《第二部》原理與法規 | Part 2 Principles and Regulations

子曰：『工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之賢者，友其士之仁者』

這段話應該都已聽到滾瓜爛熟，但也正因為是真理，才會被如此廣泛流傳，舉例來說:
在工作中，要想做好工作，必須先具備相應專業知識和技能。倘若沒有相應的知識和技能，就無法勝任工作，更無法取得成功。

在學習中，要想學好知識，必須先具備良好的學習方法。如果沒有良好的學習方法，就無法高效地學習，更無法取得理想的成績。

在學習新工具時，要對於其原理了解透徹，才能熟稔應用；對於規定必須遵守，以避免踩到界線，因此第二堂課程，再針對這兩部分進行深入探討，建構更加完整的專業知識

前言

• 無人機之基本概念:「自遙控設備以信號鏈路進行飛航控制或以自動駕駛操作或其他經民用航空局公告之無人航空器」，或者也能說是「不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控載具」，主要用途為偵查、監視、觀測以及高危險、單調3D(Danger, Dirty and Dull)任務。
• 無人機系統主要由 : 機體、遙控設備與通訊及控制信號鏈路所組成
  1. 機體 : 結構外型、動力系統、自動駕駛、飛行控制系統與導航系統
  2. 遙控設備 : 由地面操控人員、監控人員使用的硬體設備
  3. 通訊及控制信號鏈路 : 無人機與遙控設備間為操作飛行管理目的之資料鏈接
  3-1. 通訊鏈路 : 設備端與飛航管制單位之通訊鏈接
  3-2. 控制信號鏈路 : 設備端與無人機之間命令或控制功能，又稱為C2(Link)
• 操作人員可分為操作人、目視觀察員與使用人
  1. 操作人 : 遙控無人機飛航活動期間，實際操作之人員，只能為一人進行操作
  2. 目視觀察員 : 於遙控無人機飛航活動期間，提供操作人必要飛航資訊之人員
  3. 使用人 : 從事無人機活動之個人、組織或法人
• 飛行控制系統 : 為無人機之靈魂，用於監控、穩定、操控飛行器之系統，確保無人機能在不同條件下實現安全，組成架構為感測器、機載計算機與伺服器
  1. 感測器 :用以獲得空速、溫度、壓力高度、油量等資訊
  2. 機載計算器 : 用以計算與飛行任務相關所有相關數值
  3. 伺服器 : 為馬達或致動器，用以接收命令並輸出外力
• 導航系統又可分為全球定位系統(GPS)與慣性系統(INS)
  1. GPS : 非自主，易受干擾
  2. INS : 自主，誤差累積增大
• 動力系統，依據不同動力系統，使用不同用途之遙控無人機，可分為
  1. 往復式(活塞)發動機 : 透過活塞將壓力轉換成動能，適用於低速、低空之中小型
  2. 渦輪發動機 : 利用熱能轉換成機械能，適用於推重比高，但壽命短
  3. 渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機 : 適用於高空或長滯空之大型無人機
  4. 無刷發電馬達 : 沒有電刷和換向器的直流電動馬達，適用於娛樂、運動級航空模型
• 無線通訊系統是無人機系統中的關鍵技術，可分為
  1. 2.4GHz : 上行控制鏈路(Uplink)，執行無人機之控制
  2. 5.8GHz :下行控制鏈路(Downlink)，執行圖像或數據傳輸等遙測功能
  3. 控制鏈路已全面數位化、圖像資料傳輸則是有類比與數位兩種
• 依照國際民航組織，無人航空器可依照構造與最大起飛重量進行區分

