2010年8月2日，一架美國海軍直升機懶洋洋地闖入了高度限制的領空，該領空像一個無形的穹頂一樣覆蓋在美國首都上空。對於羅納德·里根華盛頓國家機場的空中交通管制員來說，這件事可能僅僅值得在例行日誌中記錄一下，但有一個令人不安的細節。這架直升機沒有人類飛行員。這架飛機沒有為窗戶留出空間，它的駕駛艙裡除了電子儀器什麼都沒有。這是一架無人機。
MQ-8B“火力偵察兵”是一架重達1429公斤、長9.7米的無人機，它經歷了調查人員後來稱之為“軟體問題”的故障，其通訊鏈路與地面控制室中無助的人類操作員斷開，地面控制室位於馬里蘭州帕圖克森特河海軍航空站。更糟糕的是，這架無人機未能執行本應迫使其返回基地的軟體指令。“火力偵察兵”用於在軍艦附近進行偵察，它闖入了空軍一號從安德魯斯空軍基地起飛和降落時使用的同一領空。
在經歷了30分鐘的緊張不安之後，操作員重新建立了通訊鏈路並重新獲得了控制權。事後，一位海軍官員試圖為這一事件粉飾太平，讚揚無人機在其意外偏航期間的表現——例如，自動駕駛系統使飛機保持直線和水平飛行。
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“火力偵察兵”號的錯誤航程為無人機帶來的巨大安全挑戰提供了教訓。這些標誌性的偵察和武器系統現在已經開始承擔一系列和平時期的任務。美國聯邦航空管理局估計，到2020年，將有超過10,000架無人駕駛飛機在美國空域飛行。無人機可能很快就會參與搜尋和救援、農作物噴灑、電力線監控、科學研究以及其他無數用途。
部署無人機的邏輯令人信服。透過消除對飛行員的需求，以及為容納人類機組人員和乘客而配備駕駛艙和客艙的需求，部署無人機的商業航空企業有望獲得巨大的節省。例如，對於租用一架有人駕駛飛機進行一組電力線檢查的費用，一家公用事業公司可以購買一套完整的無人飛行器系統，在未來幾年內完成同樣的工作。無人機的誘惑力已經吸引了美國最大的公司。聯邦快遞創始人兼執行長弗雷德里克·W·史密斯曾談到使用無人機取代該公司現有的包裹遞送飛機。
甚至美國國會也開始認識到商業無人機時代的到來是不可避免的。當國會在當年2月透過《2012年聯邦航空管理局現代化和改革法案》時，它指示該機構制定“一項全面的計劃，以便到2015年安全地加速將民用無人駕駛飛機系統整合到國家空域系統中”。
不幸的是，管理基本上是遙控機器人的監管機構不太可能及時準備就緒。無人機擴大了聯邦航空管理局的職責範圍，超出了該機構確保兩架波音737飛機能夠保持距離並應對惡劣天氣變化這一傳統角色。儘管在9/11襲擊事件之後，聯邦航空管理局的任務大大擴充套件，涵蓋了航空安全問題（例如，聯邦航空管理局負責監督加強駕駛艙門的安裝），但空中無人機蜂群的前景帶來了比該機構目前裝備不足以應對的更復雜的安全挑戰。
重要連結
這些挑戰中最令人望而生畏的是確保無人機的無線鏈路安全。要操縱無人機向上、向下、側向或向前移動，需要三個主要的通訊鏈路：來自GPS衛星的傳入導航訊號、一個或多個通知其他飛機無人機位置的訊號，以及地面和無人機之間用於駕駛飛機的雙向鏈路。這三個鏈路中的任何一箇中斷都可能釀成災難。而且，在某些情況下，不存在明確的技術解決方案來保護這些鏈路。
GPS是無人機導航系統的關鍵，它補充了慣性制導感測器、磁力計、高度表甚至攝像頭。GPS接收器在這個導航套件中佔據首要地位，因為與其他裝置不同，它在所有天氣條件下都能工作，同時保持精確定位。
與軍用GPS不同，民用版本可以自由訪問且未加密。民用GPS不斷地傳輸到智慧手機和運動手錶等裝置，非常受歡迎，但缺乏任何形式的身份驗證，從而產生了一個危險的弱點。可以很容易地用偽造訊號代替真實訊號——這個過程稱為欺騙。
2012年6月，在新墨西哥州白沙導彈靶場，我們的實驗室證明了GPS欺騙漏洞對無人駕駛飛機具有嚴重的後果。從大約半公里外，我們的欺騙裝置接管了一架價值8萬美元的無人機的控制權。我們手工製造的欺騙器生成了幾乎完美的衛星訊號偽造品，這些訊號將座標中繼到無人機。無人機無法區分真假，選擇了我們更強的訊號進行引導。
