1.2　無人機發展中的熱點問題

（1）無人機飛行管理

無人機行業在我國處于起步階段，行業標準和監管規范均處于空白狀態。雖然對于民用無人機管理，2009年以來有關部門就陸續出臺過《民用無人機空中交通管理規定》《民用無人機適航管理工作會議紀要》等規定，針對景區無人機管控的規定有如《黃山風景名勝區關于加強“低慢小”航空器飛行管理的通告》等，但無人機“黑飛”亂象卻有增無減。無人機“黑飛”是指一些沒有取得私人飛行駕照或飛機沒有取得合法身份的飛行，由于處于法外之地，“黑飛”無人機存在極大的安全隱患。且公共安全威脅刻不容緩，景區無人機管控問題迫在眉睫。

① 無人機飛行空域。依據《中華人民共和國飛行基本規則》規定，中國人民解放軍空軍負責全國的飛行管制。在此原則下，各地的飛行審批權落在相應的飛行實施地所在的部隊身上。故無人機空域申請有相應的要求。審批所需材料包括公司營業執照、航空適航資質、人員執照、任務委托書、任務申請書。如任務性質涉及外國航空器或外國人使用我國航空器，則需有原總參謀部的批準文件。航空攝影、遙感、物探需大軍區以上機關批準文件；體育類飛行器需地市級以上體育部門許可證明；大型群眾性、空中廣告宣傳活動需當地公安機關許可證明；無人機駕駛系留氣球需地市級以上氣象部門許可證明。任務申請書的內容包括飛行單位、航空器型號（性能參數）、架次、航空器注冊地、呼號、機長（飛行員）、機組人員國籍、主要登機人員名單、任務性質、作業時間、作業范圍、起降機場、空域進出點、預計飛行開始和結束時間、機載監視設備類型、聯系人、聯系方式等。

② 無人機飛行管理規則。無人機飛行管理主要包括以下4方面內容。

a．在基于空域管理和航路網規劃時設定安全邊界和間隔，可以認為是在飛行區域和飛行航路上進行事先的限制。這里還包括動態設置禁飛區隔離空域中的無人機等。

b．評估和審批飛行計劃，調整起飛授權放飛時間和降落授權。在計劃申報階段，通過與飛行計劃申報相結合，預估未來較長一段時間內的空域容量，對飛行計劃進行審批和授權，即飛行計劃容量控制。另外，在起飛階段(考慮機場與航路)，通過計算當前運行容量，對放飛申請進行授權，即起飛授權容量控制。飛行計劃包括無人機的飛行航線，可以是人為設定的，也可以是起飛前航線進行自動規劃。除此之外，還包括在降落階段(考慮機場容量)，對降落申請進行授權。

c．流量管理。動態航線規劃和飛行速度控制，使空中無人機之間保持一定的安全間隔。在運行階段，結合多種異常情況，包括交通管制、異常天氣、障礙物等產生的實時沖突，或者根據航路和機場的運行容量，進而觸發流量管理。這個時候沖突預計發生的時間較長(比如分鐘級別)，通過動態航線規劃和飛行速度控制修正來消除沖突。

d．碰撞避讓控制。調整飛行速度和飛行方向進行障礙(危險物)避讓。低空交通管理的復雜程度遠遠超過高空，并且低空管理面臨環境變化更頻繁、考慮因素更多的問題。

（2）無人機的機翼設計問題

早期無人機機翼的設計就是一個大直板，而現在我們看到的飛機機翼在末端都是豎起來的，有的甚至有很好看的造型，這些設計只是為了飛機外觀上漂亮一些嗎？這些設計叫作翼梢小翼，它里面可包含了大學問。飛機的平直機翼，機翼的下表面氣流由于高壓而會流向上表面，在翼尖產生較大的旋渦，當飛機飛行速度增加時，旋渦的強度也會隨之增加。這種旋渦的能量很大，會增加飛機的阻力和燃油消耗。大家都知道航空燃油是非常昂貴的。因此人們開始研究解決這個渦流的問題。早期的翼梢概念是由19世紀初一位英國空氣動力學家構想的，但是真正將其與飛機聯系在一起的則是NASA（美國國家航空航天局）的Richard Whitcomb博士。在20世紀70年代末期，NASA在一家KC-135飛機上安裝了翼梢小翼進行試驗，得到的結果是最大飛行高度增加了3.4%，升力系數增大了4.88%，巡航狀態升阻比提高了7.8%，航程增加了7.5%。這充分說明了翼梢小翼的設計是有價值的。不過在短程的航線上，翼梢小翼的作用就不夠明顯了，因為它會給飛機帶來額外的重量，這些重量導致的燃油消耗不能夠抵消減少阻力而節油的量。

