無人機(jī)交通管理支持城市空中交通的發(fā)展

李悅霖

航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計研究所， 四川省 成都市 610091

導(dǎo)讀：無人機(jī)的廣泛應(yīng)用引發(fā)世界各政府、管理機(jī)關(guān)的極大關(guān)注，積極推動無人機(jī)交通管理的研究、立法等相關(guān)工作。其研究成果將積極支持城市空中交通的發(fā)展。

無人機(jī)交通管理項目

圍繞無人機(jī)、商用航天器和城市空中交通工具的新空中交通管理(ATM) 建設(shè)正在成型，目前統(tǒng)稱為“非傳統(tǒng)型”進(jìn)入空域的飛行器。

美國宇航局(NASA) 領(lǐng)導(dǎo)的無人機(jī)系統(tǒng)交通管理(UTM) 項目，旨在為無人機(jī)開發(fā)一個低空交通管理系統(tǒng)，使商業(yè)無人機(jī)服務(wù)供應(yīng)商(USS) 能夠管理無人機(jī)在低空空域的運(yùn)營，運(yùn)營內(nèi)容包括新聞采集和包裹投送等。項目于2014年啟動，目前美國宇航局正在內(nèi)華達(dá)州里諾和德克薩斯州科珀斯克里斯蒂演示無人機(jī)飛行的最終技術(shù)能力等級4(TCL4) ，測試將持續(xù)到2019年8月。

無人機(jī)系統(tǒng)交通管理的開發(fā)工作已轉(zhuǎn)移到美國聯(lián)邦航空局，美國聯(lián)邦航空局于年初在內(nèi)華達(dá)州、北達(dá)科他州和弗吉尼亞州指定了三個無人機(jī)試驗場，演示在無人機(jī)系統(tǒng)交通管理集成試點(diǎn)項目下的原型無人系統(tǒng)。今年6月，無人機(jī)系統(tǒng)交通管理在協(xié)調(diào)400ft以下小型無人機(jī)交通方面取得了進(jìn)展。

優(yōu)步的無人機(jī)交通管理方案

在華盛頓舉行的優(yōu)步Elevate峰會上，與會者表示，從無人機(jī)交通管理系統(tǒng)的研發(fā)中吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)，將有助于為城市空中交通飛行器創(chuàng)建一個類似的系統(tǒng)。

優(yōu)步航空工程總監(jiān)湯姆·普里沃特表示，從優(yōu)步公司的角度來看，優(yōu)步管理無人機(jī)的方式與管理小型載客車輛的方式差別不大，這些無人機(jī)最初將配備飛行員。

優(yōu)步的設(shè)想是，無人機(jī)在非常確定的飛行路徑上飛行，采用結(jié)構(gòu)化的航路，預(yù)先從其他飛機(jī)上解飛，共享同一空域，如果從直升機(jī)機(jī)場起飛，將非常接近于真正的無人機(jī)。此外，優(yōu)步還準(zhǔn)備進(jìn)軍其他航空領(lǐng)域，將推出更大的空運(yùn)機(jī)，因此優(yōu)步正在努力以期與這些概念相整合。

空中交通管理試點(diǎn)計劃

無人機(jī)系統(tǒng)集成試點(diǎn)計劃(IPP) 旨在幫助美國聯(lián)邦航空局(FAA) 制定新法規(guī)，以便將無人機(jī)安全可靠地集成到國家空域系統(tǒng)中。美國聯(lián)邦航空局代理行政官Dan Elwell 此前曾談到美國聯(lián)邦航空局如何與無人機(jī)創(chuàng)新者和運(yùn)營商合作。美國聯(lián)邦航空局已選定 10個州、地方政府作為該計劃的參與者，提案范圍包括邊境保護(hù)和運(yùn)送食品包裹到部署無人機(jī)系統(tǒng)，支持超視距操作無人機(jī)在邊遠(yuǎn)社區(qū)運(yùn)行，在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行管道檢查和測量，在惡劣的氣候條件下進(jìn)行救援等。這些提議旨在幫助確定如何更好地運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)，以及如何整合美國各種類型和規(guī)模的用戶。

美國運(yùn)輸部長趙小蘭在最近的一次主題演講中表示，UPP計劃“將為無人機(jī)提供飛行計劃、通信、(飛機(jī)) 分離和天氣服務(wù)，無人機(jī)將在400ft以下運(yùn)行。該系統(tǒng)獨(dú)立于傳統(tǒng)的聯(lián)邦航空局空中交通管理系統(tǒng)，但與之相輔相成，有助于建立一個共享的信息網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)空中安全的框架。這將使城市空中交通系統(tǒng)真正受益，因為它們將在這一空域內(nèi)運(yùn)行。從無人機(jī)包裹投遞中收集的數(shù)據(jù)將可能證明在車輛、系統(tǒng)、程序和基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)方面是有用的，甚至可以用來搭載和運(yùn)送乘客?！?/p>

