无人机云系统是什么样的?看完这篇万字分享就懂了

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1月17日,无人机世界CEO公开课开讲,我们邀请到北京云无忧大数据科技有限公司CEO张刚,为网友开展主题为《我国的无人机管理及云系统》的分享。张刚老师曾在空军工作近30年,其中包括在原空军司令部(现空军参谋部)工作10多年,对于国家的空管体制较为了解,也因为胸中的蓝天情怀,选择了无人机云系统这个职业。以下为分享摘要。

 

概念普及:

 

空管

 

全名是空中交通管制,英文叫做AirTrafficControl,是指利用通信导航技术和监控手段,对飞机飞行活动进行监视、管理和控制,保证飞行安全和有秩序飞行。根据国际民航组织的规定,空中交通管制的主要任务,一是防止飞机在空中相撞,二是防止飞机同障碍物相撞,三是保持空中交通无阻和有序飞行。

 

针对不同的飞行需求,将空域划分为不同的管理空域,包括航路航线飞行情报管理区、进近管理区、塔台管理区、等待空域管理区等等,同时在管理空域内进行间隔划分,也就是飞机间的水平和垂直方向间隔,并且按照管理区不同使用不同的雷达设备,由导航设备,雷达系统,二次雷达通信设备,地面控制中心组等等,组成了空中交通管理系统,主要完成监视、识别、导引覆盖区域内的飞机的工作。

 

我国的空管体系

 

我国的空管体系,采用的是统一管制、分别指挥的管理模式。最上面叫做国家空中交通管制委员会,简称国家空管委,是由国务院和中央军委组成的国家层面的机构,由国家领导人或国务院领导来担任主任。空管委下设办公室,就是我们常说的国家空管办,负责空管委的日常工作。国务院空管委更像是一个议事协调机构,对无人机的具体的各业务流程的管理,实际是按照部级联席工作机制的流程进行管理。各个流程环节都对应有不同的军方或政府部门进行管理,大概有28个部门,通过部级联席会议和平时的沟通协调,来共同协调解决管理工作中遇到的重大问题。

 

往下则是空军负责实施全国的飞行管制。具体的飞行管制中,分为军用和民用,军用飞机由空军(部分是海军航空兵)负责指挥;民用飞行包括外航飞行,由民航局来实施指挥。

 

目前,全空军一共分成五个飞行管制区,与全国战区划分是一样的。以江苏无锡机场为例,最下一级的管制机构为无锡硕放机场的场站管制室,往上到了上海管制分区,隶属于空军上海基地,再往上就到东部战区空军管制区,再往上就到空军参谋部。

 

民航系统最下面是塔台管制室,或区域管制中心,往上一级叫空管分局或空管站,再往上一级到民航的地区空管局,民航空管局下设7个地区管理局:华北、华东、东北、中南、西南、西北、新疆。

 

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关于无人机

 

“无人机”是俗称,准确的官方称呼是无人驾驶航空器。它通常包括遥控驾驶航空器、自主航空器、模型航空器三大类。模型航空器就是俗称的航模,在生产制造流通销售等环节一般没有特别之处,世界各国通常交给体育部门管理,我国也是这样管理。今天在这里讲的无人机管理更多是指民用的遥控驾驶航空器和自主航空器。

 

目前国际通行做法是按照无人机的重量和运行场景的不同,对无人机进行分级分类,根据运行风险来确定不同的管理办法。2018年1月份,国家空管委《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》,对我国的民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型五类。

 

行业存在的主要问题

 

一是安全问题,主要是三个层面:一是国家安全,如接近一些战略目标、核设施,包括军事目标、政府机关等;二是公共安全,如无人机被用来偷拍、贩毒,乃至坠落在人口密集区域,会对公共安全产生影响;三是飞行安全,如干扰航班、航线等。

 

二是管理制度不健全,法规标准缺失。民航的法规体系分为五级:法律;行政法规;部门规章;规范性文件(如无人机云系统行业内最重要的《轻小型无人机运行规定(试行)》咨询通告);标准规范。目前由于无人机管理的上位法缺失,中国目前只有民用航空法,但在这个法律中找不到具体针对无人机的管理条文,在现实中无人机又被划到通用航空类别,所有现有的下面几层的管理法规制定过程中只能参照民用航空法第十部分,也就是通用航空的原则性规定。但是在实践应用中,无人机的应用范畴已经远远超过了通用航空的概念,因此现行法规有时候确实无法满足无人机的发展需求。

