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设备与工具4. 无人机面临的挑战
4.1 运行方面
空中交通管制中的最大挑战是，大多数低空运行的小型无人机都没有配备可提供精确位置的应答器，因此无法获取无人机位置信息。主要监视雷达无法检测到小型无人飞行器，遥控飞行系统的检测困难问题将导致巨大的飞行安全风险。从空中交通管制的角度来看，管制员基本不肯可能干预无人机飞行，因为在大多数情况下不具备干预条件。尽管如此，管制员按照需求迅速实施修改航线等干预措施，也可能导致危险事件。
从空中交通管制的角度来看，最严重的问题是两架飞行器发生碰撞。如果在空中发生碰撞，并且两架飞行器的速度或质量相当将会非常危险。为了避免这种情况，需要一种能够保证将无人机集成到空域中的解决方案。为了实现这一目标，空中交通管理行业中出现了一个新的领域——无人机交通管理。无人机交通管理与当前现有的空中交通管理类似，涵盖了空域管理、飞行规划等与航空直接或间接相关的领域。随着无人机数量的增加，一个高度异构的用户群体正在形成，包括业余爱好者以及专业用户。无人机交通管理系统应该为各种无人机（从低空到高空）用户群体的出现做好准备。
4.2 经济方面
无论从已售出的无人机数量还是从行业投资方面都可以看出遥控飞行系统市场在全球范围内正在不断扩大。根据单一欧洲天空空中交通管理研究计划联合执行体（SESAR JU）的调查，近年来，欧洲的无人机销售量每年翻一倍。截至2016年底，使用中的无人机大约有100-150万架。商业活动使用的无人机大约有1万架，其余的无人机则用于娱乐活动。
根据SESAR联合执行体的预测，到2035年，无人飞行器的年销售额将达到100亿欧元，到2050年将达到150亿欧元。其中大部分是政府和商业订单。
美国联邦航空局对这一主题进行了研究和趋势分析。从2015年12月到2016年底，个人非商业用户注册了62.6万架小型无人飞行器，但是估计小型无人飞行器的实际数量大约是这个数字的两倍。即使根据保守的估计，到2021年，小型无人飞行器的数量也将增加三倍以上（355万架）。
关于无人机商业用途的数量，仍处于初步发展阶段。根据预测，未来几年这些应用将加速发展。根据最保守的估计，到2021年，市场规模可能会是2016年的五倍，甚至很有可能会增长十倍甚至四十倍。最典型的商业活动包括航空摄影、房地产测量；建筑工地检查、工业设施和公用事业；农业观测。到2021年，注册的无人机飞行员数量将增加20倍（参加在线培训并填写知识水平调查）。
在2016年就有数百家公司开展了与无人机系统相关的活动，包括设备的开发、商业活动和保险。仅在美国，就有600家公司致力于开发各种可商用的遥控飞行系统。
此外，这一预测并不包括包裹投递飞行，因为对于这些活动，尚无任何法规可以执行。这些飞行通常是特殊运行，无人机不在飞行员的视距范围内（超视距飞行），并且自动执行飞行。当此类飞行的法律和技术条件实现时，无人机执行的任务的数量将增加数百万次。
5. 技术解决方案
5.1 监视
空中交通管制和飞行情报服务单位必须注意所有飞行器。一次和二次雷达可以检测到常规飞行器，因为这些飞行器的质量、大小、构造材料和仪表能够提供协同或灵敏的信号。
民用遥控飞行系统无法通过空中交通管制中使用的二次监视雷达进行检测和识别，因为几十厘米的小型飞行器的大小小于雷达的分辨率，塑料、复合材料等构造材料无法反射信号。雷达可以探测到较大型的飞行器（超过20至30千克），因为这些飞行器具有较大的反射面。
另一个监视方面的问题是缺少必需的应答器，并且这些飞行器在低空空域（距地面仅几十米，最高不超过200米）飞行，一次雷达和二次雷达等常规监视雷达均无法检测，地形也会影响雷达信号的传播。
当前，有很多可以检测到小型飞行器的解决方案，但它们完全独立于空中交通管理系统，必须将这些解决方案集成到空中交通管理中，才能提供可用的监视数据。目前可用的技术如下：
监视并分析遥控飞行系统的管制频率。
Spotter射频公司的环形监视雷达。
全息雷达。
调频连续波（FMCW）雷达无线电检测和测距。
将雷达与成像处理系统相结合，能够通过光学传感器显示主要目标。
声音传感器：每架无人机旋翼都具有特征，可以对其进行检测，并且系统可以根据噪声识别无人机的类型。