一旦被愚弄，無人機就會接受來自我們欺騙裝置的定位指令。當發射到飛行器的訊號錯誤地表明它正在垂直上升時，無人機忠實地下降以保持程式設計到其自動駕駛系統中的期望高度。透過嘗試根據錯誤的資料調整其空中位置，無人機實際上開始直接朝沙漠地面飛去。幸虧一位操作員準備好覆蓋欺騙指令並手動控制飛行器，才避免了墜毀。
欺騙的危險至少在十年前就已為人所知。美國交通部此前在2001年的一份報告中記錄了欺騙威脅，但政策制定者和GPS製造商在最近之前基本上忽略了該報告的警告，可能認為攻擊不太可能發生，不值得關注。然而，技術修復並非近在眼前。可以用密碼水印保護GPS訊號的技術——一種安全的數字簽名，可以識別訊號的來源並確保其訊息的內容——距離實施還有數年之遙，而可以更快實施的非密碼技術尚未證明自身有效
欺騙並非GPS依賴型無人機面臨的唯一威脅。簡單地阻止接收其導航訊號也很容易。在地球表面附近，訊號非常微弱，其通量密度——訊號功率的度量——不高於從22,000公里外接收到的50瓦燈泡的光。干擾裝置可以透過在GPS訊號佔用的無線電頻譜的同一區域產生噪聲來完成其骯髒的工作。幾乎任何現代電子系統，甚至筆記型電腦，都可能透過在近距離向GPS接收器傳送噪聲而無意中干擾GPS訊號。
可以設計一種有意的干擾裝置，使其在混淆無人機導航系統方面更有效。2012年5月，韓國的操作員失去了一架150公斤重的奧地利Schiebel Camcopter S-100偵察無人機的控制權，該無人機墜毀在其地面控制站，造成一名工程師死亡，兩名無人機操作員受傷。朝鮮 направленный в Южную Корею GPS 干擾很可能引發了一系列導致墜毀的事件，包括韓國無人機操作員犯下的一些錯誤。正如這一事件和我們的欺騙演示所表明的那樣，在沒有機載飛行員的飛機能夠安全地在我們的天空中飛行之前，安全導航——能夠抵抗欺騙和干擾——將至關重要。
防撞
無人機與另一架飛機發生空中相撞的可能性將進一步使無人機難以被接受。傳統飛行員使用目視觀察和雷達來探測其他飛機的存在並避免碰撞。但是，無人機在能夠提供這種日常級別的警戒方面還有很長的路要走。美國政府問責辦公室在2012年的一份報告中指出：“尚未部署合適的技術，能夠為[無人駕駛飛機]提供感知和避開其他飛機和空中物體的能力”，同時符合聯邦航空管理局的規定。
對於小型無人機來說，避開其他飛機尤其具有挑戰性，因為它們無法容納現有的機載雷達系統，這些系統體積龐大且耗電量大。可見光和紅外攝像機提供了一種廉價且相當有效的替代方案，但它們無法穿透雲層。
一種解決方案最終可能來自自動相關監視-廣播，或 ADS-B。ADS-B應答器每秒廣播一次飛機的位置和速度，並接收來自附近飛機的類似報告。到2020年，聯邦航空管理局將要求所有持牌飛機，無論大小，都必須操作ADS-B應答器，作為空中交通系統重大改革的一部分。只要所有附近的飛機——無論是有人的還是無人的——都透過ADS-B應答器廣播其位置和速度，就可以透過使用這些裝置找到安全的飛行路徑來避免碰撞。
與民用GPS一樣，ADS-B也有一個嚴重的阿喀琉斯之踵：其傳輸未經過身份驗證，因此可以偽造。當ADS-B在20世紀90年代首次開發時，安全是一個次要問題：廣播虛假ADS-B訊號的想法幾乎是不可想象的。然而，發起ADS-B攻擊的成本和專業知識已變得驚人地低廉。2012年，俄亥俄州空軍技術研究所的研究人員表明，可以使用廉價天線從地面或空中輕鬆編碼和傳輸各種使用虛假訊號的攻擊。這種“虛假注入”攻擊可能會導致飛機認為即將發生碰撞。
相同的技術能夠發出數百個虛假傳輸或阻止接收合法訊息。虛假ADS-B訊息對小型無人機的影響大於對駕駛艙內有飛行員的飛機的影響。使用機載雷達，飛行員可以快速驗證虛假飛機是否在碰撞航線上，但無人機缺乏可比的後備手段。
