地面交通有行車道、人行道、紅綠燈、交通安全法規等，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來獲得這種平衡。尤其是無人機迅猛發展，超低空將在不遠的將來變得擁擠不堪。需要一套無人機融入低空空域的秩序管理系統，無人機系統交通管理（UTM）應運而生。

當前美國將空域劃分為 A、B、C、D、E、G 六個等級，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，在這個貼近地面的高度，由于地形原因使雷達無法覆蓋, 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，不需要無線電和應答器，也無須向任何組織申請或聯系。商用飛機、滑翔機、直升機、氣球等在 G 級空域中不受限制，而無人機恰恰就是在 G 級空域中飛行，這無疑大大增加了安全風險。

美國空域劃分表

FAA 早就想管理 G 級空域，無奈雷達難以覆蓋。據 FAA 2016 年 5 月統計數據，美國已有大約 47 萬個無人機注冊用戶。FAA 預測，2020 年后每年將有 270 萬無人機登記注冊。亞馬遜公司估計，未來使用亞馬遜無人機快遞服務的訂單量將達到 4000 萬，每天將有 13 萬無人機送快遞。

低空飛行群體數量如此之龐大，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象環生。為此 FAA 著手開發了一套無人機空中交通管理系統，將未來所有在美國上空飛行的無人機同UTM系統聯網，以確保飛行效率并避免碰撞。

UTM 是 NASA 為 FAA 設計的一套空中交通管理系統，也是十分關鍵的安全系統，它能夠允許大量無人機同時在超低空飛行，而不會發生撞擊事故。這套系統允許無人機操作員輸入其飛行計劃，并請求幫助清除飛行障礙，系統會合適該飛行計劃，判斷是否與其他無人機飛行計劃有沖突，從而做出接受或拒絕的答復。有了 UTM，FAA 就能使用它來發布指令，約束在該空域飛行的無人機，以保證該空域的飛行安全。

UTM 在設計理念主要源于在超低空大規模無人機的運行安全，主要考慮以下三個方面：一是要確保地區和國家安全，不能對白宮、機場等要地構成威脅；二是保證所在的空域安全，小無人機跟傳統航空器并存的情況下，小無人機的操作安全至關重要；三是要保證經濟利益。利用超低空開展商業、公共安全和個人應用，將帶來巨大的經濟效益，不能因為安全問題就完全放棄經濟利益。

綜合考慮，要在安全和經濟利益之間必須取得一個最佳的平衡，這就是 UTM 系統研發的出發點。

UTM 的設計

NASA 的研究人員最初想在每個無人機上安裝監測和避障裝置，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，無人機本身難以負載，無人機使用者也難以承擔高昂的費用。因此，研究人員將 UTM 設計為一套能夠與無人機和現有航空管制系統進行交互的軟件系統，而非裝在無人機上的硬件。該系統將兼容包括固定翼飛機、旋翼機、無人機等不同類型航空器，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性。

NASA 的研究人員定了兩個設計原則：一是結構盡可能靈活，二是在滿足性能需求的同時盡可能降低風險。研究人員提出UTM的架構如下：

在 UTM 的架構中，UTM 由監管方 FAA 操作，與國家空域系統（ATM）交互，并提供指令、限制給無人機服務供應商，最終傳送至無人機。無人機操作員和無人機服務提供商密切合作，以滿足所有的監管指令。監管方FAA能夠訪問所有的操作，從而判斷是否會對國家空域系統造成影響。

UTM 主要涉及三個利益相關方，監管方、無人機操作方、無人機服務供應商，其角色和責任劃分如下表：

UTM 的發展規劃

NASA 的研究人員為 UTM 規劃了四個等級的技術成熟度，并設立時間節點，如下圖示：

UTM 技術成熟度，來源 NASA

技術成熟度 1 已于 2015 年 8 月完成測試，實現低密度空域的視距內信息共享，滿足農業、消防和基礎設施監控使用。在這個等級中，無人機操作員遇到沖突時將手動調整計劃和空域。UTM 系統開發商之一洛克希德·馬丁公司宣布其 UTM 系統的第一個組成部分：飛行計劃在線報告系統投入使用，該系統與 FAA 的國家空域系統直接連接。其應用場景如下圖：

技術成熟度 1 的應用場景圖

技術成熟度 2 于 2016 年 4 月完成測試，可以實現超視距運行，跟蹤低密度的操作，分享飛行意圖，設立地理圍欄等。2016 年4 月 19 日，NASA 使用 FAA 位于阿拉斯加州、北達科他州、內華達州、紐約州、弗吉尼亞州和馬里蘭州的六個無人機測試基地進行了 UTM 的技術成熟度 2 測試。在三個小時的測試中，包括航空環境公司美洲豹 AE 小型無人機和靈巧指揮控制（SmartC2）公司多種小型無人機在內的 17 種無人機和 8 種軟件客戶端的 102 個飛行操作連接到 UTM 平臺，同時與交通模擬平臺進行無縫交互。在測試的第一個小時，最高時有 20 架無人機被允許同時飛行，第二小時達到 33 架，第三小時達到 43 架。飛行驗證和外場試驗取得巨大成果，驗證了 UTM 在人煙稀少地區超視距飛行時可動態調整空域可用性和應急管理的關鍵技術。

無人機接受 UTM 監管飛行的測試實例

2016 年 UTM 測試試驗時的控制中心

技術成熟度 3 計劃 2018 年 1 月測試，進行常態超視距運行，空中 V2V 防撞，規避靜態障礙物。在人口密度較大的地區，對合作和不合作的無人機具備跟蹤能力，確保載人和無人航空器的運行安全。示意圖如下：

技術成熟度 3 應用場景圖

技術成熟度 4測試日期待定，城市復雜超視距，跟蹤和定位，規避動態障礙物，在高密度的城市地區完成如新聞采集和送貨等操作，并可滿足大規模的應急需求。示意圖如下：

技術成熟度 4 應用場景圖

UTM 系統已經開發了有段時日，目前已進展到技術成熟度 2-3 之間，NASA 表示在 2019 年會將更深入的研發和測試結果提交給 FAA。

毫無疑問，這個系統是商用無人機順利引入美國空域管理的關鍵，其研發成功將大幅推進美國無人機的商業應用。亞馬遜和谷歌為了加速無人機相關法規的制定，也在研發自己的無人機空中管理系統。可以預見的是，美國距離無人機規模化應用已經不遠。