（3）無人機動力技術

無人機動力技術至關重要。續航能力是目前制約無人機發展的重大障礙，消費級多旋翼續航時間基本在20min左右，用戶外出飛行不得不攜帶多塊電池備用，造成使用作業的極大不便。無人機必須在動力方面實現突破才能走上新的革命性高度。

① 新型電池。人們對新的電池技術有著十分迫切的需求。2015年來自加拿大蒙特利爾的EnergyOr技術有限公司報道采用燃料電池的四旋翼無人機進行了3小時43分鐘續航飛行。據報道石墨烯、鋁空氣電池、納米電池這三項電池技術有望成為未來電池領域的希望，它們首先會被應用到手機和電動汽車領域，隨后可用于無人機領域。

② 地面供電。采用地面供電的系留多旋翼無人機，通過電纜將電能源源不斷輸送給多旋翼，可以極大提升其滯空時間。比如以色列公司的Skysapience旋翼。

③ 無線充電。無線充電技術已經在手機、電動牙刷等電子產品上實現市場化，并正在電動汽車領域開展深入應用。來自德國柏林的初創公司SkySense在無人機戶外充電方面提供了一種解決方案，即研發出了一塊可以為無人機進行無線充電的平板。SkySense的最大特點是可以進行遠程控制，無人機的降落—充電—起飛全過程可以獨立實現，不需要有人在現場進行干預和輔助。如果充電時間更快，那么無線充電技術將會極大地幫助多旋翼無人機進行長途飛行。

④ 混合動力無人機，是一種新型雙動力無人機。其動力系統由電驅動（太陽能或蓄電池）和常規發動機（噴氣或螺旋槳發動機）兩種動力系統構成，以實現良好的起飛、爬升性能和靜音、超長航時的結合。美國已經著手研發混合動力無人機。美國Bye航宇公司正致力于為國際航宇和防務市場提供各種可用于改進飛機設計的清潔能源解決方案，該公司目前正計劃推出一種名為“沉默監護者”(Silent Guardian)的混合動力無人機。這種無人機通過采用非常先進的太陽能光伏薄膜和蓄電池為機上的電動推進裝置提供能源，使其具備超長續航力、靜音飛行和低排放等優異性能

（4）無人機探測系統

無人機探測系統主要分為雷達探測系統、光電探測系統、無線電探測系統。雷達探測系統目前有兩坐標雷達、三坐標雷達、X波段雷達、多普勒雷達、3km雷達、5km雷達、面陣雷達等應用于反無人機行業；光電探測雷達包含了跟蹤識別系統，細分主要有激光探測系統、紅外光探測系統、可見光探測系統、光電追蹤定位識別系統、全景智能監測、3km光電識別、2km光電識別、1km光電識別；無線電探測系統主要是對無人機進行監測，分別有無線電多點定位、大型無線電監測、中型無線電監測、非法頻段監測、智能無線電監測；控制管理中心系統主要是可遠程操控反無人機防御系統，分別由安全防范系統、中心控制系統、電子圍欄系統、黑白名單系統、錄取跟蹤系統、光電跟蹤系統組成。

