民用无人机故障／事故原因分析

谷全祥 蔡琰 吴强

民用无人机在运行过程中可能面临多种威胁，由此导致故障/事故。特别是在民用无人机应用领域快速扩展，装备数量急剧提升的背景下，亟需针对各种威胁因素及可能导致的故障/事故进行分析，为开展民用无人机飞行安全测试提供依据。

无人机事故频发

由于民用无人机与军用无人机在技术机理和事故原因上具有很高的相似性，可以从军用无人机大规模装备后的早期统计数据对无人机的事故频次进行观察。

装备军用无人机数量最多、累计操控飞行时间最长的当属美军，其无人机事故亦最多，相对最具典型性。据2014年《华盛顿邮报》一篇详细研究美国军方报告的文章称，自2001年9月至2013年底，美军无人机共发生418起重大事故。其中194起被列为“甲级”事故（即整架无人机严重受损或报销，涉及金钱损失数字超过200万美元），224起被列为“乙级”事故（金钱损失数字由50万美元至200万美元不等）。从绝对数上看，这一数字和同一时期美军有人驾驶飞机的事故相当，而从事故率上看，则远远超过有人驾驶飞机。美国空军相关资料称，“捕食者”无人机在服役初期，坠毁率一直居高不下，每飞行10万小时就发生13.7起A类事故。2009年以来，随着空军使用经验越来越丰富，“捕食者”无人机的A级事故率下降到每飞行10万小时发生4.79起。而更为先进的“死神”无人机的A级事故率为每10万小时3.17起。即便如此，它们的事故率远高于有人驾驶战斗机。F-16和F-15的10万小时的A级事故率分别为1.96和1.47起。2013年6月，美国陆军安全官员称，在过去9个月，陆军无人机坠毁率是陆军有人驾驶飞机的10倍。实际数字还要大得多。约55%的“猎人”无人机在训练和作战行动中因各种原因失事，至少38%的“影子”无人机也曾发生重大事故。

近年来，随着民用无人机应用领域的快速扩展，特别是消费级无人机的急剧攀升，各类民用无人机事故频发。2017年1-10月，加拿大交通部共收到1596起无人机事故的报告。

故障，事故原因分析

一般来说，导致民用无人机飞行事故的主要因素导致包括：操纵错误/失误、机械故障、软件故障、通信故障、电磁干扰、地磁紊乱、全球定位系统（GPS）受到干扰、恶劣天气、机体结构强度不足等。

操纵错误/失误

主要包括操作員不掌握操纵方法、不了解飞行原理、缺乏常识（尤其是电子特性知识方面）、技能/经验不足、失误等。例如民用无人机产品说明书强调视线内飞行，保证遥控器发射电波的传播，避免其他物体遮挡造成信号丢失/信号减弱。但实际使用中，经常出现因遥控链路被遮断而导致炸机。

某无人机资讯网站统计，从201 3年到2016年的1800条消费级无人机事故中，85%以上的无人机事故是由于用户操作不当引起的，只有少部分是因为部件失灵或其他不可抗力发生。由于操纵错误/失误导致的消费级无人机产品常见事故主要包括以下三种情况：

（1）超视距飞行时发生侧边或后边撞击;

（2）用户在启用姿态模式后操作不稳而导致撞击;

（3）用户对功能理解有偏差，导致返航撞击或者其他事故。

对于第一视角飞行控制的大中型无人机更容易出现失误。尽管无人机都安装有摄像头和高科技传感器，但这些仪器永远无法完全取代坐在驾驶舱内的飞行员的感官。有专家指出，飞行员的前庭器官犹如一个小型的惯性制导系统，人类依靠它来感知自身的运动。无人机的操作员由于位于地面，无法亲自感受无人机的运动，操纵起来自然没有在飞机座舱里那样精确。因此，无人机操作员必须经过严格培训，取得资格后，才能实际操作。工作期间，还要经常参加各种操作培训。即使这样，仍避免不了失误，特别是在操作无人机降落时发生操纵感受偏差而导致事故。

机械故障导致事故

机械事故是导致无人机失控的主要因素之一，多在于电池脱落、关键连接部件失效、动力传输部件失灵等。

以可折叠的GoPro公司推出的Karma无人机为例。据Recode中文站2016年1月7日报道，被视为大疆消费级产品重要竞争对手的Karma无人机可能突然失去动力从空中掉落，导致损坏。GoPro公司召回了所有Karma无人机，而用户均获得了全额退款。公司首席执行官尼克·伍德曼（NickWoodman）在美国国际消费电子展（CES）上表示，故障是由于“基本的电池固定问题”。

2009年3月20日，一架“死神”在加利福尼亚州训练时坠毁，事故原因是燃油系统的一个温控阀出现故障，事后调查发现该阀门是专为工业应用设计的，并不适用于飞机，由于未经过充分的、各种飞行环境的测试，导致这一缺陷没有在交付前显示，从而在实际飞行中遭遇了事故。

软件故障

机载系统的软件故障也是无人机发生事故的原因之一。2007年12月10日，美国一架登记号为A008的A160T“蜂乌”无人直升机在加利福尼亚州试飞时坠毁。波音公司的事故调查委员会确定，飞行试验事故发生的原因是在飞行过程中，飞行计算机内的传感器数据更新被停止，传感器对控制系统的反馈失效，导致飞机失去了飞行控制，几乎是垂直撞向了地面，最终导致无人机坠毁。

