jīng)濟(jì)層面仍有缺失。超視距操作最大的障礙在于商業(yè)交易的不確定性，沒有一架無人機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證并給出價(jià)格，客戶也無從知曉購買和操作可能需要的費(fèi)用。但另一方面，市場上未出現(xiàn)驗(yàn)證后的無人機(jī)的原因在于，沒有客戶主動(dòng)向制造商討價(jià)還價(jià)，因?yàn)榭蛻舨⒉涣私鈨r(jià)格點(diǎn)。

造成這一難題無解的原因在于，未找到一個(gè)機(jī)載DAA及能夠驗(yàn)證的通信鏈路。不過這些問題正在得到解決，“美洲豹”無人機(jī)即將得到FAA類型的驗(yàn)證，它的價(jià)格是否能滿足操作員的需求還要拭目以待，但無人機(jī)超視距操作開始接近市場門限，有望在數(shù)年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

（李悅霖 薛槐敏，中國航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所）