歐洲U-space無人機空域藍圖及其關鍵技術研究

昵稱m5Gu5 2019-10-20

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來源：防務快訊

作者：王璨

簡介：隨著無人機在娛樂和商業(yè)領域的廣泛應用，對無人機需求也在不斷增長（無人機市場的規(guī)模也在不斷擴大）。目前歐洲沒有統(tǒng)一的監(jiān)管或技術框架來規(guī)范無人機的運行，因此歐洲委員會提出U-space無人機空域藍圖，旨在將民用和軍用無人機無縫集成到現(xiàn)有的環(huán)境和空域類別中，使無人機與有人機可以安全有效地運行。

圖1 無人機安全融入空域

歐盟委員會預計，至2035年，無人機服務每年將為全球市場帶來超過100億歐元的經(jīng)濟效益，至2050年每年將超過150億歐元。U-space將為日益增長的無人機經(jīng)濟鋪路，提升無人機駕駛員的態(tài)勢感知能力，促進利益相關方、監(jiān)管機構和空域管理機構之間的數(shù)據(jù)共享。

在2016年11月的一次歐盟高層會議上，歐盟交通運輸事務專員Violeta Bulc提出了U-space的概念，由此產(chǎn)生了《華沙宣言》，并授權單一歐洲天空空中交通管理研究計劃（SESAR）聯(lián)合執(zhí)行體（SJU）負責制定U-space空域藍圖，并在2017年6月正式發(fā)布。2018年3月， SESAR聯(lián)合執(zhí)行體發(fā)布了將無人機安全集成到各類空域的路線圖。該路線圖為U-space計劃的重要組成部分，包含了一系列服務、程序和技術，并詳細介紹了實施步驟。

1、 U-space概念

圖2 U-space的4階段服務

U-space是一系列新的服務，在特定程序的高度數(shù)字化和自動化的保證下，規(guī)范大規(guī)模無人機安全、有效使用空域的功能，并優(yōu)先考慮了超低水平空域（VLL）的無人機運行。

同時，U-space也是一個實施框架，確保無人機在各個等級的空域和各種空域環(huán)境中，即使是最擁堵的空域環(huán)境，任何類型的常規(guī)任務依然能順利開展。隨著時間的推移，無人機自動化程度將逐步提高，U-space服務也將進一步發(fā)展。

U1 基礎服務：無人機注冊、識別和靜態(tài)地理圍欄服務等標準服務和技術對于任何無人機運行都是必不可少的。無人機的注冊可以通過用戶身份識別卡（SIM）等設備來完成。首先，使用全球移動通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡獲得飛行授權，然后檢查地理數(shù)據(jù)庫以查看無人機可以飛行的區(qū)域，即視距內(nèi)飛行。

U2 初始服務：由服務提供商公布無人機在U-space系統(tǒng)中的飛行計劃，并可通過手機應用程序訪問等方式支持無人機駕駛員制定更完善的計劃。U-space系統(tǒng)可以存儲關于用戶和無人機的信息，隨后將該數(shù)據(jù)傳輸給服務提供商從而獲得飛行授權。U-space系統(tǒng)仍在開發(fā)中，目前還沒有完全受到認可的U-space服務提供商或者授權組織。

U3高級服務：為無人機在交通密集地區(qū)更為復雜的運行提供支持，可能包括為沖突監(jiān)測，自動監(jiān)測和避障功能等方面提供支持。

U4全面服務：在無人機和U-space系統(tǒng)的高度自動化、連通性和數(shù)字化的背景下，提供與有人機的集成接口服務，支持U-space的全面運行能力。

U1于2019年實施，包括一套基礎服務系統(tǒng)（電子注冊、電子身份識別和地理圍欄）。U2將在2021年部署一套更完整的初始服務系統(tǒng)，包括與ATM系統(tǒng)的程序接口。U3/U4將于2025年開始，期間實現(xiàn)ATM和UTM系統(tǒng)之間的完全集成。這些服務將逐步在低空飛行中實現(xiàn)更復雜的安全無人機運行。