通信故障

澳洲皇家墨尔本理工大学和埃迪斯科文大学的一个研究小组表示：无人机事故频发的罪魁祸首是技术故障。研究小组分析了2006 - 2016年期间澳大利亚发生的150起无人机事故，他们发现其+64%的事故是由于无人机失灵造成。而在大多数案例中，通信故障问题导致无人机发生事故。无人机主要依靠无线传输进行导航和控制，但这些通信链接非常脆弱，容易因各种形式的干扰而中断。

无人机主要依靠无线传输进行导航和控制，但是通信链接容易因各种形式的干扰而中断。理论上，出现通信链路短暂中断时，无人机会根据程序沿一个圆形或者其他预定轨迹飞行，直到通信链接恢复。在最坏的情况下，它们会自动返回发射基地。但记录显示，情况并不都是如此。在超过1/4的最严重无人机坠毁事故中，都发生了通信链接崩溃或丢失的问题。

此外，通信链路中的时滞也是由于很多无人机需要经过卫星进行控制，由地面控制站到卫星再到无人机，然后无人机的信息反馈到卫星再反馈到地面站，如果在这个环节中因通信故障发生较长时滞，会导致飞行员在很多情况下无法做出及时、正确的决策，最终酿成大错。

电磁干扰

2011～2014年期间，某超高压输电公司用无人机进行输电线路巡检过程中，出现了多次的失控现象，失控后无人机在空中发生不规则螺旋式旋转下降，操控人员经过多次模式切换与紧急调整均无效，无人机约1min后高空坠落。

故障发生后经过调查分析，排除由于人员误操作造成坠机的可能。后经研究和事故排查认为：事故可能是高压线电磁场导致无人机定向发生故障，产生原因是浪涌磁场和地磁场紊乱所致。

地磁紊乱

电子罗盘作为无人机产品的重要组成部件，以地磁场作为指北的参考依据，承载着为无人机引导绝对方位的功能。对于多旋翼类飞行器，电子指北针元件是相对关键的部件，对无人机的稳定飞行有着重要的作用。在实际使用中，钢铁制船舶、建筑、含铁量较大的山体可能导致局部范围地磁紊乱，导致无人机电子罗盘工作不正常。同时，由于无人机内部电子罗盘和其余电子元器件距离较近，当无人机内部系统排布不合理时也会导致电子罗盘受到磁场干扰。无人机在失去定向功能后往往发生自转，在高速运动时很可能导致失去平衡而坠地。

GPS受到干扰

民用无人机需要GPS等卫星信号进行定位，以稳定悬停、盘旋和按照指定航线飞行。但是，在实际使用环境中，GPS天线可能被屏蔽，或被附近電磁场干扰，甚至被他人恶意干扰，进而导致无法正常使用。

恶劣天气

恶劣天气常导致无人机事故发生，民用无人机如此，军用无人机亦然。在军用无人机方面，恶劣天气原因导致坠机事故也比比皆是。2001年11月2日，美国空军一架“捕食者”在阿富汗“持久自由”行动中坠毁。空军在新闻发布会上披露，可能是天气恶劣所致。恶劣的战区环境可能对无人机造成严重伤害。据统计，环境因素造成的飞行事故约占23.2%。洛克希德·马丁公司的报告称阿富汗和伊拉克荒漠中的沙砾能像细菌一样钻进无人机暴露的仪表设备和动力舱中。美国第4机械化步兵师曾在伊拉克战场征战9个月，使用的“先锋”“探索者”“银狐”等战术无人侦察机因气候原因损失达数十架之多。

机体结构强度不足

2017年6月28日，Facebook公司的“天鹰座”（Aq uila）无人机在接近美国亚利桑那州尤马的地方，遭遇“结构故障”，所幸此次事故没有造成人员伤亡，但无人机本身受到严重损坏，已经不再适航。

美国国家运输安全委员会的调查显示，无人机由于右侧机翼的结构性问题，在完成96min飞行测试后降落时发生事故。Facebook无人机在降落时只能通过自动化模式进行。无人机通过分析风速和气温等信息自动调整最佳降落方法。无人机降落时，操作员估计风速约为7kn.，但实际风速却突然增加至18kn.。自动降落系统因为无人机的机头角度过低，提升空速并转动右翼，由于右翼结构不足而导致损坏。开展安全性测试势在必行。

当前，许多民用无人机本身缺乏足够的测试，在没有排除机械缺陷、软件缺陷、通信缺陷等问题时匆匆忙忙交付客户，导致实际使用中故障频发，甚至发生严重事故。为此，加强民用无人机安全性测试（包括飞行测试和时间积累测试）势在必行。

测试环境是安全性测试的必备条件和基础。民用无人机的测试环境分为地面模拟空中环境和空中实际飞行测试环境。在民用无人机测试环境及方法研究中，应当秉承顶层输入、逐步细化、循环迭代的思路有序开展：

第一步，顶层输入，开展民用无人机事故搜集和分析，开展民用无人机故障视图、事故视图和测试视图的研究，作为测试环境研究的原始输入和测试大纲研究的主要方向。

第二步，开展测试环境建设方案的细化研究，并根据民用无人机在各个环境的使用作业特点，开展测试视图的深化和细化研究，形成具体的、具有操作性的测试大纲。

第三步，在民用无人机飞行安全性测试环境建设过程中不断与顶层输入开展交流和反馈、研究，逐步完善测试大纲。