聯邦航空管理局希望透過多點定位來應對虛假ADS-B訊息的威脅，多點定位是一種透過測量傳輸到達多個地面接收器的相對到達時間，然後將該資訊中繼到空中的飛機來定位傳輸源的技術。然而，可靠的多點定位依賴於精確的GPS替代方案，而價格合理的版本仍然難以捉摸。
無人機由無線束縛控制，即操作員和飛行器之間的所謂命令和控制無線電鏈路，乍一看，這似乎比GPS或ADS-B帶來的安全挑戰要小。存在用於這些訊號的安全通訊協議，這些協議應該足以抵禦欺騙者和其他不法之徒。
但是，訊號仍然可以被阻止。與無人機失去聯絡——專家稱之為鏈路丟失——無論是來自有意干擾還是故障，仍然是一種威脅，並且尚未出現令人滿意的解決方案。操作員通常使用鏈路丟失協議配置他們的無人機（例如，如果無線電鏈路丟失超過30秒，該協議會提示飛機返回基地），但這種協議假設無人機的導航系統本身容易受到駭客攻擊，並且其控制系統沒有像2010年“火力偵察兵”直升機駛向華盛頓特區時那樣屈服於軟體故障，從而可以正常執行。
監管機構面臨的另一個問題是找到可以專門用於傳輸命令和控制訊號的無線電頻譜區域。由於頻譜稀缺，許多無人機將不得不求助於在用於其他型別無線電傳輸的未受保護無線電頻段中進行傳輸，這將使它們容易受到已經合法佔用這些頻段的眾多電子系統的無意干擾。
挑戰與更多挑戰
美國空域無人機安全的技術複雜性與行動遲緩、規避風險的官僚機構以及日益增長的立法反彈相沖突。監管機構必須正視飛機駕駛方式的根本性變化。地面無人機操作員不再是真正的飛行員，雙手放在操縱桿上，眼睛緊盯著駕駛艙擋風玻璃，他必須將飛行路線輸入計算機，用操縱桿式裝置控制無人機，並監控一系列將飛機無線束縛到其基地的通訊鏈路。在飛行過程中的某些時候，操作員會像控制一架遙控愛好飛機一樣操縱無人機，這架飛機可能重達數千公斤。在其他時刻，無人機可能完全自主飛行。
根據新的國會授權，聯邦航空管理局負責確保空中交通系統發展出技術能力，以確保無人機能夠安全地與空客380巨型噴氣式飛機或單引擎Piper Mirage飛機共享空域。這意味著聯邦航空管理局必須制定法規，以確保如果控制或導航訊號丟失，無人機不會構成危險。
聯邦航空管理局無與倫比的安全記錄部分源於其在採用可能擾亂空中交通系統平穩執行的新技術方面的固有謹慎。該機構官員現在必須應對監管無人機的艱鉅挑戰，與此同時，他們已經深陷於一項廣泛的現代化努力之中——下一代空中交通系統，或 NextGen，它將用衛星導航取代雷達。從紙面上看，預計國土安全部會提供協助，但那裡的官員一再表示，他們不認為無人機問題是他們任務的一部分。
在制定法規時，聯邦航空管理局將不得不艱難地平衡公共安全考慮與無人機技術的經濟效益。要求獲得許可的無人駕駛飛機始終保持在操作員的視線範圍內，這將使劫持不太可能發生，但會使無人機在許多用途中完全無用。無人機技術還引發了隱私問題，這些問題從未在聯邦航空管理局的許可權範圍內。隱私倡導者和國會議員現在要求該機構制定法規，以應對可以盤旋在郊區後院上空同時部署高畫質攝像頭的飛機。
與此同時，許多立法者看不到歡迎無人機到來的充分理由，他們透過晚間新聞片段熟悉了無人機，這些片段突出了無人機在美國境外衝突地區在監視和導彈襲擊中的作用。作為回應，到目前為止，至少有42個州提出了限制無人機使用的立法。德克薩斯州眾議院第912號法案規定，無人機操作員未經業主“明確同意”從無人駕駛飛機上拍攝私人財產影像屬於輕罪。在聯邦層面，擬議的《2013年保護美國隱私法案》將禁止執法部門在沒有搜查令的情況下進行無人機監視，並將取締執法部門或私人公民在美國上空使用武裝無人機。
技術和監管要求清單——以及國會聽證會上立法者表達的擔憂——可能會減緩但無法阻止無人機技術的採用。在考慮無人駕駛飛機的安全性時，需要有一定的視角。它們的漏洞與航空領域長期以來的情況相似，航空領域在駕駛艙中保留了機長和副駕駛。飛機仍然可能被劫持，飛行員可能被脅迫，通訊鏈路可能中斷。然而，我們仍然繼續飛行，不是因為我們不瞭解風險，而是因為便利性勝過風險。無人機將向我們尋求同樣的讓步。