关于城市空中交通框架中空域整合的国际研究视角

 

 

城市空中交通 (UAM)，也称为高级空中交通运营 (AAM)，为航空运输系统提供了机遇和挑战。本文介绍了 IFAR 专家对空域整合进行的科学评估的初步结果。随着 AAM 概念的探索和发展，技术领域概述和最先进的评估确定了各国之间的差异和共性。除了 IFAR 成员国的概念发展之外，还进行了差距分析，其中包括早期和长期用例，并概述了将 UAM 操作安全地集成到全球空中交通管理系统中所需的关键研究领域。利用现有技术可以实现早期集成。还讨论了跨术语、运行概念、与现有空域用户整合的方法、交通管理概念和所需能力以及指导规则的国际标准化需求。

关键词：先进的空中机动性，城市空中机动性，空域一体化，标准化，技术差距分析

 

1.    简介

在世界各地，从小型无人机系统 (sUAS) 或无人驾驶飞机到大型载客电动垂直起降 (eVTOL) 概念的新型创新飞行器正在开发中，它们能够改变航空在日常生活中的作用.这些车辆具有全球当前空中交通管理 (ATM) 系统目前未提供的独特操作特性。除了新的运营特征外，与现有交通负荷相比，这些运营预计还会增加交通密度和速度。这些操作的另一个特点是驾驶舱和地面系统的自动化水平不断提高，以及与基础设施相关的需求，因为车辆计划在大都市中心以及区域和农村环境中运行。结合这些因素提出了独特的运营挑战和研究需求，特别是在空域整合领域。随着 UAM 行业和研究社区的成长和发展，已经编写和发布了一些概念和愿景，概述了潜在的操作概念、路线图和用例。其中包括美国 FAA 和 NASA [1]、[2] 的概念和愿景、欧洲 EASA [3] 和 EUROCONTROL [4] 以及日本 METI 和 MLIT [5] 的概念。鉴于世界上许多国家正在进行的开发和研究，国际航空研究论坛 (IFAR) 成立了一个来自成员国的专家小组，以就新兴的 UAM 功能和概念进行协作和共享信息。该组的专家们涵盖了从车辆开发和自动化到垂直起落场运营的多个主题。本文重点介绍来自空域整合的 IFAR 专家的合作以及确定可能需要国际协调的共同研究领域的初步工作。

1.1      术语说明

应该注意的是，本文通篇使用了城市空中交通 (UAM) 一词，它指的是使用创新的飞机配置（例如 eVTOL），能够在人口稠密的城市地区内和上方实现高效、安全的运行。但是，下面详述的用例和相关技术超出了城市环境。在美国，联邦航空管理局 (FAA) 和 NASA 定义了一个更广泛的术语，高级空中机动性 (AAM) [6]，其中包括范围广泛的车辆、创新技术，并涵盖城市、区域和跨区域运营.然而，正如欧盟航空安全局 (EASA) [7] 的一份报告中所强调的那样，这两个术语所涵盖的定义和操作范围并没有正式达成一致。尽管如此，出于本文的目的，假设 UAM 和 AAM 被视为连贯的概念。此外，无人驾驶飞机系统 (UAS) 交通管理 (UTM) 操作与预计使用 U-SPACE [4] 的 UAM 操作之间的界限也很模糊，需要在研究界进一步讨论。2.操作和用例概述如上所述，sUAS 和载客或载货的 eVTOL 等新进入者需要安全地集成到传统和现有的运输机制中。从空域的角度来看，今天的航班目前受到管理并与其他用户安全隔离，无论是客运还是货运，有人驾驶还是无人驾驶。为了研究如何以安全高效的方式整合新进入者，该团队考虑了世界各地讨论的 UAM 用例，并研究了实现此类用例需要解决的现有技术和差距。本节中提出的研究结果不一定涵盖所有可能的情景，旨在为相关研究问题提供初步的国际视角。总体而言，正如世界各地各种运营概念所描述的那样，UAM 运营在突出四个关键领域方面是一致的。这些领.本文的重点是空域设计和交通管理系统集成中参考的空域集成挑战。这些操作还具有三个主要属性的组合：交通密度、操作复杂性和对自动化的依赖。UAM 运营的整合通常意味着新的空域结构以及空中交通管制员和运营商等现有系统实体不断变化的角色和责任。参考的概念暗示 UAM 空域整合应该是安全和高效的，对现有空中交通管理系统的影响最小。一些概念建议提高空中交通管制员的自动化水平，并转向分布式架构，而不是传统上建立的集中式架构。除了空域整合之外，运营概念还认识到需要整合空域和垂直起降场运营。由于为 UAM 的地面服务和着陆面规划了功能和自动化，因此预计空域服务和垂直起降场运营之间将进行信息交换，以确保着陆位置以及大量其他数据（例如着陆时的天气和监视）可用地点。为了扩大运营规模，预计空域服务和垂直起降场运营商之间将进行数字信息交换。这种集成将是可扩展、高密度和批量操作所必需的。以区域为中心的 ConOps 是可能的，但从运营商的角度来看，一定程度的兼容性是朝着一套标准的要求、程序和规则发展的必要条件。但是，本地规则的可能性/适应性应该保留，也许要遵循国际社会定义的某些最低要求。这种结构允许开发两类用例来考虑空域整合挑战和研究领域：早期或近期用例和长期用例。在此结构中，国际团队一致认为，早期用例的特点是包括 sUAS 集成和运输试点操作，而长期用例将提高车辆和地面系统的自动化水平，从而减少依赖性整个系统中的人类。关于早期用例的时间框架及其运营整合有多种解释，但在本文中，我们认为 UAM 运营的早期用例将在 2025 年至 2035 年之间实现。长期用例预计将在 2035 年之后出现. 这种方法是对美国 UAM 成熟度级别 (UML) 时间框架 [8] 和 SESAR H2020 X-TEAM D2D UAM 项目 [9] 中假设的方法的补充。例如，SESAR 项目概述了三个视野：2025 年的参考视角、2035 年的近期视角和 2050 年的长期视角。日本经济产业省制定的空中机动路线图考虑了几个发展和实施阶段：2020 年代初期、中期2020 年代和 2030 年及以后 [10]。

