欧洲U-space无人机项目及其演示验证系统介绍

简介

无人机服务的不断发展将带来显著的经济增长和社会效益，无人机行业的发展取决于无人机在所有空域领域（包括超低空域）的运行能力。因此，制定支持无人机运行和流量管理的解决方案至关重要。

SESAR联合执行体已启动一系列项目，确保无人及安全地融入空域。这些项目将解决无人机系统（UAS）和遥控飞机系统在低空空域运行遇到的问题，是实现U-space的最初步骤。

1U-space无人机项目

在探索性研究中，SESAR联合执行体的“欧洲无人机交通管理（UTM）系统的运行概念（CORUS）”项目等多个特定区域的技术项目致力于定义U-space的全部运行概念。除了由联合执行体牵头的工作外，一些外部组织和国家正在开展有助于U-space发展的重要项目，随着U-space的迅速发展，预计到2019年底可以使用U1及部分U2服务。

1.1 运行概念项目——CORUS

欧洲空中交通管理系统运行概念（CORUS）由SESAR联合执行体和欧盟的“地平线2020”计划资助，旨在为U-Space开发一个运行概念以管理欧洲超低水平空域的无人机。该项目以U-space蓝图和ATM总体规划为基础，对未来两年超低水平空域无人机操作所需的服务进行详细定义。该项目的目的如下：

• 清楚地描述运行概念，制定明确的使用案例，并描述如何最大限度地减少非紧急情况下的安全损失；

• 解决不受管制空域和受管制空域（如机场）附近的无人机运行问题；

• 制定一个概念使所有不同类别的空域用户能够安全地互动，同时考虑到突发事件和紧急情况；

• 确定安全隐私、噪音等社会关键问题，并提供解决方案以提高社会接受度；

• 确定必要的服务和技术开发，量化所需的安全和性能水平，并提出初步的结构描述；

• 实施全面的沟通和传播活动，以确保在整个项目周期内尽可能推广项目成果。

• 1.2 信息管理项目

  1）IMPETUS项目

  SESAR正通过实现无人系统集成的信息管理端口（IMPETUS）项目研究和测试U-space的信息管理解决方案。IMPETUS项目通过回顾整个无人机运行生命周期（从任务和个人飞行计划开始，包括飞行规划、任务和飞行执行，到客户最终接收服务），确定无人机用户的信息需求。空中交通管理（ATM）和U-space之间存在的许多显著差异都与信息规模有关。无人机信息服务更加详细、多样化和动态化。与现有的解决方案相比，关键安全信息需要更高的保真度，例如需要地理空间信息服务以确保场面放行、需要本地天气信息以计算无人机航迹的不确定性，以及需要非常规导航源（如泛在无线信号和基于视觉的导航）从而在本地范围内获得更精确的导航。

  图1 U-space信息管理

  IMPETUS项目将复制信息管理架构的几个方面，以评估该架构是否能够解决U-space系统面临的挑战。其中一个实验将探讨无人机冲突服务如何与系统中的其他服务进行交互，并根据动态交通量尽可能扩大无人机空域容量。这种动态规划能力将极大地提高空域利用率，但也会提高空中交通管理解决方案的复杂性和要求在上述空域内运行的无人机系统具备更强大的能力。IMPETUS项目希望证明该信息管理架构不仅具有技术可行性，而且可以起到协调和贯通不同服务的作用。信息管理方法完全支持U-space的灵活性、可用性和可扩展性目标，并推动高密度空域运行（运行须具备灵活的反应能力和对客户端数量变化的快速适应能力）。

  在完成服务交互测试后，测试团队将在最终报告中进行总结并提供完整的需求列表，将作为实施U-space最终架构的参考。

  2）DREAMS项目

  无人机欧洲航空信息管理（AIM）研究（DREAMS）项目的重点是提出无人机航空信息管理解决方案，分析运行和技术现状、环境方案、技术、安全和安保影响，以确定U-space空域结构、地形、障碍物和天气等方面的数据服务提供者和所需设施。

