Какво означава FIMS за UTM света и дали един размер отговаря на всички?

За последните няколко години бяха положени много усилия за разработване на система, която ще помогне за управлението на дронове, които летят заедно с други потребители на въздушното пространство. Известна като UAS Traffic Management, или UTM, целта е да се създаде система, която да интегрира дронове безопасно и ефективно във въздушния трафик, който вече лети във въздушното пространство на малка надморска височина. По този начин дроновете, които носят пакети, няма да пречат на хеликоптери, близко до летища.

През 2015 г. НАСА призна необходимостта от разработване на свързана с UTM технология и по този начин стартира серия от все по-сложни тестове и оценки, наречени нива на техническа способност (Technical Capability Level – TCL). НАСА си партнира с индустрията и заедно с определените тестови локации на Федералната авиационна администрация (FAA), за разработване UTM рамка, която освен всичко друго ще деконфликтира операции, споделя информация за полета, ще наблюдава информационния поток и ще създава динамични ограничения. Многогодишните усилия по TCL приключват през август 2019 г. и извлечените уроци и развитата способност ще бъдат прехвърлени към FAA. По време на сътрудничеството НАСА предоставя на FAA резултати от изследвания и тестове, които в крайна сметка ще използват тези знания за използване в реалния свят.

Фигура 1 – Референтен интерфейс и граници на заинтересованите страни и участници в UTM

Заинтересовани страни и участници

За да бъде UTM ефективна, тя трябва да създаде екосистема, която свързва всички заинтересовани страни и участници, за да позволи необходимите взаимодействия и информационен поток. Заинтересованите страни и участниците могат да бъдат разпределени в следните четири категории: доставчици на аеронавигационно обслужване (ANSP), привилегировани потребители (обществена безопасност, държавни и местни), доставчици на UTM услуги (UTMSP) и оператори на UAS, както е показано на фигура 1. В този пример ANSP поема отговорността за предоставянето на услуги като откриване, регистрация и разрешаване на операции с дронове. Промишлеността поема отговорността за предоставянето на услуги, вариращи от достъпа до метеорологична информация до свързването на пилота на дронове с екосистемата.

ANSP по целия свят обмислят ролята и отговорностите на заинтересованите страни в рамките на системната архитектура на UTM и изглежда, че няма едно единствено общо решение.

U-пространство

В Европа са започнали успоредни усилия, които напредват с пълна скорост. През май 2019 г. Европа постигна съгласие относно набор от правила и процедури за експлоатация на дронове. Тези правила ще бъдат приложени от държавите-членки и Европейската агенция за авиационна безопасност (EASA) до средата на 2020 г. Европейската комисия, съвместно с EASA, се споразумяха да работят в тясно сътрудничество с държавите-членки за спешно разработване на институционална, регулаторна и архитектурна рамка за конкурентен пазар на услуги за UTM. Тази версия на UTM в Европа се нарича U-space, в която присъства и концепцията на FIMS.

U-space може да бъде определено като дигитална система, предоставяща набор от автоматизирани функции, услуги и процедури за осигуряване на безопасни, сигурни, устойчиви и ефективни операции на въздухоплавателното средство в конкретен обем въздушно пространство. U-space е благоприятна рамка, създадена да улесни всякакъв вид рутинни мисии във всички класове въздушно пространство и всички видове околна среда – дори и в най-натоварената среда – като същевременно се адресира подходящ интерфейс с пилотирана авиация и управлението на въздушното движение. В подкрепа на тази инициатива, през 2017 г. Съвместното предприятие „Изследване на единното европейско небе за управление на УВД“ (SESAR) изготви план на U-space, визия как да се направи оперативното пространство. Проектът предлага прилагането на четири групи услуги по прогресивен начин в подкрепа на авиационната стратегия и регулаторната рамка на Европейския съюз за дронове:

• U1: U-space основни услуги, обхващащи електронната регистрация, електронната идентификация и геофазирането.
• U2: Начални услуги на U-space за управление на операции с дронове, включително планиране на полети, одобрение на полета, проследяване и взаимодействие с конвенционален контрол на въздушното движение.
• U3: Усъвършенстван U-space, поддържащи по-сложни операции в натоварени области като помощ за откриване на конфликти и автоматизирани функционалности за откриване и избягване.
• U4: Пълни услуги на U-space, предлагащи много високи нива на автоматизация, свързаност и дигитализация както за дрона, така и за системата.