趙小蘭補(bǔ)充說，優(yōu)步正在參與宇航局的無人機(jī)系統(tǒng)交通管理計劃和美國聯(lián)邦航空局的無人機(jī)系統(tǒng)集成試點(diǎn)計劃(UPP) ，該計劃最初由美國運(yùn)輸部于2018年5月指定10個公私合作伙伴組成。佛羅里達(dá)州邁爾斯堡的李縣蚊蟲控制區(qū)曾是該項目的牽頭機(jī)構(gòu)之一，但已退出項目。

在無人機(jī)系統(tǒng)交通管理試點(diǎn)項目下，優(yōu)步正在尋求美國聯(lián)邦航空局的豁免，允許其根據(jù)135部使用小型無人機(jī)的規(guī)定，開展119部的補(bǔ)償或雇傭航空公司業(yè)務(wù)，計劃在圣地亞哥運(yùn)送食品包裹。

優(yōu)步航空工程總監(jiān)普雷沃特表示：“所有這些為我們想進(jìn)一步追求空中出租車的空域一體化模式奠定了基礎(chǔ)，我們希望利用從無人機(jī)交通管理過程中吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)，與聯(lián)邦航空局合作，將無人機(jī)交通管理的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到城市空中交通類型的操作，以使我們能夠快速地擴(kuò)大規(guī)模。”

谷歌母公司Alphabet的子公司W(wǎng)ing公司已經(jīng)開始在赫爾辛基開展送貨試驗，作為目前在澳大利亞堪培拉運(yùn)營的商業(yè)服務(wù)的后續(xù)。

以色列的Flytrex公司將在冬季結(jié)束后的幾周內(nèi)重啟在冰島的商業(yè)送貨。該公司首席執(zhí)行官亞里夫·巴什表示，2018年該公司向雷克雅未克的13個地點(diǎn)提供了快遞服務(wù)，今年夏天將提供“數(shù)十個地點(diǎn)”的快遞服務(wù)。

下一個目標(biāo)是美國的Wing和Flytrex計劃在今年晚些時候，在美國聯(lián)邦航空局的無人機(jī)系統(tǒng)集成試點(diǎn)計劃下開始送貨。Wing公司將在弗吉尼亞州西南部運(yùn)營，F(xiàn)lytrex公司將在北卡羅來納州運(yùn)營。

在無人機(jī)系統(tǒng)集成試點(diǎn)計劃下，F(xiàn)lytrex將在羅利郊區(qū)的霍利泉懸停并將食物放在后院。Flytrex公司首席執(zhí)行官稱，集成試點(diǎn)計劃“是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，計劃2020年時擴(kuò)大業(yè)務(wù)。Flirtey公司于2016年7月在美國進(jìn)行了美國聯(lián)邦航空局批準(zhǔn)的首次無人機(jī)送貨飛行，將藥物運(yùn)送到弗吉尼亞州農(nóng)村的一家診所，并計劃2020年時在集成試點(diǎn)計劃的框架下開始在內(nèi)華達(dá)州里諾市運(yùn)送自動除顫器和商業(yè)包裹。

單一歐洲天空ATM研究

單一歐洲天空ATM研究(SESAR) 項目在芬蘭灣U空間項目的首次試驗從6月開始，在赫爾辛基進(jìn)行了“城市無人機(jī)艦隊在警察干預(yù)下的行動”演示驗證。8月22日，無人機(jī)將在芬蘭托爾巴卡和愛沙尼亞穆拉斯特之間的海灣上空進(jìn)行包裹投遞等7種操作場景演示，包括無人和有人飛機(jī)的混合組合。

圖1 在Uber Elevate峰會上，一架Uber Eats外賣無人機(jī)在日產(chǎn)LEAF零排放汽車上。

芬蘭灣U-Space項目

圖2 今年夏天，歐洲芬蘭灣U-space項目將演示7種無人機(jī)操作方案

SESAR把U-space描述為一種面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，其中，空中導(dǎo)航服務(wù)提供商(ANSP) 和U-space服務(wù)提供商(USSP) 通過全系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)(或SWIM、發(fā)布-訂閱、數(shù)據(jù)共享平臺) 進(jìn)行通信。U-space服務(wù)提供商通過基于SWIM的飛行信息管理系統(tǒng)(FIMS) 訪問航空、天氣和飛行信息。