無人機探測系統的功能特點包括高效率管控，基站采用定向天線方式，采用波束賦型原理，有效利用電磁波能量，在無用方向的輻射小，提高能量的利用效率；低輻射干擾，波束賦型帶來的主要好處是處于防御區域內的電磁輻射顯著降低，不對人員及其他設備產生有害輻射及干擾；高可靠性，基站設備采用完全一體化防水設計，戶外全天候使用，主動或被動結合的散熱措施，在各種嚴酷環境下可以保持高可靠性。基站具備完善的過溫、過壓、防雷保護功能，同時集中監控系統可以實時監控基站參數，故障報警功能完善，對有故障的基站可以及時發現、處理；適應不規則地形，尤其是對于各種彎曲、狹長、零散的防御區域，分布式系統具有更高的效率和更低的額外影響。

（5）無人機的回收

無人機回收方式較少，目前主要著眼于緩沖吸能目標上，有撞網回收、傘降回收、著陸滑跑回收、垂直降落回收、中空回收和氣墊回收等方式。以下介紹三種主要回收方式。

① 撞網回收。主要由攔截網、吸收能量裝置和引導設備構成。攔截網承擔吸能緩沖的任務，用來吸收無人機撞網后來回擺動的能量，防止觸網后彈跳不停，以致損傷。自動引導裝置是網后面的移動攝像頭，時刻捕捉無人機返航后，進入回收空域，隨時報告無人機的相對回收裝置的三維坐標。但是，該攔截也存在一些劣勢。當無人機返航時，需要有操作人員時刻關注監視器的狀況，根據無人機的實時位置，調整無人機的飛行姿態，修正無人機飛行路線，對準地面攝像機的瞄準線，飛向攔截網。同時，無人機的降落速度、重量和載荷也要考慮，以免損壞攔截網。

② 傘降回收。傘降回收方式是無人機在回收降落的時候，機身在降落傘的牽扯作用下，機身反轉180°，機體腹部朝上背部朝下，機背的著陸氣包在碰地的時候充氣撞擊地面，起到緩沖的作用，從而保護了內部的各種儀器（英國的“小鷹”使用傘降回收方式進行著陸）。該系統還是存在很多不足之處，主要是回收的精度達不到預期的要求，飛機著陸姿態不當或速度過大，會導致機體部件或任務負載損毀。

③ 著陸滑跑回收。在著陸滑跑回收當中，起落架滑輪著陸的回收方式與有人機類同。不同之處是，無人機的著陸回收方式有特有的優勢。固定翼無人機對跑道要求相對有人機更寬松。有些無人機回收架允許損壞，另外，為了縮短著陸滑跑距離，會對無人機進行設置攔阻索攔截。例如在機尾安裝鉤狀結構，著陸時勾住攔阻索，實現無人機降落。

（6）無人機圖傳技術

目前無人機圖傳的主流技術主要是以下3個。

① OFDM技術。目前無人機上使用最廣的傳輸技術是為OFDM，是多載波調制的一種，該技術更適合于高速數據的傳輸。OFDM有很多優勢，比如：在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據、能夠對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾等等。但是，OFDM也有3個缺點，即載波頻率偏移、對相位噪聲和載波頻偏十分敏感、峰均比比較高。

② COFDM技術。COFDM即編碼的OFDM，在進行OFDM調制之前增加一些信道編碼（主要是增加糾錯和交織），來提高系統的可靠性。COFDM與OFDM的區別就是：在做正交調制前增加糾錯編碼和保護間隔，使信號更有效地傳輸。OFDM主要應用在LTE（4G）、WIFI等應用系統上。COFDM目前應用最廣泛的是在DVB（數字視頻廣播），有DVB-T、DVB-S、DVB-C等等，其在歐洲、東南亞、南美等地都有廣泛應用。

③ WIFI技術。除了OFDM之外，很多廠家也在使用WIFI技術。WIFI傳輸是具有高性價比的無人機圖傳技術，但是因為WIFI在技術上有很多限定、不可修改，并且很多廠家都是拿來方案直接搭建，所以其缺點也十分突出：比如芯片設計成什么格式就是什么格式的，無法修改，技術比較固化；干擾管理策略實時性不強；信道利用率比較低等等。另外WIFI傳輸還有跟物理層的銜接不緊密的缺點，導致反應不迅速，傳輸時延較大，最多有秒級的時延。須知，WIFI技術的發明，從來就不是為了應用到“空對地”的圖像傳輸應用場景中的。因此，其與生俱來的缺陷使得無人機 WIFI圖傳的距離和延時問題成為硬傷，并且無法解決。WIFI圖傳方案的廉價性，是因為PC端市場的巨大需求，給芯片制造商帶來了規模效應，從而降低了生產成本。但是，這個烙印在芯片身上的握手通信機制并不能完全滿足無人機圖傳技術的需求。

