技術革新推動產業前進 UAV發展須兼顧相關法令

作者: 林智毅
2017 年 08 月 17 日

史上最早的UAV是做為靶機用途(見圖1),為1916年「無線電導引系統之父」A.M. Low所研發之Aerial Target。待1940年代中期,德國開始研地對地攻擊火箭–發復仇兵器1號(Vergeltungswaffen 1, V-1),其外形類似飛機、無駕駛員乘坐空間,導引系統是以陀螺儀控制的自動飛行系統,為二戰時著名無人機計畫。

圖1 無人靶機示意圖

戰後,UAV出現數種發展路線–以退役飛機改裝為特殊研究或靶機使用;以專門設計之小型無人飛機擔任特殊偵查或實驗任務;第三種則以小型無人飛機取代大型飛機的任務。伴隨電子技術進步、地理定位系統(GPS)發展,UAV在擔任偵查任務的角色上開始展露靈活性與重要性。

越戰期間,美國就曾經使用大量的UAV對高價值或者是防禦嚴密的目標進行偵查工作,如此一來可以減少人員的傷亡。待1982年,以色列在「加利利和平行動中」搭配了UAV以及電子作戰手段,不但摧毀嚴密佈署的敘利亞防空飛彈陣地,還在空戰中擊落87架敵機而無任何損失,成效之顯著震驚全球。此役之後,美軍積極投入UAV研究,而在21世紀的幾個衝突中大規模使用並獲良好成效,連帶促成此技術的蓬勃發展。

UAV定義與種類

UAV乃是指向藉由遙控或者自動駕駛技術,進行科學觀測及偵查等任務的飛行載具。與傳統飛機相比較,具有操作成本低、運用彈性大及支援裝備少等特性。最初的軍事應用之外,其應用範圍也與時俱增、越來越多元(表1)。

UAV大致上可以分為下列幾種:小型UAV(small-UAVs)或迷你UAV(mini-UAVs),包含可負載5公斤以下、於低高度飛行5公里距離的近距離UAV,及飛行距離增加至20公里的短距離UAV;此外,尚有微型UAV(Micro Aerial Vehicle- MAV)指翼展0.5公尺以下,飛行距離至多2公里;而戰術UAV則至少具有20小時的飛行時間,視乎任務而訂,升限至少達到5,486.4公尺。

若依機翼型態,又可分為以下類型:

定翼式

較傳統構型的型態,搭配GPS地理定位系統、飛行動力系統、酬載系統、飛行控制系統等,除做軍事偵測用途,還能用在大地測量、動植物生態辨識、影像辨識、大氣資訊等多方面運用,已是較穩定的無人飛機系統。

單軸旋翼式

型態類似直升機。以工程介面而言,由於控制軸向比定翼機多,加上旋翼旋轉引發之機體震動容易影響感測器判別,使得飛行控制器無法精準操控,對一般民眾而言門檻相對較高。

多軸旋翼式

操作簡單、容易上手且入手價格低廉,近年來相當火紅。其控制方式是透過雙數馬達(4.6.8旋翼),以正逆旋轉抵銷馬達運轉之反扭力,再由飛行控制電腦、內建陀螺儀隨時調整飛行姿態;加上具備GPS技術,操作者不用時時刻刻擔心其失去控制。此外,大部分多軸旋翼機具一鍵返航的功能,縱使迷失方向也能自動飛回操作者所在地,因而廣受好評,為目前主要消費型UAV種類。

定旋翼混合式

結合定翼式與多旋翼式特質,參見圖2。此類UAV問世前,定翼機礙於環境限制,必須要有跑道才能起飛;相形之下,旋翼機雖可垂直起降、不受環境限制,續航力卻因馬達較多而相對較差,為此,定旋翼混合型式因應而生。起飛時,螺旋槳向上可將載具垂直起降,到達指令高度時再轉換成定翼模式,如此一來便可兼顧兩者之長。

圖2 定旋翼混合式UAV–SkyPro M6

商業型無人飛機融合以下幾項技術:

1.人工智慧技術:達到自主飛行以及更多智慧化、自動化提供人們參考飛行過程中會發生的事。

2.感測技術:包括壓力計、紅外線感測器、加速計、陀螺儀等,便於飛行控制器有更精準的飛行控制。

3.電源供應技術:現今電池容量更大、重量更輕,以達到更長的飛行時間。

4.GPS技術:使得無人飛機能更精準飛行並更加容易操作。

UAV商機起飛 相關立法積極跟上

伴隨UAV發展普及化,人手一台UAV的時代即將來臨,勢必在都會區或機場周圍空中的交通造成很大的威脅。因此,近年來各國開始擬訂無人飛機的適航法規,以做因應。

美國

低空空域是開放給私人飛機,所以3,000米以下的區域中的通用航空非常繁榮,UAV隨時有可能與小型有人飛機衝突。在美國,全國範圍的UAV管理規則理論上由聯邦航空管理局(FAA)制定,但各個州可以有相關的法律法規。大致上,小型UAV重量不得超過25公斤,限速每小時160公里,飛行高度須低於122公尺;UAV只能在白天飛行,但若有搭載防撞警示燈,飛行時間就可稍微放寬,允許從日出前30分鐘到日落後30分鐘期間飛行。

此外,UAV不得在人群上空及機場附近飛行,並須在視距範圍內飛行。FAA為防止有心人士鑽漏洞,列明操作者不能在移動交通工具上操作UAV,而且每人每次只能操作一架UAV;所使用的UAV也必須配合現行登記制度,透過FAA官網註冊使用,並將個資料黏貼在UAV機身上,以保證飛機失控或受控侵入他人領地時,可以追蹤到使用者。若不執行註冊規定,將面臨高達25萬美元的聯邦刑事處罰,以及3年有期徒刑。