2.1    早期（近期）用例

世界各地的早期（近期）用例各不相同。然而，无论是从操作角度还是从监管角度来看，一些应用程序似乎被普遍认为更有可能并且能够集成到空域结构中。遵循欧洲 ASURED-UAM 项目 [11]、NASA 的 AAM 研究 [2] 和 JAXA 的研究 [12]、[13] 的其他成果，两个主要的早期用例组：货物和乘客的点对点转移和公益（也称为紧急）服务。

2.1.1     货物与旅客点对点中转

预计近期运营将使用潜在的新基础设施和不断发展的运营结构，使货物和乘客能够在既定路线上转移。最常被引用的用例是空中出租车，它将以与撰写本文时按需空中出租车类似的方式运行，即它们的起飞和降落地点将是垂直起降场（可能包括现有机场位于市区内）[6]、[10]。在这种近期情景中，将利用具有有人驾驶配置的车辆并利用现有的空域结构、程序和规则进行载客量小的运营。早期用例主要考虑要驾驶早期载客的 UAM 航班 [8]、[11]。然而，实施和运营方面的考虑取决于世界地区、监管变化以及管理机构的态度，以及与运营类型相关的风险（例如航班过多的地区）。虽然预计载客操作将在无人驾驶的情况下进行，但在货物运输的情况下，大多数设想是远程驾驶或无人驾驶的自动化操作 [11]。最后一英里交付经常作为早期货运 UAM 用例之一进行讨论。这些业务的好处是可以进入难以进入或偏远地区，例如，将货物运输到日本的偏远岛屿和郊区 [5]。这些操作可能不依赖于新的基础设施，例如垂直起落场，因此可以在地面基础设施不允许及时和/或高效交付服务的情况下运行。 UAM 运营可以通过支持货物运输来扩展这些地区的连通性。

2.1.2    公益运营

自许多国家开始 UAM 用例讨论以来，公益运营一直备受关注。公共产品一词用于涵盖诸如出于医疗目的运送人员或货物、支持救灾行动、启用新的野火扑灭模式以及紧急情况下的人员运送（例如空中救护车）等服务.例如，早期的 sUAS 和有人驾驶飞机集成已经在日本和美国进行了测试和讨论，因此下一步将扩展到 UAM 操作 [12]、[14]。可以确定两种主要类型的公共服务（紧急）运营：新进入者在现有运营中取代传统车辆，以及由于新进入者提供的扩展能力而使新任务/运营成为可能。运输伤员、必要的医疗设备和用品也得到了公众的高度认可。这种扩展操作的一些初始步骤包括通过 sUAS 运输血液样本 [15] 和除颤器 [16] 已经在欧洲得到证明。

