2010年8月2日，一架美国海军直升机懒洋洋地闯入了高度限制的领空，该领空像一个无形的穹顶一样覆盖在美国首都上空。对于罗纳德·里根华盛顿国家机场的空中交通管制员来说，这件事可能仅仅值得在例行日志中记录一下，但有一个令人不安的细节。这架直升机没有人类飞行员。这架飞机没有为窗户留出空间，它的驾驶舱里除了电子仪器什么都没有。这是一架无人机。
MQ-8B“火力侦察兵”是一架重达1429公斤、长9.7米的无人机，它经历了调查人员后来称之为“软件问题”的故障，其通信链路与地面控制室中无助的人类操作员断开，地面控制室位于马里兰州帕图克森特河海军航空站。更糟糕的是，这架无人机未能执行本应迫使其返回基地的软件指令。“火力侦察兵”用于在军舰附近进行侦察，它闯入了空军一号从安德鲁斯空军基地起飞和降落时使用的同一领空。
在经历了30分钟的紧张不安之后，操作员重新建立了通信链路并重新获得了控制权。事后，一位海军官员试图为这一事件粉饰太平，赞扬无人机在其意外偏航期间的表现——例如，自动驾驶系统使飞机保持直线和水平飞行。
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“火力侦察兵”号的错误航程为无人机带来的巨大安全挑战提供了教训。这些标志性的侦察和武器系统现在已经开始承担一系列和平时期的任务。美国联邦航空管理局估计，到2020年，将有超过10,000架无人驾驶飞机在美国空域飞行。无人机可能很快就会参与搜索和救援、农作物喷洒、电力线监控、科学研究以及其他无数用途。
部署无人机的逻辑令人信服。通过消除对飞行员的需求，以及为容纳人类机组人员和乘客而配备驾驶舱和客舱的需求，部署无人机的商业航空企业有望获得巨大的节省。例如，对于租用一架有人驾驶飞机进行一组电力线检查的费用，一家公用事业公司可以购买一套完整的无人飞行器系统，在未来几年内完成同样的工作。无人机的诱惑力已经吸引了美国最大的公司。联邦快递创始人兼首席执行官弗雷德里克·W·史密斯曾谈到使用无人机取代该公司现有的包裹递送飞机。
甚至美国国会也开始认识到商业无人机时代的到来是不可避免的。当国会在当年2月通过《2012年联邦航空管理局现代化和改革法案》时，它指示该机构制定“一项全面的计划，以便到2015年安全地加速将民用无人驾驶飞机系统整合到国家空域系统中”。
不幸的是，管理基本上是遥控机器人的监管机构不太可能及时准备就绪。无人机扩大了联邦航空管理局的职责范围，超出了该机构确保两架波音737飞机能够保持距离并应对恶劣天气变化这一传统角色。尽管在9/11袭击事件之后，联邦航空管理局的任务大大扩展，涵盖了航空安全问题（例如，联邦航空管理局负责监督加强驾驶舱门的安装），但空中无人机蜂群的前景带来了比该机构目前装备不足以应对的更复杂的安全挑战。
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这些挑战中最令人望而生畏的是确保无人机的无线链路安全。要操纵无人机向上、向下、侧向或向前移动，需要三个主要的通信链路：来自GPS卫星的传入导航信号、一个或多个通知其他飞机无人机位置的信号，以及地面和无人机之间用于驾驶飞机的双向链路。这三个链路中的任何一个中断都可能酿成灾难。而且，在某些情况下，不存在明确的技术解决方案来保护这些链路。
GPS是无人机导航系统的关键，它补充了惯性制导传感器、磁力计、高度表甚至摄像头。GPS接收器在这个导航套件中占据首要地位，因为与其他设备不同，它在所有天气条件下都能工作，同时保持精确定位。
与军用GPS不同，民用版本可以自由访问且未加密。民用GPS不断地传输到智能手机和运动手表等设备，非常受欢迎，但缺乏任何形式的身份验证，从而产生了一个危险的弱点。可以很容易地用伪造信号代替真实信号——这个过程称为欺骗。
2012年6月，在新墨西哥州白沙导弹靶场，我们的实验室证明了GPS欺骗漏洞对无人驾驶飞机具有严重的后果。从大约半公里外，我们的欺骗设备接管了一架价值8万美元的无人机的控制权。我们手工制造的欺骗器生成了几乎完美的卫星信号伪造品，这些信号将坐标中继到无人机。无人机无法区分真假，选择了我们更强的信号进行引导。