  信息管理是U-space的关键，欧盟委员会的愿景是在包括城市地区在内的所有类型的运行环境中进行高度自动化的复杂无人机运行。为了实现这一愿景，现有的航空信息必须符合无人机系统（UAS）运营商的具体需求，并满足无人机运行中涉及的其他利益相关方（如其他空域用户、服务提供商、空中交通管理人员和航空当局）的航空信息共享要求。DREAMS项目将分析航空信息的当前和未来需求，以支持无人航空的发展，确保无人机运行安全。

  DREAMS项目的主要目标是：

• 填补传统的有人航空与新兴的无人航空需求之间的差距；

• 分析和模拟当前和未来的实际应用，确保系统可以随着无人机市场的增长和应用数量的增加而不断扩展；

• 分析和验证信息交换相关的技术，这些技术有助于实施未来U-space概念，用于管理欧洲无人机。

• 1.3 数据链项目——DroC2om

  无人机关键通信（DroC2om）项目定义了无人机系统集成卫星数据链规范。该项目基于实验无线电研究和系统模拟的数据链路的设计和评估。主要目标是设计蜂窝卫星系统架构概念，确保远程控制以及半自动和全自动小型无人机的可靠和安全运行。

  DroC2om项目将设计和评估用于数据链路的集成蜂窝卫星系统架构概念，确保使用U-space服务的无人机能够安全有效地运行。

  1.4 地面技术项目

  1）TERRA项目

  欧洲空中交通管理遥控飞机系统（RPAS）技术研究项目（TERRA）分析超低空域的无人机运行的性能要求，并确定可满足性能要求的现有或新的地面技术，提出支持运行的技术架构。

  利用先进技术，开发基于地面的U-space架构，该架构将：

• 容纳大量无人机（自主和遥控）；

• 在有人和无人混合模式环境中；

• 专注于超低水平空域运行，可能扩展到其他航班领域；

• 为自主运行铺平道路。

• 该架构关键组成的概念验证：

• 探索架构在非常规运行中的弹性（例如ADS-B链路丢失、GPS中断等情况）；

• 能够应对各种假定（无人机和有人机）流量水平；

• 探索从目前自主水平到完全自主过程中不同场景的运行概念矩阵。

• 图2 TERRA项目概念图

  2）CLASS项目

  无人机系统的洁净天空项目（CLASS）关注U-space的追踪和监视服务。目标是将现有的技术结合起来，以构建无人机交通管理的核心功能。功能包括地理围栏（无人机飞行员如果侵入未经授权的区域则自动发出警告、无人驾驶飞行员被警告他将离开预定义区域），冲突检测和解决能力。CLASS项目符合U-space计划中定义的U-space服务U1、U2和U3阶段。该项目提高了无人机系统交通监控技术的成熟度。

  图3 CLASS项目概念图

  2 U-space项目演示验证

  得益于欧盟“连接欧洲设施”计划框架内的SESAR联合执行体提供的资金，一系列无人机演示很快将在欧洲城市和乡村地区展开。U-space项目的宗旨是实现安全的无人机交通管理，共融资950万欧元，旨在展示该项目在欧洲的发展现状。

  图4 U-space演示范围

  参与演示的包括Vodafone和Proximus公司、初创企业、中小企业、研究机构、大学、无人机运营商及服务提供者、机场、当地/城市当局、执法机构和民航局。在18个月的时间里，这个扩大的SESAR利益相关方群体将在比利时、爱沙尼亚、芬兰、法国、希腊、意大利、荷兰和西班牙的多个城市和乡村地区开展演示活动。

  他们将共同展示U-space服务的准备情况，以管理包括两个人口密集城市之间的包裹递送、医疗紧急情况和警方干预、海上搜救和森林检查在内的一系列无人机运行和相关服务以及无人机与有人机的交互。考虑到娱乐用户，项目还演示了私人无人机运营商如何从U-space服务中受益。此外，项目将展示可能实现的不同自动化水平，以及多个无人机运营商和服务提供商之间的无缝信息交换。