 

三是无人机飞行管理流程不明确,管理成本比较高,特别是空域划设公布方式、空域申报飞行计划和流程比较复杂。

 

四是无人机行业整体的技术水平跟行业应用的要求有差距,特别是无人机的安全可靠性还有待提高。

 

去年以来的几起典型安全案例

 

张刚老师举了几个例子,以2018年2月份唐山发生的案例而言,唐某等4人在唐山操作固定飞机飞行,没有申报飞行计划和空域,在作业过程中被空军的雷达发现,被列为不明空情,中部战区组织战区空军、河北省军区以及部队上千人出动多部战斗机、雷达、车辆参与处置,导致民航不少架次航班被迫修改航线,造成的社会和经济影响较大,最后这四人被以危险方法危害公共安全罪判有期徒刑一年缓刑一年。其他案例还有浙江金华农妇被植保机撞成重伤二级;北京外籍员工的孩子在某公园操作无人机把一个两岁儿童撞伤等。

 

各国的无人机管理现状

 

美国联邦航空局在2012、2013年就发布了相关的无人机管控的方案。2017年美国联邦航空局又推出了无人机云,为空管机场和空域内其他用户提供数据服务,同时还发布了无人机网格限高地图,这套系统称作UTM系统。

 

欧盟把无人机分为开放、特许运营和审定三大类,25公斤以下属于开放类,无须民航当局授权,但需要在界定区域内飞行,150公斤以上的为审定类,类似于有人机的管理模式,飞行和使用都需要审批。其他的无人机,也就是25公斤到150公斤之间的其他无人机都属于特许运营类,要引入合声明,包括运营人合格证等等。

 

因为欧盟由若干个欧洲国家组成的,所以它还明确150公斤以上无人机由欧盟统一监管,其他的无人机是由各成员国分别负责监管。他们这套无人机管控系统叫U space。

 

总体来讲美国和欧盟的管理情况比较有代表性。

 

中国的无人机管理

 

2018年1月份国家空管委征求意见的暂行条例中也明确,对微型和轻型无人机的管理,国家基本持开放态度。微型无人机在50米以下,轻型无人机在120米以下,只要与机场禁飞区危险区保持相应的要求距离,就可以不必申请飞行计划了。但是除了微型无人机以外,轻型及以上无人机需要加入监管平台,也就是我们所说的云系统。

 

另外,暂行条例中还明确,对于植保无人机在轻型无人机的适飞空域高度不超过30米,只要加入民航局认可的云系统之后,也不用申报飞行计划,这对于农业植保领域是一大利好消息。但是目前暂行条例,还在征求意见过程中,去年是从业务层面在全国范围内进行征求意见,今年是从立法层面,由国务院法制办(现在已经并到国家司法部),由他们统一向社会和国家有关部门征求立法层面的意见,据说最迟到8月份左右能够正式出台。

 

正式出台前,除了个别的省市地区颁布了地方性的管理法规,简化了一些申报流程外,除此之外,目前还得按照原有传统的方式,也就是说按照通航飞机的管理模式进行。虽然手续比较繁琐,但是提醒大家还是要按照规矩来,否则就有可能造成违法违规。

 

有关流程以北京为例,假如一个企业要使用无人机进行航空摄影或者遥感物探作业,首先要办理任务批件,怎么办理?是到中部战区作战局去办理,办完之后才能进行飞行计划的申报审批,办理任务批件所需要的材料,包括单位名称,无人驾驶航空器的型号,架数、使用的机场或者临时起降点,任务性质、飞行区域、飞行高度日期,预计开始和结束的时间,以及现场保障联系人飞行资质证明,飞手资格证书和任务委托合同等等。

 