民用航空法及相關法規

• 依據民用航空法規定，針對無人機有下列事項需要特別注意
  1.無人機註冊 : 自然人最大起飛重量超過250g、政府機構、學校或法人所有者，皆需註冊
  2. 操作人操作證 : 具導航設備，且最大起飛重量超過2kg、 非具備導航設備，最大起分重量超過15kg、政府機關、學校或法人所有者，操作時應具備操作證
  3. 無人機檢驗合格證 : 最大起飛重量超過25kg(具備導航設備)之無人機，應辦理檢驗
• 當無人機發生滅失、損毀致不能修復、報廢、永久停用或所有權轉移，應在發生日起15天內，向民航局申請註銷註冊
• 無人機註冊一般都以電子化方式進行申請，除非特殊狀況才得用書面方式，註冊號碼有效期限為2年，於期限屆滿前30日內，進行延展
• 註冊號碼標示，必須在固定結構外部、顏色需與背景顏色反襯、以標籤.雋刻.噴漆等方式，確保不會輕易脫落
• 年滿16歲，可申請學習操作證、年滿18歲，可報考普通操作證或專業操作證，且報考人需具中華民國國籍之國民；若是外國人或其他地區者，需經許可停留或居留一年以上者才可報考；但外國人若領有外國政府對於持有無人機操作證或檢驗合格之證明文件，向民航局申請認可後，即可從事無人機飛行
  1. 學習操作證 : 向民航局申請後，即可獲得，且最大起飛重量為未達25kg之無人機，但全程需有普通操作證或專業操作證人員陪同指導
  2. 普通操作證 : 經學科測驗合格後，由民航局頒發獲得，其最大起飛重量為2kg以上但未達15kg
  3. 專業操作證 : 經學.術科及體檢合格後，由民航局頒發，可操作15kg以上之無人機

• 術科測驗應於學科測驗通過日起一年內完成，若超過期限，則需重新申請學科測驗；若學.術科皆合格，應於術科測驗合格日起30天內申請發照
• 各類操作證有效期限為2年，若操作證記載事項有變更，需在發生日起15天內，檢附原證照，向民航局換發
• 無人機經 形式檢驗合格後，若因改裝需重新辦理檢驗並註冊異動，不需再辦理定期檢驗，此外，實體檢驗有效期限為檢驗合格日起三年
  1. 形式檢驗 : 檢驗無人機之設計文件與資料是否符合規定
  2. 實體檢驗 : 檢驗本身結構、材質與性能是否符合規定
• 於操作無人機時，除了考量機器尺寸大小、天候等因素，也應隨時注意周遭，避免發生危險，因此根據民航法規定，有以下事項需要遵守
  1. 飛行高度不得超過距離地面400呎
  2. 不得投擲或噴灑任何物件(一般來說)
  3. 不得裝載危險物品
  4. 不得於人群或室外聚集上空活動(一般來說)
  5. 不得於日落後~日出前飛航
  6. 不得同時控制兩架以上(一般來說)
  上述規定若有特殊情形，需向民航局或地方政府申請許可才行；若涉及到活動場地，需向直轄市政府與相關中央主管機關同意

• 於飛航時，只能使用眼鏡進行延伸飛航，不能使用望遠鏡等工具(只有政府機關、學校或法人才能申請排除此限制)，並且在飛行時，以操作者為中心，最遠飛行距離不得超過900公尺(加上目視觀測者之距離)、高度不得超過距地面400呎
• 民航法規定採無過失責任致度，也就是當無人機對他人造成傷害，不論與否，皆須賠償傷害；倘若操作時，將機器交給他人執行，導致第三方受傷，無人機所有人與操作人連帶賠償傷害
• 當發生飛航事件時，需在發生或得知消息後24小時內，填表報告並通報民航局
• 政府機關、學校或法人從事無人機活動，應依照民航法規定，投保責任險；但若是娛樂性質之自然人，雖不強制投保，應需經過考量自行投保