一旦被愚弄，无人机就会接受来自我们欺骗设备的定位指令。当发射到飞行器的信号错误地表明它正在垂直上升时，无人机忠实地下降以保持编程到其自动驾驶系统中的期望高度。通过尝试根据错误的数据调整其空中位置，无人机实际上开始直接朝沙漠地面飞去。幸亏一位操作员准备好覆盖欺骗指令并手动控制飞行器，才避免了坠毁。
欺骗的危险至少在十年前就已为人所知。美国交通部此前在2001年的一份报告中记录了欺骗威胁，但政策制定者和GPS制造商在最近之前基本上忽略了该报告的警告，可能认为攻击不太可能发生，不值得关注。然而，技术修复并非近在眼前。可以用密码水印保护GPS信号的技术——一种安全的数字签名，可以识别信号的来源并确保其消息的内容——距离实施还有数年之遥，而可以更快实施的非密码技术尚未证明自身有效
欺骗并非GPS依赖型无人机面临的唯一威胁。简单地阻止接收其导航信号也很容易。在地球表面附近，信号非常微弱，其通量密度——信号功率的度量——不高于从22,000公里外接收到的50瓦灯泡的光。干扰设备可以通过在GPS信号占用的无线电频谱的同一区域产生噪声来完成其肮脏的工作。几乎任何现代电子系统，甚至笔记本电脑，都可能通过在近距离向GPS接收器发送噪声而无意中干扰GPS信号。
可以设计一种有意的干扰设备，使其在混淆无人机导航系统方面更有效。2012年5月，韩国的操作员失去了一架150公斤重的奥地利Schiebel Camcopter S-100侦察无人机的控制权，该无人机坠毁在其地面控制站，造成一名工程师死亡，两名无人机操作员受伤。朝鲜 направленный в Южную Корею GPS 干扰很可能引发了一系列导致坠毁的事件，包括韩国无人机操作员犯下的一些错误。正如这一事件和我们的欺骗演示所表明的那样，在没有机载飞行员的飞机能够安全地在我们的天空中飞行之前，安全导航——能够抵抗欺骗和干扰——将至关重要。
防撞
无人机与另一架飞机发生空中相撞的可能性将进一步使无人机难以被接受。传统飞行员使用目视观察和雷达来探测其他飞机的存在并避免碰撞。但是，无人机在能够提供这种日常级别的警戒方面还有很长的路要走。美国政府问责办公室在2012年的一份报告中指出：“尚未部署合适的技术，能够为[无人驾驶飞机]提供感知和避开其他飞机和空中物体的能力”，同时符合联邦航空管理局的规定。
对于小型无人机来说，避开其他飞机尤其具有挑战性，因为它们无法容纳现有的机载雷达系统，这些系统体积庞大且耗电量大。可见光和红外摄像机提供了一种廉价且相当有效的替代方案，但它们无法穿透云层。
一种解决方案最终可能来自自动相关监视-广播，或 ADS-B。ADS-B应答器每秒广播一次飞机的位置和速度，并接收来自附近飞机的类似报告。到2020年，联邦航空管理局将要求所有持牌飞机，无论大小，都必须操作ADS-B应答器，作为空中交通系统重大改革的一部分。只要所有附近的飞机——无论是有人的还是无人的——都通过ADS-B应答器广播其位置和速度，就可以通过使用这些设备找到安全的飞行路径来避免碰撞。
与民用GPS一样，ADS-B也有一个严重的阿喀琉斯之踵：其传输未经过身份验证，因此可以伪造。当ADS-B在20世纪90年代首次开发时，安全是一个次要问题：广播虚假ADS-B信号的想法几乎是不可想象的。然而，发起ADS-B攻击的成本和专业知识已变得惊人地低廉。2012年，俄亥俄州空军技术研究所的研究人员表明，可以使用廉价天线从地面或空中轻松编码和传输各种使用虚假信号的攻击。这种“虚假注入”攻击可能会导致飞机认为即将发生碰撞。
相同的技术能够发出数百个虚假传输或阻止接收合法消息。虚假ADS-B消息对小型无人机的影响大于对驾驶舱内有飞行员的飞机的影响。使用机载雷达，飞行员可以快速验证虚假飞机是否在碰撞航线上，但无人机缺乏可比的后备手段。