圖3 U-space服務等級

2、U-space關鍵技術

目前用于無人航空的許多技術都可用于無人機，包括數(shù)字無線電和數(shù)據(jù)鏈技術、GPS和中繼通信等。此外，地理圍欄系統(tǒng)正在發(fā)展，包括3G、4G和5G在內(nèi)的非航空通信技術也在測試階段。

2.1地理圍欄

U2不斷更新靜態(tài)地理圍欄信息，并通過移動端應用程序更新給用戶，旨在為用戶提供簡單易懂的信息。

SESAR 聯(lián)合執(zhí)行體發(fā)起Geosafe項目，作為歐盟U-space計劃的一部分，該項目旨在為無人機系統(tǒng)（UAS）建立最先進的地理圍欄解決方案。該項目由泰雷茲公司負責管理，得到Aeromapper、AirMap、Atechsys、Airmarine和SPH Engineering等公司的支持。地理圍欄解決方案是確保無人機避開特定區(qū)域的關鍵安全因素，可保證無人機規(guī)避在關鍵基礎設施（如發(fā)電廠或機場）周圍飛行的風險。Geosafe項目的目標是建立U-space最先進的地理圍欄解決方案，并為未來的地理圍欄系統(tǒng)定義提出改進和建議。

圖4 無人機地理圍欄范例

2.2無人機跟蹤

SESAR聯(lián)合執(zhí)行體也在關注無人機跟蹤功能，致力于研究需要跟蹤信息的用戶以及其目的。跟蹤服務帶來了關于認證準確性的各種服務質(zhì)量要求。例如，如果駕駛員使用低成本的廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)，則難以進行認證，無法依賴數(shù)據(jù)確保安全。為了避免不必要的跟蹤影響到重要的1090MHz頻段，聯(lián)合執(zhí)行體正在評估不同的跟蹤技術，例如通過手機等移動設備使用全球移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡對無人機的位置進行三角測量。

2.3 超視距（BVLOS）運行

圖5 無人機城市空中移動概念圖

法國等國家已經(jīng)允許BVLOS飛行，但受到嚴格規(guī)定的制約，需事先獲得授權。大規(guī)模的BVLOS可能會在U3階段中實現(xiàn)，預計到2020年后才能看到這樣的運行。在隔離空域中，BVLOS比有人飛行更容易實現(xiàn)。目前，業(yè)界正在努力實現(xiàn)無需隔離的無人機BVLOS飛行。

BVLOS很可能需要目標檢測和防碰撞系統(tǒng)，業(yè)界正在探索技術解決方案，但還未有結果，仍然有許多問題需要解決。例如，非認證系統(tǒng)會引發(fā)安全問題，特別是用于規(guī)避有人機。這是一個非常棘手的問題。SESAR聯(lián)合執(zhí)行體、無人機規(guī)則制定聯(lián)合體（JARUS）、歐洲航行安全組織（Eurocontrol，以下簡稱歐控）、歐洲民用航空設備組織（EUROCAE）等機構正在考慮這一點。

圖6 Phantom 3商用無人機超視距演示

3、 U-space的未來發(fā)展

2019年將出版歐洲UTM系統(tǒng)運行概念的最終版本，這對U-space發(fā)展至關重要。將使所有歐洲利益相關方能夠共同推進U-space服務及其與有人航空的協(xié)調(diào)。SESAR的探索性研究項目將提供演示結果，與歐洲UTM系統(tǒng)的運行概念整合，進一步促進無人機運行的發(fā)展。

SESAR聯(lián)合執(zhí)行體將發(fā)布歐洲ATM總體規(guī)劃的新版本，總體規(guī)劃中首次考慮無人機運行以及有人航空的發(fā)展。在研究領域之外，歐洲航空安全局（EASA）將繼續(xù)發(fā)揮監(jiān)管作用。