以上這些規定僅限於個人進行的消費級UAV飛行,目前所有的商用UAV飛行都屬違法。

日本

禁止UAV在人口密集區、機場半徑9公里內、敏感地區、體育場等密集建築上空飛行或夜間飛行,若違法遭逮捕可罰將近50萬日圓。

歐盟

歐洲航空安全局(EASA)於2015年底提出「歐盟操作UAV的共同規範提議」(圖3),將UAV監管規則分成3類;同時提出33項建議,以利制定歐盟各國共同的安全準則。這3類分別是開放類、特定類、審定類,依據不同類型,有不同的規範標準,同時,也建議將民用UAV與商用UAV分開,但都需監管。

圖3 「歐盟操作UAV的共同規範提議」

1.開放類:屬低風險類,無需通過航空監管部門審理,也無對操作員資質要求,主要由警察監管,重量上不超過25公斤,在目視範圍內飛行。

2.特定類:屬中等風險,有額外的限制、對操作員資質有要求,也要由成員國民航當局授權,並進行風險評估。

3.審定類:把UAV運行的風險上升到類似正常載人航空機器的風險水平,視同載人機,由成員國民航當局及歐洲航空安全局共同監管。

英國

UAV的操作者要確保UAV在自己的視線範圍內,而且作普通用途的UAV不可以超過20kg重,飛行高度不得超過120米。UAV與任何建築物、無人架駛的車輛及船隻需保持至少50米的距離,且避開周圍半徑10公里,如果用無人航拍機進行第一人稱視角的遠程操控時,需有至少兩名人員進行操作,用第一人稱視角觀察的人員與操作UAV的人員不可以是同一個人。為了讓UAV操作者更清楚禁制區域,英國航空交通管制服務商「國家航空交通服務」(NATS)推出了手機App:Drone Assist,程式內會有地圖標示限制的空域以及操作提醒,操作UAV前可以先查看此應用程式,確保沒有犯法及使用安全。

中國

其UAV管制辦法見「民用無人機駕駛員管理規定(AC-61-FS-2016-20)」,操作員必須經由考試、持有中國核發的操作證明,UAV限制起飛重量在150公斤以下、校正後飛行速度在時速100公里以下。

不僅如此,中國政府亦針對UAV系統駕駛員實施分類管理,同時增加管理備案制度,提出Ⅰ、Ⅱ類(即7公斤以下,表2)如有運行需要,駕駛員可在UAV雲端系統進行備案。備案內容應包括駕駛員的真實身份信息、所使用之UAV型號,並且通過在線法規測試。

對行業協會亦有相關要求,包括建立駕駛員考試體系和標準化考試流程,可實現駕駛員訓練、考試全流程電子化實時監測;建立駕駛員管理體系,可以統計和管理駕駛員在持證期間的運行和培訓的飛行經歷、違章處罰等記錄。

台灣

針對UAV部分,我國交通部於2017年4月將「民用航空法部分條文修正草案」送交行政院及立法院審議,任何人士需為250克以上的UAV辦理註冊,並把註冊號碼標示於機身上顯眼處;如果操作者使用的UAV為1~25公斤,且有裝置導航設備,更要通過學科及術科考試,始能取得操作證。

此草案註明,以上標準參考FAA現行UAV法規,認為這是最低重量與操作風險程度,並提供了後續管理規範之基礎。UAV應在目視範圍內操作、飛行高度不得超越400米、不得投擲和噴灑物件、不得於人群聚集或露天集會遊行上空活動等等,但操作者可向民航局和相關政府部門申請豁免。

再者,直轄市、縣(市)政府可依公益及安全需要,在不超過400呎高度的區域,禁止或限制遙控UAV活動區域、時間及其他管理事項。涉及的區域例子包括:人口聚集區、風景區、鐵道、電廠(塔)、水庫、矯正機關、國防軍事事務處所。目前日月潭國家風景區管理處便已把區內6處定為禁飛區,操作UAV前需先獲當局批准。違反不同UAV法例,將會受到不同處罰,最嚴重可被處以30萬至150萬台幣罰鍰。

此外,交通部民航局已設立專頁宣導,並於網上公布多份圖檔數據,包括禁飛區地圖和座標等,如圖4範例所示,藉此加強宣導飛航安全,使大眾更容易了解、清楚UAV等之禁止及限制施放範圍。

圖4 民航局提供之限飛區示意圖(蘭嶼機場)

UAV求健全發展  技術/法規均須兼顧

從技術發展、操作素養乃至相關立法部分來看,UAV產業若要持續發展,未來仍須面對諸多挑戰。

就目前消費型空拍機來說,一般滯空時間大約30分鐘,如何突破飛行時間為一小時,那將會在市場上會再度形成一波熱浪。再來就是無人飛機更加智慧化,增加許多感測器,讓UAV能夠更加安全化自動閃避障礙物等功能,例如紅外線雷達、影像辨識等,有助於UAV在飛行時,減少操作者對UAV的疏忽,並有效改善UAV產生的失事率。

操作人員的航空知識與操作知識更是不可或缺的。為有效降低UAV操作錯誤釀成災害,購買消費型UAV之前需具飛行經驗相關證明,或是購買時贈送教學等配套措施是必要之舉。除此之外,政府與民航局應積極正式制定UAV管理辦法,以提高國人對UAV的專業知識與認知,進而透過學術科考試裁定操作人員是否核可,如此一來可大幅降低UAV對民航機、民生等帶來的災害。

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