基礎飛行原理

• 航空器是利用空氣的動力或氣體的反作用力，得以在空中飛行的器物，目前市面上常見機器如下所示

• 無人機在空中飛行時，會受到升力、推力、阻力與重力這四種力相互作用影響
  1. 升力 : 由機翼提供，使無人機向上飛行的力，與兩個理論相關
  1-1. 流體連續性 : 闡述流體流動時，流速與管道切面之間關係
  1-1-1. 流速與管道切面成反比
  1-1-2. 流速和壓力成反比
  1-2. 柏努力定律 : 流體在管道流動時，流速和壓力之間關係
  1-2-1. 流速大壓力小、流速小壓力大
  1-3. 當氣流通過機翼，便會產生上下壓力差，此垂直於相對氣流方向之壓力差總和，就是機翼升力
  2. 阻力 : 由空氣產生，與飛機運動方向相反的空氣動力，主要可以分為以下兩種
  2-1. 寄生阻力 : 與升力不相關，又可分為
  2-1-1. 摩擦阻力 : 空氣與航空器表面因摩擦，而產生阻止前進的力，依據空氣黏性、表面粗糙、表面積大小，皆有影響
  2-1-2. 形狀阻力 : 由航空器外型前後壓力差所形成，設計流線型，就是為了減少形狀阻力
  2-1-3. 干擾阻力 : 於飛行時，航空器相鄰兩部件之氣流影響，互相干擾而產生的力
  2-2. 誘導阻力 : 與升力有關，機翼上下表面氣流壓力不同，因此於前緣產生一股由下而上、由內往外翻轉的渦流所形成之阻力
  3. 推力 : 由發動機推力或螺旋槳拉力提供，使無人機向前飛行，螺旋槳最大攻角位置在槳葉根部，依照位置不同，所設計角度(依據發動機轉速和空速為基礎)亦不同；若整枝螺旋槳角度都一樣，效率極低
  4. 重力 : 由地心引力產生，航空器本身質量所受的地心引力，故在設計時，採取重量較輕之材料
• 由機翼翼弦與相對氣流所夾的夾度稱為攻角(Angle Of Attack,AOA)，設計上也須考量各因素，不能一昧增加攻角

• 無人飛機主要是由機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置組成
  1. 機翼 : 為提供升力主要部件，維持無人機空中穩定飛行與操作功能，通常會安裝副翼和襟翼
  1-1. 副翼 : 控制飛機滾轉
  1-2. 襟翼 : 可增加升力之作用
  2. 機身 : 裝載燃油、酬載與各種設備
  3. 尾翼 : 包括水平尾翼和垂直尾翼，用以增強飛行穩定性，並控制俯仰及偏航，改變飛行姿態
  3-1. 水平尾翼 : 為縱向平衡、穩定之翼面，前半部為固定水平安定面、後半部為可動之升降舵(改變俯仰姿態)
  3-2. 垂直尾翼 : 為航向平衡、穩定之翼面，前半部為固定垂直安定面、後半部為可動之方向舵 (改變偏航姿態)
  4. 起落裝置 : 用於起飛、降落、停放時，以支撐無人機
  5. 動力裝置 : 用來產生拉力或推力，使無人機前進之裝置，如同前面所述，例如往復式發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪風扇發動機等