據(jù)SESAR項目，擬議中的數(shù)據(jù)交換層可能受制于一個由空中導(dǎo)航服務(wù)提供商擁有的中央體制，該體制向U-space服務(wù)提供商提供獨(dú)特的服務(wù)。芬蘭灣項目不僅解決了從飛行信息管理系統(tǒng)到U-space服務(wù)提供商的連接問題，還提出了將無人系統(tǒng)與選定的U-space服務(wù)提供商服務(wù)連接起來的開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

邁特公司發(fā)布商業(yè)太空運(yùn)營概念架構(gòu)

5月初，研究機(jī)構(gòu)邁特公司(Mitre) 公布了一個商業(yè)太空運(yùn)營的概念架構(gòu)，設(shè)想“地對空”交通管理、高空飛行規(guī)則以及使用“任務(wù)代理”幫助公司獲得發(fā)射許可。

在一次由美國商會主持的圓桌會議活動上，邁特公司首席系統(tǒng)工程師迪安·福爾默描述了這一架構(gòu)，即在基于動態(tài)分離標(biāo)準(zhǔn)的高空飛行規(guī)則下，結(jié)構(gòu)化交通流量將在空域過渡區(qū)實施，該過渡區(qū)為地表以上6萬英尺到33萬英尺的卡門線邊界。

迪安·福爾默表示，由于在過渡區(qū)運(yùn)行的空中車輛性能非常多樣化，且該地區(qū)的位置報告或監(jiān)視能力有限，隨著用戶數(shù)量的不斷增加，需要預(yù)先協(xié)調(diào)以實現(xiàn)安全隔離。

迪安·福爾默補(bǔ)充說，高空規(guī)則和結(jié)構(gòu)將確保對于進(jìn)入該空域的新用戶和傳統(tǒng)用戶都是安全和有效的，預(yù)計在這一過渡區(qū)的業(yè)務(wù)將有10倍的增長潛力，包括熱氣球、無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)、超聲速和高超聲速飛行器都在這一區(qū)域活動。未來將超過6萬英尺空域。

邁特公司計劃在發(fā)射地點(diǎn)——美國宇航局位于弗吉尼亞州海岸的沃洛普斯飛行設(shè)施——與工業(yè)界和政府利益相關(guān)者建立伙伴關(guān)系，在建模和仿真環(huán)境中合作開發(fā)“可執(zhí)行架構(gòu)”。

巴航工業(yè)建議開發(fā)新的城市空中交通管理方案

巴航工業(yè)“市場加速器”子公司Embraerx建議，需要一個城市空中交通管理(UATM) 系統(tǒng)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)空中交通管制與未來城市UAM車輛的自主ATM之間的差距。

根據(jù)在新澤西州亞特蘭大市舉行的美國空中交通管制協(xié)會(ATCA) 技術(shù)研討會上介紹的概念，UATM系統(tǒng)將以正在為美國、歐洲和其他地方的小型無人機(jī)開發(fā)的UTM概念為基礎(chǔ)，涉及ANSP的監(jiān)督，但由第三方城市空域服務(wù)提供商執(zhí)行。

在5月15日的研討會上，EmbraerX業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)兼UATM負(fù)責(zé)人戴維·羅特布拉特表示，如果空中交通行業(yè)繼續(xù)按預(yù)期擴(kuò)大規(guī)模，加上常規(guī)航空公司和通航交通在內(nèi)，基于語音通信來管理這一龐大體量將難以為繼，將可能成為限制該行業(yè)增長的因素。”

戴維·羅特布拉特說：“在社區(qū)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)顯示無人駕駛交通管理已經(jīng)為客機(jī)做好準(zhǔn)備之前，我們建議需要一種城市空中交通管理的變體來填補(bǔ)這一空白?！?/p>

在2018年5月的Uber Elevate峰會上，EmbraerX公布了一款電動垂直起降飛機(jī)，預(yù)計2021年開始試飛。該電動垂直起降飛機(jī)是一架能載4名乘客的有人駕駛飛機(jī)。

圖3 EmbraerX 電動垂直起降飛機(jī)在城市環(huán)境下運(yùn)行想像圖

圖4 無人機(jī)交通管理支持城市空中交通的發(fā)展

戴維·羅特布拉特說：“只要繼續(xù)有提供城市空中機(jī)動飛行的試點(diǎn)飛機(jī)，預(yù)計在未來幾年這一情形將持續(xù)，我們必須創(chuàng)建一個空中交通管理解決方案，以滿足飛機(jī)和航電能力的最低共同區(qū)間，解決方案將隨著時間的推移而不斷發(fā)展”。