拿着这些材料到中部战区作战局去办理,假如得到批准,需要进一步申报空域和飞行计划,任务批件会给你明确下一步需要到哪去、联系单位、联系人、联系方式等。需要联系的部门一般是所在地的军航飞行管制部门,北京周边主要是中部战区空军的航管处,到中部战区空军航管处申请飞行空域,空域申请批准后,在飞行前一天的15点,要申报第二天的飞行计划,并在组织飞行前的一个小时,还要向申报单位联系具体的放飞事宜,得到许可后方可组织飞行。

 

当然,目前,东西南北中五个战区空军各地的流程可能略有一些细微差别,特别是在一些地区,地方政府出台地方法规的情况下,区别会更大一些。现在深圳、海南有试点,已经实现了在线的申报审批,效率还是提高了不少,其他地方无人机圈内的朋友有时候也很眼红。大家不着急,下一步总体来讲会有个整体方案。

 

需要注意,提醒大家的是,首都地区完全是特例,六环以内无人机基本都是禁飞的,就算是六环以外,也不向个人开放空域,主要是面向国企、政府、社会公益组织等机构开放空域申请。

 

我国近年颁布的无人机方面的法律法规

 

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2010年,国务院和中央军委发布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》,是近几年来空域管理改革、推进各项试点工作的一个基础性文件。

 

2015年,民航局以咨询通告的形式发布了《轻小型无人机运行规定》,明确提出了按重量分级分类,包括云系统、电子围栏等概念,都是在这个文件中首次提出的。目前正在进行新的一轮修订和征求意见,估计很快就会颁布。2017年出台了《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》,要求250克以上的无人机都需要实名登记,明确从2017年8月31日以后,不实名登记的一律视为非法。

 

2017年还有一个很重要的文件,民航局会同财政部、农业部共同下发通知,叫做《关于开展农机购置补贴引导植保无人机规范应用试点工作的通知》。这份文件在农业领域,特别对植保无人机的发展是一个里程碑的意义,从此把植保机列入补贴范畴。

2018年也有不少规定,如引起大家热烈议论的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见)》、《民用无人驾驶航空器从事经营性飞行活动管理办法》,以及《民用无人机驾驶员管理规定》等,规定了驾驶员今后要发放云执照,告别了纸质执照的历史,由云系统提供飞行经历证明等等。

 

无人机监管技术

 

无人机监管一般分两种目标,一种叫合作目标,一种是非合作目标。

 

大家理解合作目标就是我们的好人、好同志,他可以主动配合你接受国家、政府和军方的管理。非合作目标,顾名思义就是不愿意跟你合作,就是坏人,就是有意不接受你监管的,这类叫非合作目标。

对于合作目标的监管,技术层面主要是三种方式:第一种方式叫基于移动通信网络的主动状态报送,简单点说,就是我们的无人机云系统,这种方式技术相对成熟,成本也比较低,但它受通信覆盖范围、定位精度的影响,可靠性、精确性还有待提高。

具体实现方法主要有两种:一种是通过无人机的通信链路,把无人机飞控内的状态信息数据实时发送给云系统,还可以实现双向链路通信,就是说可以实现对无人机的远程控制。第二是通过外挂一些数据采集终端,我们俗称各种盒子box,来采集无人机飞行状态数据,并把它发送回云系统,这是第一种监管方式。

 

第二种监管方式叫二次雷达,二次雷达由两部分组成,地面的雷达站问询机、机载端还有应答机组成。在“一问一答”过程中完成识别,并获得机载应答机的代码,飞机高度、速度等等内容。但是由于应答机的重量体积和成本的因素,一般只用于大中型无人机,小型无人机不太适合。

 

第三种方式就是ADS-B方式,ADS-B就是说常说的广播式自动监视系统,装配ADS-B应答机的无人机可以自动将位置、高度、速度,这些信息在一定范围内进行广播,从而实现被监视功能。

虽然目前ADS-B空中机载端的应答机,它的大小和重量可以说已经达到了无人机的基本需求,它的尺寸大小跟一张信用卡差不多,重量一百克左右,但是由于小型化之后,设备性能目前来看不太稳定,价格比较昂贵,所以这技术在无人机领域没有大范围的广泛的使用。

 

对于非合作目标,其实就是两个方面,一是探测,二是反制。

 

探测有频谱监测,低空雷达探测、声光监测等等方式。反制主要是分两种,一是干扰,二是摧毁。简单说就是说对非合作目标,第一要能够发现识别定位,第二个就是要能够干扰控制甚至摧毁它。