• 無人飛機三種特性，分別為平衡性、穩定性與操作性
  1. 平衡性 : 作用於無人飛機之各外力和為零、各力矩也為零，處於平衡狀態，其速度大小與方向皆保持不變
  2. 穩定性 : 當受到微小擾動而偏離原來平衡狀態，當擾動消失後，不經刻意操作，自動恢復原來平衡狀態
  3. 操作性 : 操作人操縱控制面而改變飛行狀態之俯仰、方向與橫向之特性，動作簡單、省力
• 無人飛機四大動作，主要有平直飛行、轉彎、爬升與下降，在操作時應該以機體中心做為思考點
• 無人直升機透過主旋翼(變距槳)於旋轉時產生向上的力；而尾懸翼作用為抵銷主旋翼所產生的扭力，故方向為相反，才能使機頭方向朝前方
• 在操控無人直升機時，不論是向前、向後或是側向飛行，其高度、航向與速度，皆應保持不變
• 無人多旋翼機是由多個定距槳之正反旋轉與轉速控制，提供升力與姿態調整
• 其飛行控制大致與前兩者相同，下方四種為常見之動作
  1. 垂直升降 : 同時增加或減少四個旋翼轉速，以實現垂直升降
  2. 俯仰 : 改變前後兩對旋翼轉速，實現俯仰姿態
  3. 偏航 : 同時增加或減少斜對角兩對旋翼之轉速，因扭力而失衡產生反作用力
  4. 滾轉 : 改變左右兩對旋翼轉速，實現滾轉姿態
• 無人機重力的著力點稱為重心，也是影響飛行性能與飛航安全因素之一，依照不同種類，而產生不同影響
  1. 重心過於靠前
  1-1. 無人飛機 : 起飛仰轉困難、增大誘導阻力、配平增加，加大推力與油耗，減少續航能力
  1-2. 無人直升機 : 抑制向後飛行與懸停低速
  1-3. 無人多旋翼機 : 操控困難
  2. 重心過於靠後
  2-1. 無人飛機 : 起飛時提前仰轉、機尾擦地、配平減小，減少推力與油耗，增加續航能力
  2-2. 無人直升機 : 影響高速向前飛行性能與穩定
  2-3. 無人多旋翼機 : 操控困難