Какви са предизвикателствата?

Системата UTM ще бъде малко по-различна от системата за управление на въздушното движение (ATC), използвана от ANSP и органите на гражданската авиация (CAA) в днешния комерсиален въздушен трафик. UTM ще се основава на цифрово споделяне на планираните данни за полета на всеки потребител (или пилот). Всеки потребител на UTM ще има една и съща ситуационна информираност за въздушното пространство. Важен компонент на екосистемата UTM е системата за управление на полетната информация (FIMS) – критична способност.

FIMS е шлюз за обмен на данни между участниците в UTM и ANSP и CAA системи (ANSP & CAA Systems – ACS), чрез който ACS може да предоставя директиви и да предоставя съответната информация за Националната система за въздушно пространство (NAS), достъпна до операторите чрез мрежата на UTM. ACS също използва този шлюз като точка за достъп до информация за операции (според изискванията) и е информирана за всякакви ситуации, които биха могли да окажат влияние върху NAS. FIMS предоставя механизъм за обща информираност за ситуацията сред всички участници в UTM и е централен компонент на цялостната UTM екосистема.

FIMS е централен компонент, базиран на облак, който действа както като мост към NAS, така и като посредник на информация между заинтересованите страни и участниците. Връзките към FIMS се осъществяват чрез доставчик на услуги на UTM (UTMSP), който отговаря на минималните изисквания за сертифициране за функционалност, качество на обслужване и надеждност, които най-вероятно ще се определят от CAA. Тези UTMSP поддържат целия жизнен цикъл на безпилотната мисия. Информационните връзките и комуникациите между UTMSP и FIMS са през интернет и са изградени на базата на индустриални стандарти и протоколи, за да се гарантира оперативна съвместимост между множество UTMSP. FIMS също действа като централна структура, към която УВД и обществените услуги – основни заинтересовани страни – могат директно да въвеждат заявки, които засягат въздушното пространство, като например ограничения, но също така да извличат информация. Например, спешните служби може да се наложи да ограничат достъпа на дронове до географска зона поради пилотиран хеликоптер, който извършва аварийно кацане на полет, за да вземе жертва на произшествие. Обществените служби ще могат да извличат историческа информация относно дронове, като телеметрия на полетната линия в случай на разследване на злоупотреба.

В контекста на UTM FIMS трябва логически да поддържа следните функционални възможности:

• Регистрация и лицензиране
• Осигурете равномерно използване на въздушното пространство
• Определения, ограничения на въздушното пространство, зони забранени за полет и NOTAM
• Известие и разрешение за контролирано въздушно пространство
• Обмен на данни между пилотиран и безпилотен самолет
• Идентичност и удостоверяване на доставчиците
• Управление на ограниченията
• Потенциална деконфликтност на плановете за полети, идващи от различни UTMSP, които предоставят услуги в едно и също въздушно пространство
• Inter-UTMSP базиран на ефективността обмен на данни и извън номинално отчитане
• Мащабируемост за приспособяване към увеличаване на операциите и разширяване на обхвата
• Мониторинг на състоянието

Въпреки че тези функции могат да бъдат причислени към възможностите на FIMS, моделът на внедряване на тези функции може да варира значително и всяка от характеристиките може да бъде централизирана или федеративна и това може да се премести от областта на ANSP в сферата на UTMSP. Например, тактическата деконфликция във федеративна архитектура е по-сложна, тъй като алгоритмите за деконфликтиране трябва да бъдат универсални стандартизирани и приети от всички UTMSP. Това е подобно на проблем, с който индустрията вече се е сблъскала за авиониката TCAS / ACAS в търговската авиация.

Въздействие на FIMS между централизирана срещу федеративна архитектура

Продължава дискусията за това дали най-ефективната UTM архитектура е централизирана или федерална. Правилният отговор се влияе от много фактори, като се включват географският регион, регулаторната среда и бизнес моделите, преобладаващи в тази област на разполагане, която най-вероятно е цяла държава. Следователно ролите и отговорностите на FIMS и UTMSP могат да варират значително в зависимост от това дали е част от централизирано или федерално решение.