UATM系統(tǒng)方案

在UATM系統(tǒng)中，空中導(dǎo)航服務(wù)提供商將監(jiān)督服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)，或?qū)⑦@一責(zé)任委托給第三方，類似于美國聯(lián)邦航空局對小型無人機(jī)的低空授權(quán)和通知能力(LAANC) ，后者被認(rèn)為是完整UTM系統(tǒng)的組成部分。

通過LAANC程序，商業(yè)運(yùn)營商可以申請授權(quán)，使用美國聯(lián)邦航空局指定的服務(wù)供應(yīng)商提供的應(yīng)用程序，在機(jī)場附近受控空域駕駛無人機(jī)。這些應(yīng)用程序?qū)w行計劃與美國聯(lián)邦航空局設(shè)施地圖上的空域網(wǎng)格匹配，該地圖描繪了無人機(jī)可以安全飛行的預(yù)先批準(zhǔn)區(qū)域和高度。

城市開展城市空中機(jī)動行動所需的6項服務(wù)為：空域程序設(shè)計、動態(tài)空域管理、飛機(jī)流量管理(間距) 、系統(tǒng)用戶之間的信息交換、確保航班符合飛行計劃的一致性監(jiān)測以及飛行授權(quán)。

例如，在動態(tài)空域管理的情況下，城市空域服務(wù)提供商將使用預(yù)先定義的一套空域結(jié)構(gòu)，根據(jù)交通需求、天氣條件、緊急情況或其他需要改變結(jié)構(gòu)或操作程序的情況，開放、關(guān)閉或移動航線。

城市空域服務(wù)提供商也是城市空中機(jī)動空域的管理機(jī)構(gòu)，無論是第三方還是空中導(dǎo)航服務(wù)提供商，將負(fù)責(zé)確保城市空域中的所有利益相關(guān)者按照一套共同的規(guī)則和程序工作。

UAM市場研究舉例——天氣狀況

博思艾倫咨詢公司高級首席技術(shù)專家科琳·萊切在ATCA研討會上發(fā)表的一篇技術(shù)論文中提到，博思艾倫咨詢公司評估了10個城市的季節(jié)性天氣狀況以確定城市空中交通管理的潛在運(yùn)營限制。天氣問題是博思艾倫咨詢公司為宇航局航空研究任務(wù)委員會開展的城市空中交通管理市場調(diào)查的一部分。

科琳·萊切表示，通過關(guān)注歷史天氣觀測，計算了影響條件的季節(jié)平均值，考察了這10個城市發(fā)生不同天氣現(xiàn)象的頻率。

這項研究收集的數(shù)據(jù)包括來自每天兩次發(fā)射氣象探測氣球時的垂直氣象探測數(shù)據(jù)、機(jī)場和其他地點(diǎn)每小時的氣象機(jī)場地面狀況報告，以及飛行員觀察到的情況報告。之后，研究人員計算了從上午7點(diǎn)到下午6點(diǎn)的城市空中交通管理車輛預(yù)計運(yùn)營日不同天氣現(xiàn)象的頻率。

以舊金山和奧克蘭為例，強(qiáng)地面風(fēng)超過了20km。下午在舊金山國際機(jī)場出現(xiàn)的頻率明顯高于奧克蘭，這表明在舊金山灣西側(cè)，風(fēng)對城市空中交通的影響可能更大。該研究評估了不同地點(diǎn)之間的差異，匯總結(jié)果以評估季節(jié)差異。在不同的天氣條件和頻率下，影響評分從1(最低) 到10(最高) 不等。

科琳·萊切指出，首先要注意的是，大約一半的城市空中交通管理運(yùn)營日可能會受到幾個城市地區(qū)的天氣影響，特別是在紐約、丹佛和達(dá)拉斯。如果從季節(jié)性角度看，大多數(shù)城市地區(qū)，尤其是東北部、德克薩斯州和丹佛市的大部分地區(qū)，在冬季和春季會有大量受影響的時間。

作為更廣泛的城市空中交通管理市場研究的一部分，加州大學(xué)伯克利分校對五個城市的1700名受訪者進(jìn)行了一項調(diào)查，以評估公眾對城市空氣交通的看法。調(diào)查顯示，人們對在惡劣天氣中飛行“普遍感到擔(dān)憂”。

關(guān)于人們是否做好準(zhǔn)備“應(yīng)對”城市空中機(jī)動，博思艾倫咨詢公司認(rèn)為，大眾很可能只是準(zhǔn)備好接受近期內(nèi)空中出租車在有限地點(diǎn)和有限的范圍運(yùn)行。 ■