氣象

• 除了了解航空器原理與構造外，氣象掌握度也很重要，在事前需詳細蒐集氣象資訊，包括雲圖、方向、風速等，遇到突發狀況才能臨機應變
• 密度高度是指特定容積氣體的密度換算成大氣壓力狀態下的高度
  1.空氣密度增加，即密度高度較低(空氣分子多、空氣濃厚、低海拔、低溫度、低濕度、高大氣壓力)，航空器空氣動力性能增加
  2.空氣密度減少，即密度高度較高(空氣分子少、空氣稀薄、高海拔、高溫度、高濕度、低大氣壓力)，航空器空氣動力性能降低
• 空氣可藉由外部能量予以壓縮即膨脹，在相同容積下氣體壓力減低、氣體膨脹、佔據較大體積，故密度與壓力成正比，壓力加倍、密度也加倍；反之降低
• 一空氣體積下，升溫會導致體積空氣密度減少，其溫度與密度成反比
• 大氣壓力之基準點採國際標準大氣(International Standard Atomsphere,ISA)，指說大氣環境下，海平面之大氣壓力為29.92英吋汞柱高，等於1013.2毫巴值、溫度為攝氏15度，若每上升1000英尺，溫度降低約攝氏2度、氣壓值降低1英吋高
• 空氣的水平運動稱之為風，若從東邊吹來，則稱為東風，風速單位有下列五種呈現方式:公尺/每秒(m/s)、公里/每小時(km/h)、哩/每小時(mph)、海里/每小時(kts)、稱節(knot)
• 若於山區迎風面飛行，無人機會相對平穩；但經過山嶺進入背風面，因受地形影響、風向受到干擾，導致產生亂流影響飛行
• 風切是指大氣中不同兩點之間風速或風向的劇烈變化，可能發生任何高度，但低空風切對航空器危害最大
  1. 低空飛切 : 指1600呎(500公尺)以下空氣層風向或風速突然變化，通常發生於颱風環流、東北季風；而西南季風較為溫和
  2. 微爆氣流 : 為水平範圍更小(0.04~4公里)、持續時間更短(0.1~0.25小時)的強烈低空風切，一個循環約5~15分鐘，其下沉氣流可達每分鐘6000英尺
• 於對流層中，大氣溫度是隨高度增高，溫度而降低；但若是高度增高，溫度也升高之範圍，則稱為逆溫層
• 空氣能容納之水氣量多寡與溫度有關，同樣體積之空氣溫度越高、能容納水氣越多
• 露點 : 空氣冷卻至使水蒸氣飽和並開始凝結的溫度。在這個溫度下，空氣中的水蒸氣開始凝結成露水或霜
• ​霜點 : 空氣中的水蒸氣冷卻至使其凝結成霜的溫度。當空氣中的水分凝結成霜時，霜點溫度就達到了
• 霧是一種由大氣中的水蒸氣凝結成微小的水滴或冰晶懸浮在空氣中而形成的氣象現象，又可分為以下幾種
  1. 平流霧 : 當濕潤的暖空氣流經相對冷的地表時，空氣冷卻至飽和所形成，能持續一段相當長的時間，除非風向停止或方向轉變
  2. 輻射霧 : 在晴朗無風的夜晚，地表輻射熱能，使得接近地表的空氣冷卻至飽和
  3. 蒸氣霧 : 大氣中的水蒸氣冷卻至飽和點，進而凝結成微小的水滴，出現於秋冬季節
  4. 山坡霧 : 當濕潤的空氣被強制上升並冷卻時，形成霧。這通常發生在風將濕潤的空氣推向山坡時
  5. 鋒面霧 : 在冷暖空氣鋒面交匯處，暖空氣中的水蒸氣冷卻凝結形成霧，出現在錮囚鋒或暖鋒前
  6. 平流輻射霧 : 結合平流霧和輻射霧，即濕潤的空氣流經冷卻的地表，並在夜晚進行輻射冷卻，常發生於冬末春初台灣西部地區
• 雲有三種型態: 積狀雲、層狀雲與卷狀雲，再依照屬性與高度進行分類，則可分為如下
  1. 高雲族(>6000公尺) : 卷層雲、卷積雲、卷雲
  2. 中雲族(2000公尺~6000公尺) : 高層雲、高積雲、雨層雲
  3. 低雲族(<2000公尺) : 層雲、層積雲、積雲
• 氣團 : 為一廣大空氣體，於一特殊地區、停留一段時間，其整個水平方向在同一高度、空氣溫度.濕度均為一致之狀態
• 鋒面 : 性質不同之冷、暖氣團相遇時，其交界處
  1. 冷鋒 : 冷空氣前進，迫使暖空氣退後並取代原有位置
  2. 滯留鋒 : 冷暖氣團勢均力敵以成滯留狀態
  3. 囚錮鋒 : 為鋒面與鋒面之間拉扯，最後合併
• 雷雨循環分為三步驟 : 發展期、成熟期與消散期
• 觀測人員須每30分鐘或60分鐘將觀測結果，編報航空例行天氣報告
  1. 我國機場識別為RC
  2. 觀測日期與時間，須以當日日期及時間(小時+分鐘)為單位
  3. 風向風速觀測值以觀測前10分鐘之平均風向
  4. 盛行能見度，其編報以4碼(公尺)為單位
  5.雲量是天空中遮蓋的份數，依照多寡可分為下列四種
  5-1. 稀雲 : 1/8~2/8之天空被遮蓋
  5-2. 疏雲 : 3/8~4/8之天空被遮蓋
  5-3. 裂雲 : 5/8~7/8之天空被遮蓋
  5-4. 密雲 : 8/8之天空被遮蓋