За най-ефективно UTM решение се препоръчва смесена архитектура, която е пригодена чрез използване на елементи на централизирани и федерални възможности. Това изисква FIMS да играе централна роля в арбитражното управление на въздушното движение за пилотиран и в някои случаи безпилотен трафик във въздушно пространство със смесена употреба, когато е необходимо, и действа като единно упълномощен ориентир за критична информация за пилотирания въздушен трафик. Въпреки тази централизация на някои услуги и отговорности, в комбиниран модел UTMSPs са обединени, за да поддържат възможност да се състезават в рамките на определени от правителството регламенти, за да предоставят допълнителни, добавени функции на своите клиенти и да насърчават иновациите.

Фигура 2 – Сравнение на централизирани и федерални модели

Смесеният модел предоставя няколко предимства по отношение на ясното разпределение и контрол на функциите за управление на безопасността на въздушното пространство по недвусмислен и ефективен начин, като по този начин се намалява необходимостта от сложни изисквания за обмен на информация в широк спектър UTMSP. В някои случаи CAA ще иска да запази тези услуги в рамките на централизиран FIMS, в други случаи може да иска да прехвърли елементи към UTMSP. Необходимите (и нововъзникващите) стандарти за безопасност са по-лесни за валидиране и UTMSP са в състояние да предоставят ефективни услуги на безпилотните оператори, използвайки последователен източник на данни, без да се налага да разчитат на сътрудничеството между UTMSP и UTMSP, за да споделят позиции и подробности за планирането на мисията. Фигура 2 изобразява как има относително изместване на отговорностите на FIMS в зависимост от подхода.

Общи логически отношения и интерфейси

В UTM мрежата има множество заинтересовани страни и UTMSP трябва да комуникират директно помежду си в допълнение към комуникацията с FIMS. Това е способност, активирана от федералния подход и е от решаващо значение за намаляване на комуникационната латентност и ненужното споделяне на информация. Например, операция UAS, която се лети в Бостън, не е необходимо да бъде споделена с UTMSP в Сан Франциско, но тя се нуждае от взаимна комуникация с други локални UTMSP операции в Бостън.

В случай на припокриващи се зони на обслужване, UTMSP могат да споделят нови съобщения за експлоатация, дейности на оператора, когато е необходимо (напр. Несъответстващи полети в близост до тяхната собствена експлоатация) и съответна полетна информация, когато две полетни операции се пресичат. Регулаторът също има директно средство за взаимодействие със системата, за обработка или изследване на регистрирани данни, предоставяне на разрешения и одобрения и надзор на общи UTM процеси. Регулаторът може също така да разполага със средство за промяна на регулациите, които могат да бъдат кодирани във FIMS, което е възможно да позволи прилагането на регулациите по цифров и гъвкав начин в бъдеще.

Един аспект, който изисква по-нататъшно обмисляне, е, че когато използва централизация на ключови услуги, FIMS се превръща в единствена точка на отказ. Тази уязвимост изисква робъстни технологии и архивиране на планове за намаляване на прекъсванията и намаляване на рисковете до приемливи нива.

FIMS осигурява на текущите авиационни операции средство за координиране на въздушното движение и в крайна сметка подобряване на информираността за ситуацията. Едно от съображенията е интегрирането със съществуващи наследени системи за УВД, за да се предостави подходяща информация на екосистемата на UTM, без да се затрупва ATC. Един от ключовите принципи на UTM е автоматизацията и затова има нежелание за затрупване на АТС с данни за дронове, които нямат никаква стойност или значение.

Резюме

Няма един размер, който да отговаря на всички решения. Вместо това препоръчваме FIMS решение, което се адаптира към UTM архитектура, което трябва да отчита регулаторните и бизнес модели на CAA. Независимо какъв подход се използва, FIMS трябва да бъде в състояние да изпълнява ролята на фасилитатор за управление на въздушното пространство за свързване на заинтересовани страни, да опрости изискванията за обмен на информация между UTMSP, ANSP и публичните услуги и да помогне за планирането на най-ефективно използване на въздушното пространство, като същевременно поддържа най-високите нива на безопасност.