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无人机空管,向超视距运行迈进

发布时间:2017-03-06浏览次数:
无人机空管改革仍然会遵循“先爬、后走、最后跑”模式。不过,比起有人航空器管制体系和空管体系耗时数十年的改革,无人机空管改革的步伐要快得多。

 

庞大需求推动立法


当前各方对于商用小型无人机市场需求的预测差别很大。其中,美国市场的需求预测数据大体上获得各方的认可——每年会有50万架以上。

根据美国联邦航空局(FAA)的预测数据,到2017年美国商用小型无人机的保有量高达190万架。为跟上无人机飞速发展的步伐,FAA着手制定了两部新的法规。

 

第一部法规FAR 107已于2016年8月颁布实施。按照FAR 107的规定,已取得证照并注册了无人机(重量在25kg以下)的运营人(本文中“运营人”一词既可能指商用无人机驾驶员,也可能指其所属的公司),可以在非管制空域内进行日间视距内的商业取酬飞行,同时必须满足其他多项限制条件。

 

第二部法规预计将于2017年8月定稿,它将允许驾驶员使用多架小型无人机进行超视距(BVLOS)飞行,这将会对业界带来更大的影响。FAA认为,一旦法规放松了对超视距运行和单人操纵多架无人机的限制,商用无人机的总体需求将快速增长,而且很可能超过先前的预测。

 

NASA引领技术体系顶层设计


无人机的超视距运行要想安全融入现有的空域体系,必须考虑空管、监视导航、探测防撞、频谱管理等关键问题。美国航空航天局(NASA)提出了一种无人空管体系框架,并与FAA和工业界一起创建运行模型,这些技术将于2020年逐步向FAA移交。

 

无人机空管(UTM)的原型架构是一个概念界面,NASA称之为飞行信息管理系统(FIMS),它可以接入现有的各种空管自动化系统中。

 

NASA和工业界成功进行了FIMS的功能模拟测试。这些功能将催生一些新的第三方公司,作为无人机商业运营者和FAA、空中航行服务提供方(ANSP)、军方、警察之间的中介组织,它们被称作无人机系统服务商(USS)。其中一项功能是允许多个USS向FAA提供有关无人机运行的关键信息;也可以要求USS从FAA或ANSP接收相关信息。

 

通过FIMS从USS传递到ATC的信息流,包括飞行器细节信息、运行的日期和时间、地理区域、最大高度、飞行目的、实时通告等。通过FIMS从ATC传回到USS的信息流包括飞行计划是否被空管部门接受及其授权状态在飞行前和飞行中的变化情况。

 

除了与FIMS的交换数据,USS也将为运营人管理空中交通事务、接收请求(或飞行计划)、在起飞前解决运营人之间的冲突问题,以及为运营人提供地形、气象、监视和性能信息。

 

典型解决方案


ANRA技术公司最近推出了一个无人机运行系统与服务平台(OSS),它可以承担USS的角色。当然,前提是FAA决定采用上述架构。OSS可以为商业无人机提供一个全自动的运行管理系统。以移动通信塔架巡检任务为例,OSS可以处理飞行计划相关工作,可以在巡检飞行作业期间掌握无人机的指挥和控制,视频和传感器信息的分析报告将在短时间内发给运营人。

 

对于高度150m以下非管制空域内的飞行,FAA的初步态度是管制员只考虑无人机的运行异常(通过FIMS),比如,出现偏离航线的情况。一旦管制员出于安全考虑,需要一架无人机落地或重新安排飞行区域时,空管部门应当通过FIMS与USS进行联系。对于在管制空域内的UAS飞行,FIMS将成为关键性的通信端口,确保FAA或ANSP能将有人和无人航空器安全地融入统一的空域体系中运行。

 

泰雷兹作为空管自动化系统的主要厂商,在有人和无人驾驶航空器混合空管系统研究方面处于“愿景阶段”。泰雷兹方案的重点是解决商用快递无人机和优步等公司提出的自主驾驶个人航空器的运行问题。泰雷兹公司空管业务预研负责人马克·帕尔默表示,“我们已经开发了一些系统架构和原型,并努力让我们的‘愿景’被广泛分享和认可”。他表示,这种“愿景”的各种方案有很多支持者,它们之间的差异可能会很大,比如,有的方案没有包含无人机自主管理和飞行(UTM)机制,有的概念则倾向于由ANSP控制所有无人机,无论其在哪个区域飞行。

 

泰雷兹更倾向于中间方案,即包含一个基于飞行计划的运行场景,其中一部分空域转交给UTM系统,用于无人机运行;而一些低空空域可以无须监管,并用于娱乐飞行(航模)。泰雷兹的方案会考虑其他无人机的实时活动状态,并通过大数据输入把影响无人机性能的细微气象条件考虑在内,进而做出批准或者调整飞行计划的决定。有时会出现一些计划外情况,比如,无人机与有人机的飞行计划存在冲突,这就需要系统具备一定灵活性。帕尔默说:“如果你驾驶着一架直升机,因某种原因必须下降高度,穿过UTM管理的空域,系统就不得不做出变更,允许直升机通过。”

 

对于效率,泰雷兹倾向于把ATM和UTM结合起来。帕尔默说:“我们的目标是让UTM和ATM部署在同一个云平台和数据共享系统中。”2016年3月,泰雷兹发布了最新的基于云的ECOsystem决策支撑平台。泰雷兹的TopSky空管自动化平台目前在美国140个空管中心获得应用,用于塔台、进近、航路和洋区管制中心。

 

这就是说,相应的流量管理系统也必须是高度自动化的,无人机会由运控中心控制。如有必要,运控中心将通过ATM/UTM混合系统,对单架无人机发布指令。帕尔默说:“我们讨论的问题是,未来的空管系统将自动控制10000架无人机,管制员或监管人员只是监视异常情况。如果我们仍然像对待有人驾驶飞机一样,每一个管制员管理20~50架无人机,这一系统的效率就太低了。如果飞行计划有问题,你必须去修改或中止它,指挥命令必须直接下达给飞行运营人。” 

 

除了通过预研进行创新,泰雷兹公司还从实践中获得经验。南非空管局(ATNS)已经进行了几年的融合空域试验,即在泰雷兹提供的“中央空域管理单元”(CAMU)进行人工输入,以实现对无人机的管制。CAMU是集成到Eurocat X空管系统中的模块,在空域中有无人机飞行的情况下,CAMU可以担当前述FIMS的角色。

 

运营人如果在管制空域内使用无人机,需要按照规定的程序向CAMU发起灵活使用空域(FUA)的请求。根据起飞时刻和任务进度,CAMU软件将预测空中交通流量并向进离港管理软件共享信息。

 

处理过程中将考虑潜在安全问题和特殊限制,例如,是否有合理的通信中断异常处理程序。如果申请在低流量密度空域飞行,运营人的要求“很容易满足”,会被分配一个“特定大小和高度的盒子(即空域)”。如果向在高流量密度的空域飞行,除了前述要求,还会要求运营人提供通信和航空器监视信息。

 

目前,ATNS每周都会收到一到两次无人机飞行申请,通常是测试和展示飞行,因此当前的无人机运行管理机制基本满足要求。不过,ATNS空管服务负责人坦承,这个系统并不足以应对高密度运行。        

(赵鹏、程翰鹏,编译自AW&ST,2016-12-26)

 

来源:国际航空、无人机