2.2    长期用例 

与近期用例中的预定点对点操作相反，长期操作被设想为包括按需操作、操作复杂性增加、自动化水平更高和流量更大 [2]， [11]. 空中出租车和个人 eVTOL 操作，包括免费路由在内的此类长期愿景已在全球范围内发布 [3]、[5]、[6]。除了扩展到按需用例之外，长期用例的特征通常是 AAM 或 UAM 操作的规模或数量不断增加。为了适应这一点，UAM 航班可能会使用新颖的空域结构，例如走廊和/或运行空间，以提供与传统飞机的战略隔离，并在需要时分配路线。随着交通量的增加，走廊等新型空域的结构可能会变得更加复杂。随着系统的测试和验证，以及在系统中与人工代理建立足够的信任之后，将引入更高级别的自动化（例如远程驾驶的 eVTOL、远程 ID 等）。随着自动化的进步，长期用例将需要过渡到安全和一致的数字基础设施网络，这将实现车辆对地面通信以及车辆对车辆通信的考虑。长期用例还将看到公共和紧急服务操作的多样性和复杂性增加，包括与现有飞机的更多集成操作。除了操作的复杂性和混合性增加之外，预计在人口稠密的地区会有更多的常规操作。此用例不仅取决于上述技术的进步，而且还取决于全球不断发展的政策和法规。

3.     与现有航空用户和系统的集成

与传统交通、sUAS 和其他新进入者的集成对于安全高效的 UAM 操作是必要的。根据车辆配置和性能特征，UAM 车辆预计可在 AGL 2000 英尺至 10,000 英尺的空域内运行。在存在需求的情况下，将需要与传统空中交通相结合。在名义运营期间，与传统 ATM 利益相关者的整合将是必不可少的。例如，在美国，重点放在 3000 英尺 AGL 及以下（G 类）空域和机场附近。在全球许多空域中，受管空域中的 UAM 集成将需要解决方案来限制与 ANSP 和空中交通管制员的互动，以防止给现有空中交通管理系统带来负担。预计在不受控制的空域中整合 UAM 操作将面临挑战，因为在这些空域中可能有更多的飞机根据目视飞行规则 (VFR) 飞行。目前的 sUAS 操作发生在非常低​​的空域，而不同国家的上限可能略有不同，这些操作通常发生在 400 或 500 英尺以下。UAS 交通管理 (UTM) 系统和 UAM 操作之间存在预期的相互作用。考虑到在大多数国家/地区，UAM 操作被设想为使用 UTM 空域以上的高度，终端操作特别令人感兴趣，除了过渡到着陆或离开。在全球许多地方部署 UTM 以帮助在极低高度 [17]、[18]、[19]、[20] 安全高效地运行 sUAS。一些概念设想 sUAS 交通管理系统将被进一步利用和开发以管理 UAM 航班。然而，世界范围内对这一研究领域尚未达成共识。一些国家为 sUAS 和 UAM 操作设想了一个单一的系统 [21]，而其他国家则期望类似的联合概念适用于 UAM，但考虑到乘客运载操作的复杂性，可能存在架构和概念上的差异。 UTM 专注于传统航空很少使用的部分空域，而 UAM 车辆将在现有用户已经占用的空域飞行，因此必要的集成度要高得多。除了常规和 sUAS 集成外，公益任务还需要与低空操作进行更多交互，因为搜救和空运等任务包括低空部分。与现有航空整合的需要需要多层次的方法。 整合来自传统流量和新进入者的信息需要调查。 还需要提高自动化水平，特别是对于以更高密度和更复杂为特征的长期运营。 