 

无人机云监管系统

 

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无人机云监管系统,简称无人机云系统,主要是针对合作无人机的一种监管手段。

 

云系统概念第一次出现在正式文件,是在2015年,民航局出台了《轻小型无人机运行规定(试行)》。完整定义是这样:无人机云系统,简称无人机云,是指轻小型民用无人机运行动态数据库系统,用于向无人机用户提供航行服务,气象服务等。对民用无人机运行数据包括运营信息、位置、高度、速度等等进行实时监测。接入系统的无人机应当及时上传飞行数据,无人机云系统对侵入电子围栏的无人机要具有报警功能。

 

文件也对云系统和云提供商明确了一些基本的要求,后来随着时间发展,又逐步制定了一些无人机围栏、无人机云系统接口数据规范等等标准规范,目前正在研究无人机云系统的数据规范,我们公司也作为起草单位正在参与过程中。作为无人机监管的有效手段,在云系统的建设方面,我国总体来讲应该算是走在世界前列的,无论从建设时间规模,还是设计理念,技术路线都是领先的。

 

现状是什么样的?自从2016年3月份,第一家云系统获得批准,到2018年年底,目前一共有九家云系统,其中有六家云系统和民航局的云交换系统,实现了数据的实时交换,最高峰时实时在线的并发无人机数量已经超过了一千架。

 

无人机云系统主要的功能特点

 

 

云系统定义上就可以看出,云系统服务的对象、用户其实是分两大类,一类是作为管理方的,如民航局、空军、公安还有政府相关部门,另一方面是对无人机应用方,如无人机的生产厂家,运营企业、飞手,包括一些无人机个人用户。无人机云的相应功能,也分为管理功能和服务功能两大类。主要有以下几个方面:

 

 

第一是实时监视,对入云无人机的实时飞行状态进行监视,掌握无人机的位置、速度、高度各项参数指标,并用可视化的方式在系统上进行显示。同时还要把相关信息传递给民航局的云交换系统。在数据采集频率上,一般在人口稠密区要达到每秒一次以上,在非人口稠密区一般至少要达到30秒一次以上。假如网络信号中断,系统还要具备数据暂存功能,待网络恢复之后再续传,确保监视数据的连贯性。

 

 

第二是电子围栏,电子围栏是指为阻挡即将侵入特定区域的航空器,在相应的电子地理范围中划出的特定区域,并配合飞控系统,保障区域安全的软硬件系统。在民航局《无人机围栏》(行业标准MH/T2008-2017)中,对电子围栏的种类、数据类型、功能要求、在无人机系统和云系统中的要求等进行了明确的规定。电子围栏可以是长期的、永久的,比如机场的净空保护区,包括类似天安门这种重点位置;也可以是临时的,比如一些重要会议,重大赛事活动期间临时划设,这是临时的电子围栏。从另外一个角度,电子围栏可以是禁止进入的,也可以是禁止出来的。到底是哪种类型,它是要根据用户的实际需要来定义和修改。所以在我们云系统里面,电子围栏更多的告示告诉用户,到底是哪能飞,哪不能飞。

 

 

第三个功能特点是状态预警。有了实时位置,有了电子围栏,对用户的飞行行为进行分析评估,对违规行为及时提醒,就变成了云系统很重要的服务内容。比如你这架无人机即将接入限飞区或者禁飞区的时候,当接近距离到了一定程度时,云系统要自动给你报警,提示你,假如你继续再朝着限飞区或禁飞区飞,系统还要继续进行警告,同时要把相关的情况,及时通告到空军或者民航的相关部门,并把你的数据保存好,作为后续查证的工作依据。

 

第四个功能特点就是历史回放,不管是违规查证、还是可追溯性,系统内的无人机数据,按照民航局的要求,都是要长期保存的,无人机云系统数据都是永久保存的,为管理部门进行违规查处,提供数据支持,同时还可以为无人机厂家,包括一些保险机构提供一些相关的数据分析和保险理赔数据,支持和分析报告。

 