緊急處置與飛行決策

• 操作無人機過程中，擁有快速執行緊急處置或最佳飛行決策，亦是重要環節之一
• 在執行任務前及過程中，須確保不受酒精及藥物影響，即使是一般成藥也可能會影響安全操作
  1. 血液中酒精濃度不得超過0.02%或吐氣中酒精濃度超過每公升0.1毫克
• 當呼吸頻率過快，導致血液裡二氧化碳濃度過低，此情形稱為過度換氣
  1.其改善方法為呼吸保持正常，朝紙袋呼吸或大聲交談都是很好的方法
• 壓力是對於生理及心理需求所做出的反應，來源可分為
  1. 物理壓力 : 噪音或震動
  2. 生理壓力 : 疲勞
  3. 心理壓力 : 個人情緒等
  又基本上能夠分為兩大類
  1. 急性 : 立即危險(緊急狀況等)，而持續性的急性壓力可能變為長期慢性壓力
  2. 慢性 : 長期累積或壓抑下所造成
• 疲勞是一種身心耗弱狀態，長期處於高度壓力下的生理或心理壓力，可分為
  1. 心理性疲勞
  2. 生理性疲勞
  3. 急性疲勞 : 短期、與生活有關，例如工作壓力、適應不足、環境因素等
  4. 慢性疲勞 : 虛弱、倦怠感、呼吸不順等身體不適狀況
  5. 技能疲勞 : 平時執行任務無太大差異，但每階段處理時間比平常長，執行不順利
• 當身體組織水分不足，或長期處於高溫、高濕度、高海拔環境，皆有可能出現脫水
• 熱中暑為身體無法對體溫進行控制，無法將熱排出體外，故平時要規律攝取足夠水份
• 自我檢測(IMSAFE)，為操作人在飛行前，可簡易自我檢測方法之一
  1. 疾病(Illness) : 身體是否有不適? 生病?
  2. 藥物(Medication) : 若服用藥物，是否會影響飛行?
  3. 壓力(Sress) : 是否有承受壓力，以致操作時判斷力下降
  4. 酒精(Alcohol) : 過去8~12小時是否有飲用酒精?
  5. 疲勞(Fatigue) : 是否感覺到疲憊? 有沒有好好休息?
  6. 情緒(Emotion) : 目前情緒狀態如何? 是否平靜?
• 當發生緊急狀況，需要透過下列方法來進行緊急落地
  1. 迫降 : 立即落地，不論有沒有在機場落地，例如發動機失效
  2. 預防性緊急著陸 : 預防或避免進入到緊急狀況下的立即落地，例如:惡劣天氣、燃油不足
  3. 水上迫降 : 若周邊人群較多或無法降落於陸地，應於水上執行迫降
• 當面對緊急狀況，保持冷靜，並可透過ABC方法，應對緊急狀況
  1. 穩定操作(Aircraft)，維持安全高度
  2. 尋找最佳緊急落地處(Best Field)
  3. 檢查表(Checklist)
• 飛行決策(Aeronautical decision-making,ADM)是指操作人在飛航操作環境下，利用系統性評估風險，來達成最適當結果，是基於經驗累積與判斷集合而成
• 風險管理是能夠主動辨識與飛航安全有關之危害因子，並透過迴避、減少降低至能接受風險，以下階段可運用不同工作運用
  1. 策略擬制階段 : 研究、分析、正式測試與長期追蹤
  2. 審議評估階段 : 利用經驗來辨識危害，以評估風險並規劃作業
  3. 執行關鍵階段 : 利用基本風險管理程序做檢視
• 危害是指一種狀況、物體或活動，可能造成人員傷亡、裝備損壞或降低效能
• 風險是危害所可能造成的後果
• 以下負面心態，在操作時不應擁有
  1. 反權威 : 通常發生在我行我素人身上
  2. 衝動 : 通常發生在較急躁人身上
  3. 僥倖 : 通常認為意外不會發生在我身上
  4. 英雄主義 : 通常採較為極端行為來獲得關注
  5. 消極順應 : 通常消極順應事件發生人身上
• 自動決策應用於發生緊急狀況或無法預作分析或沙盤推演情況中，會透過訓練及經驗來檢討與改進

心得

在這堂課程中，真的真的學習到很多，原來在飛行時需要考慮眾多因素才行，不單只是開機、操作而已，而是整體都要納入考量範圍內，一方面本身能順利操縱，完成任務；另一方面是不要對他人造成危害，工具的好壞由使用人來決定。因此在原理法規這門課程，算是帶領我正式進入無人機的領域，隨著時間的演進，相關法律規定也會更加完善、周全，但不變的是，保持學習心態，以應對任何狀況才是最根本的。