4. UAM 空域一体化重点研究领域 

除了对用例和常见操作特征进行评估外，IFAR 专家团队还进行了差距分析，并确定有几个关键研究领域可能需要全球协调。

 主要研究领域包括：

 • 意图分享

 • 最低间隔

 • 协作冲突管理

 • 通信、导航和监视

 • 空域设计和程序

 • 空域和垂直起降场互动

 正如本文前面所讨论的，每个 ConOps 都考虑了空域和垂直起落场的设计和交互。 虽然地理位置也起着一定的作用，但 UAM 运营商和航空电子设备开发商需要具备许多共性才能支持全球各地的无缝飞行。 例如，在欧洲，可能需要更多的标准化，因为过多的本地 ConOps 会掩盖操作。 因此，可以安全地假设某些要素需要协调，特别是在高级别），同时仍然允许区域调整，这些将由国际社会进一步定义。下面是对其余四个研究领域的一些更详细的讨论。意图共享对于消除所有级别的冲突至关重要，无论用例如何。在战略层面，正在研发的新型空域结构，如 U-Space、UTM 运行量和 UAM 走廊，都依赖于一定程度的意图可预测性和共享。在战术层面，需要自分离技术。意图共享包括向空域的所有用户通报 UTM 航班、UAM 航班和传统航空的用户和用例。启用意图共享和共享态势感知以为飞行计划提供信息可能需要新的性能和操作要求，以便与 UAM 航班共享空域。随着高级检测和规避算法、降噪功能、精确导航技术和车对车 (V2V) 通信等技术的发展，以及用例的发展，信息需求也会随之发展。假设能力更强的飞机将能够飞行最有效的首选航线，但是，必须仔细调查和了解混合装备飞行对系统的影响。因此，目前不习惯或不需要提供此类详细飞行计划或认证机制的当前用户将需要轨迹预测和意图共享，以实现冲突检测和避免非合作交通。因此，强大的态势感知、可靠的飞行计划和消除冲突技术将是必要的。

4.2     最小间隔

需要为 UAM-UAM、UAM-UTM、UTM-地面车辆和 UAM-传统交通定义最小间隔。间隔最小值是根据车辆性能和操作特性确定的，但 UAM 车辆的数据并不容易获得。然而，针对 UTM 分离最小值和地面车辆的研究是欧洲的一个探索领域 [22]。此外，鉴于 UAM 将采用的操作规则仍在讨论中，最低间隔标准不一定类似于有人驾驶航空中的现有定义。除了固定间隔最小值外，还应考虑动态间隔以支持适应性空域整合需求和各种用例，例如公益保护伞下的用例。不同的配置、一系列的性能特征和不同的操作环境需要新的方法来确定间隔最小值。空域配置、与 UTM 和 ATM 的集成、车辆的能力和风险评估都应该发挥作用。一旦定义了最低间隔标准，就可以量化交通密度，这将使研究人员和从业人员能够分析各种空域和 UAM 运营之间的差异和共性。 

4.3     协同冲突管理

随着意图共享的概念随着时间的推移和跨用例的发展，必须考虑在战略和战术领域的合作意义上的冲突管理。 ICAO 的全球空中交通管理概念 [23] 定义了三个层次的冲突管理：战略、间隔规定和避免碰撞。随着 UTM 的发展和对允许在协作意义上进行冲突管理的联合系统的需求增长，并利用传统的三层以及跨运营商共享责任的附加组件 [24]。这一概念应扩展并应用于 UAM 空域整合，但应针对载客运营和事件严重程度采用适当的基于风险的方法。协作冲突管理的关键推动因素包括需求容量平衡、空域结构、分离和流量管理以及检测和避免能力的服务。目前，VFR 的通行权规则将“看见并避免”（FAA Part 91.113）作为防止失去分离和确保避免碰撞的主要机制。 IFAR 专家同意这个概念需要进化以感知并避免允许常规 sUAS 操作和远程驾驶 UAM 操作。感知和避免的概念是硬件、传感器融合能力和算法的结合，以保持清除潜在冲突，从而使车辆避免危险和碰撞。这已被确定为 UAM 运营的关键推动因素。对于战术分离，UAM 飞行员在近期用例中将利用“看见”和“避免”来视觉检测和机动绕过其他飞机，但这不是一个安全可扩展的选项。正在开发其他分离方法，例如自动化的机载“检测和避免”系统。随着流量水平的增加，将需要 DAA。飞行员和操作员使用的软件的良好人为因素设计将有助于 UAM 操作的安全。此外，碰撞避免可以通过使用战略碰撞避免算法、避免映射和路径规划来实现 [21]。UAM 和 AAM 操作不仅与载人航空相互作用，而且与地面有人驾驶和自动驾驶车辆以及起重机等潜在物体有多个接触点，尤其是在 U-Space 中。欧洲目前的研究主要集中在 sUAS 和地面车辆的冲突消除上。这项工作包括开发战术冲突管理系统，该系统可用于以安全有效的方式同时处理 UAM 和地面交通 [22]。虽然协作冲突管理对于合作交通可能是可行的，但在规划跨各种用例的空域整合时需要考虑设备和性能要求。对于周围车辆可能未主动共享意图信息的用例尤其如此。