第五个功能特点就是飞手管理。去年8月31号,民航局颁发的民用无人机驾驶员管理规定,对民用无人机驾驶员的飞行经历问题进行了重新明确,要求民用无人机驾驶员的执照申请、改变等级、执照续审,都需要采用电子履历。电子履历主要来自云系统的记录,在对飞手飞行活动的监管过程中,实现飞行记录的登记和统计功能。我们已经按照民航局的要求进行升级,完全能够提供这方面的服务。

 

第六个方面的功能特点就是行业服务支持了,为行业应用提供平台和数据支持。比如农业植保领域,云系统对植保无人机主要起两方面的作用,一是未来你只要接到云系统,在相应的区域、高度内飞行,就不用再申报飞行计划了,这是一个非常便利的情况。第二是接入云系统之后,采集了你作业和飞行作业数据,你才能有资格领取植保农机补贴,这是两大功能。再比如,在无人机培训领域,为培训机构的教员、学员提供飞行过程中的监控,包括数据分析,以便教员学员能够更好的、有针对性的培训。

 

第七个方面,一般各家无人机云,都会提供一些额外服务,比如气象预报、保险、空域查询、飞行计划在线申报等等,算是增值服务,为用户提供更好的服务体验。

 

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下一步无人机云系统发展方向

 

首先是飞行服务更加完善,不管是面向政府部门还是无人机企业用户,特别是随着国家低空开放进程的推进,为用户提供方便、可靠、快捷的飞行服务,必然成为今后一段时间重点的努力方向。

 

无论是娱乐消费级,还是像农业植保、快递、物流、巡逻、巡检等等行业应用,不断的需求,将大力推动军方、民航、空管系统,包括各地方政府相关的信息通道的打通,构建一体化的空中监视服务体系,必然是未来发展的一个重点。特别是在线空域申请、计划申报、航路规划、微气象服务等等,针对用户实际飞行需求的定制化服务,将通过与用户直接对接的各个云系统提供商,以免费或收费的形式提供给大家,满足不同客户的多样化需求。

 

其次是监管技术会越来越可靠。目前云系统对无人机的监管手段,主要还是靠 GPS、北斗等定位系统,再加上移动通信数据传输网络来实现。但是受到移动网络覆盖范围和高度影响,一百米以上,特别120米到150米以上高度信号不稳定,还有山区包括农村偏远地区,特别是农田区域内网络信号不稳定,造成数据无法稳定传输,这就影响了稳定可靠的无人机监管。而且由于通用的民用GPS精度都是米级的,差不多正负5米的误差范围,所以监视的精准性、安全性不太够。随着RTK技术的广泛应用,可以达到厘米级的应用。包括未来的5G技术,我们的北斗卫星组网,因为北斗有个短报文功能,在你通信链路中断的时候,以短报文的形式继续维持位置服务,未来能够为用户提供着低成本高精度高可靠性的服务。

 

2017年下半年,中国移动、华为、相关的无人机云提供商,还有一些无人机的整机厂商,共同进行了低空联网无人机安全飞行测试,经过网络空间优化,4G信号可以覆盖到300米高度,5G信号可以覆盖到1000米以下,如果采用专用对空蜂窝通讯,可以覆盖到10000米以下特定航路空域。这个范围对未来的无人机的通信网络来说,足够用了,特别是在低空的领域。

 

最后是空中交通将更加智能。无论是无人机本身的硬件发展,还是说我们云系统的发展,其实未来的目标就是要建立智能化的空中交管系统。空中交通的关键在于空域管理技术,目前采用的主要是分区域划分,对管理方非常简单省事,但是对空域使用的效率来讲,却是一种极大的浪费。下一步发展的方向肯定是要引入分层、分区域相结合的方式,也就是说在普遍分区域的同时,在每个区域内部还要进行分层划分。

 

类似一个大厦,一个大楼里各个楼层不同的无人机,分别在不同的楼层飞行,高空有大飞机,中空有小飞机,低空有无人机,在同一个空域垂直的领域,可以细分一下,充分利用空域资源,在下一步的发展就是基于空域的动态管理,根据运营的需要,客户的变化动态调整,有的时候空域是给大飞机飞,有的时候可以让给小飞机飞。

 