  表1 U-space演示项目概况

  U-space是一个旨在支持所有类别空域及环境（甚至是最拥挤的环境）中的无人机常规任务的框架，同时也是处理与有人机和空中交通管制的合适接口。完全部署后，由于可持续和强大的欧洲生态系统在全球范围内的互操作性，目前受限制的各种无人机任务将成为可能。考虑到市场增长的速度，U-space的时机至关重要，目标是到2019年提供基础U-space服务。

  各项演示内容如下：

  1）DIODE—D-flight无人机环境互联网

  展示U-space服务到U3的实施过程中如何确保无人机的安全流动，这些无人机有特定的商业或娱乐意图，与有人机以及各种环境完全整合。现场演示活动将在靠近罗马的列蒂进行，在乡村、山区和偏远地区、工业城市和半工业城市等不同的地理环境中进行。演示运行涉及包裹递送、道路交通巡逻、专业摄影、铁路和电力线监视、搜救、机场运行、与通用航空的互动以及消防。

  参与机构包括ENAV、Leonardo、Telespazio、IDS、NAIS等。

  2）DOMUS—多个U-space供应商演示

  说明完整的U2核心服务，以及演示特定的U3服务，例如战术解除冲突，与ATM协作。该演示将涉及三个U-space服务提供商与一个生态系统管理者和数个驾驶来自不同制造商的无人机操作员之间的交互。规划运行将在西班牙的安达卢西亚进行。

  参与机构包括ENAIRE、德国AirMap、CRIDA、Indra Sistemas、西班牙Vodafone等。

  3）EuroDRONE—U-space的欧洲无人机交通管理（UTM）测试平台

  旨在将各种利益相关方（运营商、监管机构、执法机构、产品开发商）和不同系统连接在统一的环境中。该演示将在希腊米索朗基测试U-space到U3的功能。EuroDRONE无人机架构由云软件（DroNav）和硬件（转发器）组成，可安装在无人机上。它是基于软件和硬件的复杂自学系统，在分布式计算环境中运行，提供多种水平的冗余以及用于冲突预防/解决和资产管理的故障安全算法。

  参与机构包括Aslogic、克兰菲尔德大学、Dronsystems 公司、希腊民航局（HCAA）、帕特雷大学（UPAT）等。

  4）GOF U-SPACE—芬兰-爱沙尼亚“芬兰湾”大型U-space演示

  旨在建立一个具有能够集成现有商业现货UTM组件架构的运行前飞行信息管理系统（FIMS）。FIMS的功能将在不同的现场案例中展示，表现最典型的视距内（VLOS）和超视距运行（BVLOS）任务：

• 赫尔辛基和塔林之间的国际包裹递送；

• 在警察干预下赫尔辛基密集的城市无人机机队运行；

• 塔林密集的城市无人机机队在受管制空域的运行；

• 在森林和公用设施检查中100km 以上的超视距多感官检查飞行；

• 在不受管制的机场与通用航空和娱乐用户合作；

• 海上交通监视与芬兰湾的搜索救援相结合；

• 无人机从赫尔辛基-万塔机场飞往赫尔辛基市中心。

• 参与机构包括EANS、Altitude Angel 公司、德国AirMap、芬兰空中航行服务（芬兰ANS）、BVdrone等。

  5）SAFIR -在真实环境中初始U-space服务的安全性和灵活集成

  该演示将展示可操作多架无人机的应用程序，该应用程序在整个欧洲都是可行可靠的并且可以随时实施。将展示U3与智能灵活性相关的广泛运行和服务，包括在受控和非受控超低水平空域的飞行、VLOS和BVLOS飞行、以及与有人机和其他无人机相互影响的飞行。

  演示将在比利时的安特卫普市、安特卫普港和圣特雷登的DronePort测试设施开展，包括安特卫普港的巡查飞行（包括码头集装箱检查、溢油检查等）、包裹递送、医院之间的运输、高压线路测绘和塔架检查。此外，演示将评估电信网络技术在有人机和无人机之间的数据通信。最终将部署一个能够监视其他无人机的雷达系统。