（7）5G技術與無人機

隨著5G網絡、邊緣計算、網絡切片等技術的發展與成熟，無人機在安防巡檢 、物流、測繪、農業等領域的應用前景廣闊。

天翼無人機使能平臺具備多廠商、多機型的無人機接入服務、全可視化飛行控制服務；提供低延時、高帶寬中國電信5G實時通信服務、安全可靠的天翼云數據存儲服務；提供衛星遙感和GIS地圖服務；平臺匯聚了人臉識別、交通取證、設備缺陷識別、火情預警、多光譜分析、河道水面漂浮物檢測、施工進度留影等成熟的AI能力，可以直接在行業場景應用。

基于天翼無人機使能平臺，中國電信推出了智慧警務、智慧水利、智慧農業、智慧工地、智慧城市、光網巡檢、電力設備巡檢、市容巡查、交通巡查、河湖巡檢、城市規劃、城區違建、應急指揮、媒體直播、物流配送等十幾個行業的無人機應用及解決方案。

（8）水下無人機

水下無人機是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業任務的裝置。目前，水下無人機在關鍵技術上不斷取得新的進步，拍攝能力、下潛能力以及續航能力都持續增強，在水下搜救、海洋環保、科研考古、海底勘測、水下攝影、潛水娛樂、船舶檢修、漁業養殖等諸多領域實現了愈加廣泛的應用。

水下無人機可分為三大類：第一類是有纜水下無人機，習慣稱拖曳式水下無人機；第二類是遙控潛器；第三類是無纜水下無人機，習慣稱為自治式水下潛器。相對于航拍領域眾多的品牌及種類，水下無人機的產品沒那么繁多，因為水下無人機的研發比航拍無人機難太多！鑒于水下可視性遠低于空中、水下阻力高于空氣阻力，以及海水對于電磁波的衰減作用，水下無人機有不少技術難點。其核心難題包括無人機本體所需的各種材料及技術問題；水下無人機控制問題。

水下無人機是在水中運動的具有六個自由度的剛體，其本身就是一個強耦合的非線性系統；由于在水中運動，水動力（阻力）系數和運動速度的平方成比例；采用螺旋槳推進，推力和螺旋槳轉速平方成正比。這一切使得控制問題變得很困難，特別是要求在定點進行作業時，上述原因造成在零速時的“零增益、零阻尼”現象，使得動力定位控制系統的剛度很難滿足定點作業的要求。這是一個有待研究的問題。

（9）無人機導航技術

無人機準確地知道自己“在哪兒”“去哪兒”，是在無人機的任何發展階段都是繞不開的問題。

定位技術主要有以下3種。第一種是GPS載波相位定位，目前正在這方面開展研究的項目有SwiftNavigaTIon公司開發的Piksi、日本東京海洋大學開發的RTKLIB開源項目。第二種是多信息源定位，英國軍方BAE最近公布了他們研發的名為NAVSOP的定位技術，該技術將利用包括電視機、收音機、WIFI等等信息定位彌補GPS的不足。第三種是UWB（超寬帶）無線定位。

測速技術中目前公認的比較精確的測速方案是通過“視覺（光流）+超聲波+慣導”的融合。AR.Drone是最早采用該項技術的多旋翼飛行器，極大提升了飛行器的可操控性，獲得了巨大的成功。PX4自駕儀開源項目提供了開源的光流傳感器PX4Flow。該傳感器可以幫助多旋翼在無GPS情況下精確懸停。大疆公司推出的“悟”和“Phantom3”“Phantom4”同樣采用了該項技術。