这种动态的管理还必须再辅之以目标感知和避让技术,除了地面系统的管理技术方法之外,在空的飞机,本身必须有主动对目标感知和避让的技术、防相撞的技术,最终实现空中动态飞机的防止相撞功能,实现所有无人机都能够想飞就飞,安全地飞,有序地飞。高空有运输航空大飞机,中间有通用航空的有人机和大中型无人机,低空有小的有人机和无人机,就像地面上的火车、汽车、自行车一样,各走各的路,互不影响。

 

总体来讲,未来的无人机云系统在技术上将具有更可靠的通信链路,更精准的状态采集,更多样的接入方式。在服务上,统一的服务接口,将会为用户提供更便捷、快捷、廉价的公共服务。各家云提供商在不同的行业应用中,为用户提供个性化的增值服务,在安全方面,随着法律法规的完善,技术的提高,大家安全意识的增强,管理模式的不断成熟,势必也会加强空中秩序,从而也促进我们中国无人机产业的发展。争取把无人机这张中国智造名片推向全球。

 

网友提问:我有一台大疆的娱乐无人机,如果平时自己玩需要注意什么?

 

大疆无人机一般从出厂的时候就内置有电子围栏系统,正常情况下,它在禁飞区是无法起飞的。对于一些临时增设的禁飞区,则系统将难以识别。如果加入了云系统,在起飞前系统会自动提示你是否在禁飞区,能不能够起飞?不想加入这系统也可以,下载云系统这APP,可以通过APP,对自己无人机的活动区域进行查看,确认是否在禁飞区里。

 

一些城市都划出了专门给无人机爱好者开放低空空域的专门场地,我们云系统包括民航局那边也不一定都掌握。所以说最好在当地的政府管理部门查证一下,你当地的地区有没有特殊的规定。

 

不管怎么说,对于娱乐及微型轻型无人机,首先要保证飞行安全,不要在人多的地方飞,你不发生事故怎么都好说,一旦发生事故肯定是有责任的。另外就是要一定要注意避开机场,像政府、军事设施、核设施等敏感区域。

 

网友提问:听说飞手的飞行记录必须入云,这是怎么回事?怎么才能入云呢?

 

去年8月份民航局发布的《民用无人机驾驶员管理规定》明确要求,驾驶员云执照更新,要在民航局云交换系统上有一百小时的飞行经历证明,飞手只能通过具有飞行记录功能的云系统,来记录你的飞行时数,并上传民航云交换系统。

至于加入各个云系统的流程,由于涉及到不同的系统,流程也不完全一样。大家可以查看各云服务的官网介绍。在这里也欢迎大家加入我们无忧云系统,我们能提供民航局要求的所有服务。

 

网友提问:刚才讲到有9家云,这些云有什么区别吗?加入任意一家都一样吗?

 

九家云系统都有云牌照,那肯定都是满足民航局轻小型无人机运行规定要求,而且经过了国家民航局专家的严格的审核,只有通过后才能拿到资质。

 

九家云里目前接入民航局云交换系统的一共是六家,能够把所有的数据通过民航局进行数据交换,能看到所有家的数据情况。

 

另外不同云系统运营商的团队结构、技术实力,业务侧重可能也都有不同。以我们而言,我们从底层架构、上层应用到产品研发服务都是自己完成。除提供云系统服务外,公司一共在三个重点领域拓展,一是空管,专门打造了一套有人/无人机一体化空管系统,第二是农业领域,我们有自己的无忧云植保管家平台,第三个在培训领域也有一体化的解决方案。

 

网友提问:我有三架植保飞机,从来没有申报过,虽然没被查过但总是不太踏实,现在喷洒农药到底有没有什么流程?

 

这几年农业植保领域几乎是无人机发展最快的一个领域,目前农业植保无人机已经正式进入了农机补贴的目录,即将出台的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》,明确植保无人机只要加入云系统,在轻型无人机的适飞空域,真高飞行不超过30米,就不用报批了。毕竟暂行管理条例还没有正式出台,所以在这个过渡阶段,希望各位农业植保领域的朋友们还是跟刚才说的一样,首先要确保安全,尤其是人的安全,第二周边要是有敏感地区,要离远一点。

 

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2019年1月24日 09:20