  参与机构包括Unifly、亚马逊、Belgocontrol、DronePort、Proximus公司。

  6）VUTURA—通过城市和乡村地区的测试验证U-space

  旨在说明具有U1和U2服务的公共U-space框架（基于全系统信息管理）如何支持多个U-space服务提供商和多个运营商实施商业上可行的BVLOS操作。该演示将展示在乡村、城市和智能城市环境中的运行。每个场景都涉及两个服务提供商，他们必须协调服务并演示许多现实要素：有人机、不同级别的自动化、现有的无人机与定制的无人机、商用和娱乐用途的无人机。飞行演示将在荷兰的不同地点（代尔夫特、恩斯赫德、弗莱福兰省）与民航当局密切合作进行。

  VUTURA四个主要目标：

• 现有空域用户（有人机）和无人机之间共享空域的使用；

• 多个U-space服务提供商（USP）可以在特定空域提供U-space服务、无人机飞行的管理程序以及空中交通管制（ATC）；

• 确保SESAR的发展和商用USP的服务是一致的，并提出协调（如果需要）、监管和标准化的建议；

• 加快欧洲城市和公司开发无人机相关的新兴技术的步伐。这将改善城市的生活质量，创造社会经济成果，并帮助欧洲公司在新的智慧城市市场中占据领先地位。

• 参与机构包括NLR、代尔夫特理工大学（TUD）、AirMap、Gemeente Enschede、UAVInternational等。

  7）GEOSAFE—在欧洲进行安全自主飞行的地理围栏

  旨在建立有关U-space监管的最先进的地理围栏解决方案，通过在法国普尔里埃、波尔多、蒙特玛尼和瓦朗斯进行广泛的飞行试验活动，对未来地理围栏系统定义提出/评估改进和建议。该活动将采用多个商用的地理围栏解决方案来解决不同情况下的无人机行为，还将对导航系统在地理围栏效率方面的表现进行技术评估。

  参与机构包括AIRMAP、Aeromapper、Airmarine、ATechsys、SPH Engineering和泰雷兹AVS。

  8）PODIUM—用初始UTM管理无人机运行

  PODIUM是U-space的一个重要的大规模演示项目，使用初始UTM演示无人机的运行。该项目由欧控牵头，拥有广泛的合作伙伴。现场无人机运行作为该项目的一部分将在三个国家的四个地点以各种场景进行演示。布雷蒂尼空间中心在法国一个拥有领空的前军事机场设立了一个无人机演示区域，以测试无人机实施任务的不同情景，所有任务与多个服务提供商在同一空域中进行。法国的第二个演示行动是在图卢兹附近的隔离空域外进行的，演示无人机靠近机场区域并通过机场区域运行BVLOS，以测试UTM系统与ATC通信和协调的能力。荷兰格罗宁根机场也将进行演示，该演示将与有人机同时运行。PODIUM的最后一次演示是在丹麦的欧登塞，测试无人机在城市附近的飞行，主要关注检查、交付、搜救和城市运行情况。

  该项目将在丹麦欧登塞、法国布雷蒂尼和图卢兹以及荷兰艾尔德进行四次补充的大规模演示，超过185架无人机参与演示。将为VLOS和BVLOS无人机飞行测试UTM解决方案。演示范围包括乡村和城市地区、机场附近、不受管制和受管制的空域以及与有人机混合环境中的低空运行。

  参与机构包括空客、DSNA、DELAIR、巴黎地区无人机机构、欧控等。

  9）SAFEDRONE——安全无人机运行

  Safe Drone项目于2019年启动，由西班牙高级无人系统空中交通实验室（ATLAS）开展，该实验室具备无人机测试的专用空域。演示人员将进行多种组合飞行，主要关注无人机与通航的运行，测试通航如何使用某些系统来发现并躲避无人机。旨在展示如何在多架飞机飞行环境中将通用航空、国家航空、可选的有人机和无人机整合到非隔离空域。该项目将在西班牙哥斯达黎加（西班牙哈恩）的ATLAS试飞中心进行大量演示，以便积累无人机服务和程序的证据和经验，使无人机在U-space内安全有效地运行。该演示涉及U1和U2服务以及包括自动检测和避让技术在内的U3高级服务的有限版本。

  参与机构包括CATEC、CRIDA、Enaire、IAI、Indra 等。