4.4     通信、导航和监视

弹性和安全的通信、导航和监视 (CNS) 基础设施也被确定为 UAM 运营和空域整合的关键推动力。这些功能将使车辆与地面运营商、运营商与 ANSP、车辆与车辆以及以日益自动化的方式执行操作可能需要的其他服务之间进行数字信息交换。除了通信链路外，还需要导航和监视能力的准确性和可靠性，以支持低空的 UAM 操作，正如 sUAS 和 UAM 操作所期望的那样。导航功能还将允许增加基于性能的导航、基于轨迹的操作、各种天气条件下的操作，并且随着操作规模 [2]、[25] 的长期 UAM 用例将需要这些功能。 CNS 基础设施将支持协作冲突管理、精确进近和离场程序，以及解决非合作交通的能力。除了技术发展需要之外，IFAR 团队还确定还应考虑各种区域性挑战。偏远和农村地区可能无法提供足够的可用性和准确性的导航和监视功能。在城市地区，建筑结构和广泛的交通可能会阻止传统雷达功能按预期运行。该领域需要进行大量研究和合作，以开发潜在的解决方案并确定 CNS 框架的哪些方面需要协调。

4.4     通信、导航和监视

弹性和安全的通信、导航和监视 (CNS) 基础设施也被确定为 UAM 运营和空域整合的关键推动力。这些功能将使车辆与地面运营商、运营商与 ANSP、车辆与车辆以及以日益自动化的方式执行操作可能需要的其他服务之间进行数字信息交换。除了通信链路外，还需要导航和监视能力的准确性和可靠性，以支持低空的 UAM 操作，正如 sUAS 和 UAM 操作所期望的那样。导航功能还将允许增加基于性能的导航、基于轨迹的操作、各种天气条件下的操作，并且随着操作规模 [2]、[25] 的长期 UAM 用例将需要这些功能。 CNS 基础设施将支持协作冲突管理、精确进近和离场程序，以及解决非合作交通的能力。除了技术发展需要之外，IFAR 团队还确定还应考虑各种区域性挑战。偏远和农村地区可能无法提供足够的可用性和准确性的导航和监视功能。在城市地区，建筑结构和广泛的交通可能会阻止传统雷达功能按预期运行。该领域需要进行大量研究和合作，以开发潜在的解决方案并确定 CNS 框架的哪些方面需要协调。

5.    演员角色和责任的演变

IFAR 专家确定的另一个研究领域是需要详细说明在近期和长期开展 UAM 运营可能需要的新参与者或实体；此外，对于新参与者，确定还需要对两个用例中所有新参与者和现有参与者的角色和责任进行功能分配。IFAR 专家一致认为，UAM 飞机运营整合的近期用例将取决于系统中的现有实体以促进运营。这些实体包括飞机上的机长 (PIC)、运营商以及空中航行服务提供商。然而，随着用例规模的扩大和随着时间的推移而发展，将有更多的实体必须在数字交互和功能分配方面加以考虑。美国 [1]、欧洲 [4] 和日本 [10] 已经确定，随着需求的增加，机队运营商、远程指挥飞行员、垂直起落场运营商、第三方空域提供商及其网络以及地方市政当局和政府组织的角色。

6.    对政策法规的影响

正如协作冲突管理部分所述，现有的飞行规则和程序可能足以满足近期用例的需求，但是，为了实现操作的可扩展性和自动化水平的提高，需要通过政策和法规的变化来解决这些问题。 这政策和监管方面的考虑范围包括空域结构、程序、飞行规则以及实现更远期用例所需的其他考虑因素。 欧洲已经发布了几项法规，例如 U-Space 空域法规（EC 法规 2021/664），以及在 U-Space 和反之亦然的载人交通法规（2021/665 和 2021/666）[ 26]。 此外，全球监管机构正在为 eVTOL 车辆开发合规性手段，同时还通过模拟和飞行测试收集数据，以了解政策如何演变以支持可扩展且安全的 UAM 运营。

7.    结论

城市空中机动 (UAM) 车辆将需要与传统航空、小型无人机系统 (sUAS) 和其他潜在的新进入者安全有效地整合到现有空域中。 整合 UAM 车辆的影响涉及空域下的许多领域，包括空域设计和程序、传统空中交通服务提供商 (ANSP) 和新实体之间不断演变的功能分配、实现数字信息共享、监视和导航能力的技术，以及 政策、飞行规则和条例。 世界各地的行业和 ANSP 组织都在开发运营概念 (ConOps)； 这些 ConOps 需要协调国际运营，同时也允许区域适应。 正在进行的国际研究旨在填补技术空白并实现城市空中交通。