欧洲U-space无人机空域蓝图及其关键技术研究

昵称m5Gu5 2019-10-20

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来源：防务快讯

作者：王璨

简介：随着无人机在娱乐和商业领域的广泛应用，对无人机需求也在不断增长（无人机市场的规模也在不断扩大）。目前欧洲没有统一的监管或技术框架来规范无人机的运行，因此欧洲委员会提出U-space无人机空域蓝图，旨在将民用和军用无人机无缝集成到现有的环境和空域类别中，使无人机与有人机可以安全有效地运行。

图1 无人机安全融入空域

欧盟委员会预计，至2035年，无人机服务每年将为全球市场带来超过100亿欧元的经济效益，至2050年每年将超过150亿欧元。U-space将为日益增长的无人机经济铺路，提升无人机驾驶员的态势感知能力，促进利益相关方、监管机构和空域管理机构之间的数据共享。

在2016年11月的一次欧盟高层会议上，欧盟交通运输事务专员Violeta Bulc提出了U-space的概念，由此产生了《华沙宣言》，并授权单一欧洲天空空中交通管理研究计划（SESAR）联合执行体（SJU）负责制定U-space空域蓝图，并在2017年6月正式发布。2018年3月， SESAR联合执行体发布了将无人机安全集成到各类空域的路线图。该路线图为U-space计划的重要组成部分，包含了一系列服务、程序和技术，并详细介绍了实施步骤。

1、 U-space概念

图2 U-space的4阶段服务

U-space是一系列新的服务，在特定程序的高度数字化和自动化的保证下，规范大规模无人机安全、有效使用空域的功能，并优先考虑了超低水平空域（VLL）的无人机运行。

同时，U-space也是一个实施框架，确保无人机在各个等级的空域和各种空域环境中，即使是最拥堵的空域环境，任何类型的常规任务依然能顺利开展。随着时间的推移，无人机自动化程度将逐步提高，U-space服务也将进一步发展。

U1 基础服务：无人机注册、识别和静态地理围栏服务等标准服务和技术对于任何无人机运行都是必不可少的。无人机的注册可以通过用户身份识别卡（SIM）等设备来完成。首先，使用全球移动通信系统（GSM）网络获得飞行授权，然后检查地理数据库以查看无人机可以飞行的区域，即视距内飞行。

U2 初始服务：由服务提供商公布无人机在U-space系统中的飞行计划，并可通过手机应用程序访问等方式支持无人机驾驶员制定更完善的计划。U-space系统可以存储关于用户和无人机的信息，随后将该数据传输给服务提供商从而获得飞行授权。U-space系统仍在开发中，目前还没有完全受到认可的U-space服务提供商或者授权组织。

U3高级服务：为无人机在交通密集地区更为复杂的运行提供支持，可能包括为冲突监测，自动监测和避障功能等方面提供支持。

U4全面服务：在无人机和U-space系统的高度自动化、连通性和数字化的背景下，提供与有人机的集成接口服务，支持U-space的全面运行能力。

U1于2019年实施，包括一套基础服务系统（电子注册、电子身份识别和地理围栏）。U2将在2021年部署一套更完整的初始服务系统，包括与ATM系统的程序接口。U3/U4将于2025年开始，期间实现ATM和UTM系统之间的完全集成。这些服务将逐步在低空飞行中实现更复杂的安全无人机运行。

图3 U-space服务等级

2、U-space关键技术

目前用于无人航空的许多技术都可用于无人机，包括数字无线电和数据链技术、GPS和中继通信等。此外，地理围栏系统正在发展，包括3G、4G和5G在内的非航空通信技术也在测试阶段。

2.1地理围栏

U2不断更新静态地理围栏信息，并通过移动端应用程序更新给用户，旨在为用户提供简单易懂的信息。

SESAR 联合执行体发起Geosafe项目，作为欧盟U-space计划的一部分，该项目旨在为无人机系统（UAS）建立最先进的地理围栏解决方案。该项目由泰雷兹公司负责管理，得到Aeromapper、AirMap、Atechsys、Airmarine和SPH Engineering等公司的支持。地理围栏解决方案是确保无人机避开特定区域的关键安全因素，可保证无人机规避在关键基础设施（如发电厂或机场）周围飞行的风险。Geosafe项目的目标是建立U-space最先进的地理围栏解决方案，并为未来的地理围栏系统定义提出改进和建议。

图4 无人机地理围栏范例

2.2无人机跟踪

SESAR联合执行体也在关注无人机跟踪功能，致力于研究需要跟踪信息的用户以及其目的。跟踪服务带来了关于认证准确性的各种服务质量要求。例如，如果驾驶员使用低成本的广播式自动相关监视（ADS-B）系统，则难以进行认证，无法依赖数据确保安全。为了避免不必要的跟踪影响到重要的1090MHz频段，联合执行体正在评估不同的跟踪技术，例如通过手机等移动设备使用全球移动通信系统网络对无人机的位置进行三角测量。

2.3 超视距（BVLOS）运行

图5 无人机城市空中移动概念图

法国等国家已经允许BVLOS飞行，但受到严格规定的制约，需事先获得授权。大规模的BVLOS可能会在U3阶段中实现，预计到2020年后才能看到这样的运行。在隔离空域中，BVLOS比有人飞行更容易实现。目前，业界正在努力实现无需隔离的无人机BVLOS飞行。

BVLOS很可能需要目标检测和防碰撞系统，业界正在探索技术解决方案，但还未有结果，仍然有许多问题需要解决。例如，非认证系统会引发安全问题，特别是用于规避有人机。这是一个非常棘手的问题。SESAR联合执行体、无人机规则制定联合体（JARUS）、欧洲航行安全组织（Eurocontrol，以下简称欧控）、欧洲民用航空设备组织（EUROCAE）等机构正在考虑这一点。