由于技术解决方案的局限性，与常规飞行器相比，遥控飞行系统的识别需要更大型、更具扩展性的基础设施网络。
5.2 飞行报告与飞行规划
目前并没有强制要求无人机提交与飞行任务有关的飞行规划（空域请求）。
因此，空中交通管制服务无法掌握受任务影响地区的任何空间和时间信息。
部分当前可用的遥控飞行系统解决方案（任务规划与报告应用程序）可以处理任务规划相关数据，并为用户/操作人员提供航空信息服务，但是由于这些解决方案独立于空中交通管理系统，数据不适用于空中交通管制服务。此外，监视解决方案的使用取决于操作人员使用的任务管制系统，而该系统受遥控飞行系统的管制方式以及制造商所使用的管制平台影响。任务支持系统与航空信息服务提供商不相关，因此不能保证数据的可靠性。
5.3 无人机识别
空中交通管制提供商使用的飞行数据处理系统可以根据飞行规划和监视数据的分配明确地识别空域中的无人机。因此，空中交通管制员必须获得无人机及其任务的所有必要数据。
由于监视解决方案的局限性（无论是一级还是二级雷达）以及飞行规划的缺失，无法提供无人机的飞行信息，从而无法分配无人机飞行航路。当前的监视系统仅能识别无人机的类型。
5.4 安全与保障
从航空安全的角度来看，最重要的是避免无人机与其他空域用户发生冲突和碰撞。根据目前的开发水平，配备不同仪表的无人机可能无法检测到所有其他飞行器，而且部分飞行器没有配备防撞系统，无法通过提前制定的飞行规则来修改飞行路径以避免冲突。
另一个重要问题是管制信号丢失或在运行过程中出现技术故障时应采取的方案。目前没有统一的解决方案，所使用的程序取决于遥控飞行系统制造商。飞行安全还与适航要求的严格程度相关。根据规定来定义基本的结构与运行要求，以确保安全运行。
从安全保障的角度来看，由于恐怖主义的不断涌现，必须对无人机的传播进行严格调查。由于无人机检测的困难性，恐怖分子显然会利用无人机作为连通手段。在安全保障方面，以下问题尚未得到解决：
持续监视遥测数据；
分析数据传输协议和数据内容；
禁止分散管制的赛博安全解决方案；
接管无人机的管制权；
防止无人机进入特殊空域（例如受限或禁入空域）；
识别无人机所运输的货物；
拦截无人机：接管无人机的管制、停用、清除权力。
5.5 数据传输与通信
无人机通信的方式与常规飞行器不同，因为给定任务相关的数据内容存在差异，无人机通信的数据量更大。应该采用特殊的通信信道，既可以实时满足新需求，而又能提供足够的宽带，避免延迟（必须上传管制数据，遥感勘测情况必须发送回地面卫星接收站）。对于近程任务，远程站点附近的WiFi及类似的低性能通信方式是有效的。而对于远程任务，应采用第三代和第四代移动数据传输解决方案等特殊的通信方法，不受信号传播障碍的干扰，满足实际需求。但在将来，当连接到万维网（物联网）的设备数量增加时，4G将无法提供所需精度。目前处于研发阶段的5G通信解决方案能够满足这些高负载需求。为了避免冲突并提高无人机蜂群飞行的能力，无人机之间的通信问题也应得到解决。
6. 支持无人机交通管理的系统之系统
无人机交通管理系统可以为上述挑战提供突破性的解决方案。无人机数量的增加这一事实证明了特定管理系统存在的必要性。包括飞行与空中交通信息系统等已规划的解决方案必须具有多个信息管理功能，可支持完成相关飞行任务，以便有效管理总体航空交通（常规飞机和无人机）。无人机交通管理解决方案可能会通过提供新的信息管理运行系统来提高效率。无人机交通管理基于用户及其系统的协同，可定义为一种系统之系统（SoS），目的是保持无人机与常规空域用户之间的必要间隔，此外，还需要保持超低空（VLL）空域中的交通秩序。
图1 无人机交通管理系统之系统的简化结构模型
技术基础设施元素：提供无人机交通管理功能可访问性的各种组件
通信基础设施（COM）
导航基础设施（NAV）
监视基础架构（SUR）
航空信息服务基础设施（AIS）
气象基础设施（MET）
空中交通管理系统之间的连接
运行支持系统：人机界面组件
无人机系统（UAS/RPAS）
用户和无人机数据的记录系统（REG）
无人机交通管理系统（UTM）
管理局/国家信息系统（AUTH）
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