联邦航空管理局希望通过多点定位来应对虚假ADS-B消息的威胁，多点定位是一种通过测量传输到达多个地面接收器的相对到达时间，然后将该信息中继到空中的飞机来定位传输源的技术。然而，可靠的多点定位依赖于精确的GPS替代方案，而价格合理的版本仍然难以捉摸。
无人机由无线束缚控制，即操作员和飞行器之间的所谓命令和控制无线电链路，乍一看，这似乎比GPS或ADS-B带来的安全挑战要小。存在用于这些信号的安全通信协议，这些协议应该足以抵御欺骗者和其他不法之徒。
但是，信号仍然可以被阻止。与无人机失去联系——专家称之为链路丢失——无论是来自有意干扰还是故障，仍然是一种威胁，并且尚未出现令人满意的解决方案。操作员通常使用链路丢失协议配置他们的无人机（例如，如果无线电链路丢失超过30秒，该协议会提示飞机返回基地），但这种协议假设无人机的导航系统本身容易受到黑客攻击，并且其控制系统没有像2010年“火力侦察兵”直升机驶向华盛顿特区时那样屈服于软件故障，从而可以正常运行。
监管机构面临的另一个问题是找到可以专门用于传输命令和控制信号的无线电频谱区域。由于频谱稀缺，许多无人机将不得不求助于在用于其他类型无线电传输的未受保护无线电频段中进行传输，这将使它们容易受到已经合法占用这些频段的众多电子系统的无意干扰。
挑战与更多挑战
美国空域无人机安全的技术复杂性与行动迟缓、规避风险的官僚机构以及日益增长的立法反弹相冲突。监管机构必须正视飞机驾驶方式的根本性变化。地面无人机操作员不再是真正的飞行员，双手放在操纵杆上，眼睛紧盯着驾驶舱挡风玻璃，他必须将飞行路线输入计算机，用操纵杆式设备控制无人机，并监控一系列将飞机无线束缚到其基地的通信链路。在飞行过程中的某些时候，操作员会像控制一架遥控爱好飞机一样操纵无人机，这架飞机可能重达数千公斤。在其他时刻，无人机可能完全自主飞行。
根据新的国会授权，联邦航空管理局负责确保空中交通系统发展出技术能力，以确保无人机能够安全地与空客380巨型喷气式飞机或单引擎Piper Mirage飞机共享空域。这意味着联邦航空管理局必须制定法规，以确保如果控制或导航信号丢失，无人机不会构成危险。
联邦航空管理局无与伦比的安全记录部分源于其在采用可能扰乱空中交通系统平稳运行的新技术方面的固有谨慎。该机构官员现在必须应对监管无人机的艰巨挑战，与此同时，他们已经深陷于一项广泛的现代化努力之中——下一代空中交通系统，或 NextGen，它将用卫星导航取代雷达。从纸面上看，预计国土安全部会提供协助，但那里的官员一再表示，他们不认为无人机问题是他们任务的一部分。
在制定法规时，联邦航空管理局将不得不艰难地平衡公共安全考虑与无人机技术的经济效益。要求获得许可的无人驾驶飞机始终保持在操作员的视线范围内，这将使劫持不太可能发生，但会使无人机在许多用途中完全无用。无人机技术还引发了隐私问题，这些问题从未在联邦航空管理局的权限范围内。隐私倡导者和国会议员现在要求该机构制定法规，以应对可以盘旋在郊区后院上空同时部署高清摄像头的飞机。
与此同时，许多立法者看不到欢迎无人机到来的充分理由，他们通过晚间新闻片段熟悉了无人机，这些片段突出了无人机在美国境外冲突地区在监视和导弹袭击中的作用。作为回应，到目前为止，至少有42个州提出了限制无人机使用的立法。德克萨斯州众议院第912号法案规定，无人机操作员未经业主“明确同意”从无人驾驶飞机上拍摄私人财产图像属于轻罪。在联邦层面，拟议的《2013年保护美国隐私法案》将禁止执法部门在没有搜查令的情况下进行无人机监视，并将取缔执法部门或私人公民在美国上空使用武装无人机。
技术和监管要求清单——以及国会听证会上立法者表达的担忧——可能会减缓但无法阻止无人机技术的采用。在考虑无人驾驶飞机的安全性时，需要有一定的视角。它们的漏洞与航空领域长期以来的情况相似，航空领域在驾驶舱中保留了机长和副驾驶。飞机仍然可能被劫持，飞行员可能被胁迫，通信链路可能中断。然而，我们仍然继续飞行，不是因为我们不了解风险，而是因为便利性胜过风险。无人机将向我们寻求同样的让步。