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eVTOL数字化低空新基建探析

时间:2024年07月08日   来源:

无人驾驶航空器是低空经济的核心,是典型新质生产力,无人机物流和无人机载人将创造新的航空运输业态。电动垂直起降航空器(eVTOL)数字化低空新基建是基于数字化起降场与通感一体数字网络平台的新型低空基础设施,是无人驾驶航空器商业化网络运营的基础。

低空新基建中的感知技术

低空经济作为新质生产力的代表,已通过与快递物流、文娱旅游、个人出行、应急救灾等各种实际业务需求相结合,形成了蓬勃发展之势。

低空飞行架次和飞行时长的快速增长,将催生从隔离飞行到融合飞行的演进。虽然各地持续推进低空空域开放和低空应用的试点,但由于通信、导航及监视、空域数字化技术发展和应用不足,导致低空空域的安全性、用空合规性管理等方面都存在明显的挑战:一是用空合规性管理。由于低空空域感知能力的匮乏和支撑信息的缺失,无法对空域内飞行活动的合规性作出判断。二是安全隐患。低空飞行任务将更加频繁和复杂,传统的人盯屏幕对“非合作”目标、航路/航线偏离、非法进入管制空域、飞行间距过小等安全隐患的识别难以落实。且人工盯看模式容易受到疲劳、情绪、经验等人为因素的影响,从而加大安全风险。

与中高空的航空器管理相比,传统的技术手段难以捕捉“低、慢、小”无人机,管理部门对低空飞行器的监视和通信存在一定的技术局限性。自2023年以来,全球已发生多起运输机场净空区的无人机侵扰事件和直升机起降中因无人机干扰而产生的安全风险事件,其他重要基础设施面临的安全风险形势同样越来越严峻。为解决无人机的安全和高效飞行难题,各国都在探索技术手段。

移动通信技术延续着每十年一个代际的发展规律,已历经第一代1G到第五代5G的发展,每一次代际跃迁,每一次技术进步,都极大地促进了产业升级和经济社会发展。5G作为一种新型移动通信网络,不仅解决了人与人通信的问题,也提供了人与物、物与物通信的新方式,满足移动医疗、车联网、工业控制、环境监测等物联网应用需求。

2021年4月,第三代合作伙伴项目(3GPP)正式将通信感知融合HCS作为5G演进技术5G-Advanced(5G-A)最为关键的特性之一。在以无人机为主要飞行器的低空经济中,通过感知技术提供更精准的导航、定位等服务,提高飞行的安全性与效率至关重要。

5G-A是5G网络的增强和演进,也被称作5.5G,它在速率、时延、连接规模和能耗方面全面超越5G,其中通信感知融合特性将使得未来的通信网络同时具备通信和感知两大功能。通信部分,5G-A基站可实现高带宽、低时延双向通信。感知部分,5G-A基站在特定时隙发射电磁信号、接收物体反射信号,并通过对反射信号的分析实现对覆盖区域内目标如无人机的感知。结合国内各地5G-A测试情况,目前5G-A已实现对小至手掌大小无人机的感知,物理空间偏差达到10米级,置信度达到95%,进一步通过对感知数据的消除不连续点等技术处理,可进一步提高感知精度和置信度,达到低空空域感知应用要求。

基于5G-A技术的低空空域融合通信感知可以充分利用已有的站址许可、供电等塔站资源、回传网络等移动通信地面基础设施,以及遍布全国的专业维护专业技术人才资源,实现网络的易部署、易维护,在保障低空通信高速低时延指标的同时,对航空器的位置、状态等进行全天候高精度监测,提高低空的管理效率。

低空新基建中的垂直起降场地

垂直起降场是指在距离地面一定高度的低空空域内,用于垂直起降航空器(如电动垂直起降航空器、飞行汽车等)的起降点。垂直起降场是城市空中出行(UAM)的重要组成部分,一般由用于低空飞行器垂直起降的起降区和机库组成。这些设施能够为低空飞行器提供安全和高效的运营保障。

《电动垂直起降航空器(eVTOL)起降场技术要求》团体标准于2023年底正式启动编制,并于2024年5月22日在中国民用机场协会第五届中国机场发展大会上发布,是我国首部针对电动垂直起降航空器起降场的技术规范。该标准共分为11个章节,对电动垂直起降航空器起降场的物理特性、障碍物限制、场址选择、净空条件要求、专用设备设施要求等进行了明确阐释。

起降场分类。根据垂直起降场的起降区规模、专用设施配置,可将垂直起降场分类为起降点、起降站和起降枢纽。起降点往往只包含1个机位以及保证安全高效运行的基本保障设施(如安全、标志、消防、气象、通导等设备),甚至可能出现机位和起降区共用的情况。起降站不仅包括包含起降点的所有设施和多个机位、多个起降区,还有能源供应等其他设施。起降枢纽指的是在起降场基础上还包括指挥室、机库、候机区、堆货区等区域,可以与其他地面交通一起构成联运综合客货运枢纽。

场址选址要求。在垂直起降场场址选址中,除了考虑空域条件和净空条件,还需要考虑地理位置、通信导航条件、气象条件、电磁环境条件、生态保护等因素。如在地理位置上,应充分考虑eVTOL飞行活动可能对公共安全、国家安全等带来的影响,应与军事禁区、重要保护设施、加油站等公共设施保持一定安全距离。在通信导航条件上,应充分考虑起降场的通信导航设施信号覆盖的完善,确保满足eVTOL控制、数据传输要求。

净空条件要求。为确保eVTOL起降运行安全,需要对起降场周边空域进行障碍物限制。如在起降场周边空域环境良好时,起降场的障碍物限制面宜参照MH5013《民用直升机场飞行场地技术标准》规定,并以eVTOL最大全尺寸D代替直升机最大旋翼直径RD。

场地物理特性。在起降方式上,eVTOL与直升机有相似之处。参考现有直升机场相关要求,垂直起降场由最终进近和起飞区、接地离地区和安全区组成。最终进近和起飞区、接地离地区表面应为硬质实体,平整并确保有效排水,不应在航空器下洗流的作用下造成表面退化,也不应产生飞散的碎片。接地离地区表面应与最终进近和起飞区连续顺接。安全区如为实体时,其表面应与最终进近和起飞区连续顺接,并能抵抗旋翼下洗流的作用。

专用设备设施。为保障机型的起降安全,起降场地宜包含安全设施、目视助降设施、气象设施、通信导航监视设备、充放电设施、指挥室、机库、候机区、堆货区等保障设施。在安全设施上,针对起降场地的临边防护和人员侵入风险,须做好安全防护措施。在通信导航监视设备上,要满足保障机型的通信、进近引导、周边环境监视等要求,可应用5G-A、广播式自动相关监视(ADS-B)等技术。在指挥室、机库、候机区、堆货区等区域设置上,可结合具体保障机型的适航要求,做好区域规划。垂直起降场专用设备设施可考虑实现状态信息采集及远程控制的功能,接入区域飞行指挥调度中心,实现全区域内起降场的数字化、网络化、智能化。

未来城市空中交通商业化路径

《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则》(CCAR-92部)面向运行场景、基于运行风险对无人驾驶航空器运营进行分级分类管理。未来城市空中交通将按载物、载人、载客、留空和航线飞行进行分类管理。城市空中交通将从点到线、从一条线到多条线,最终形成网,构建规模化的商业运营体系,这是低空经济的未来。

亿航EH216-S型载人无人驾驶航空器将在全世界率先建立载人留空飞行的文旅商业模式和载客航线飞行的空中交通模式。5G-A技术的空域感知能力,将助力智能化飞行管控平台和数字化低空保障体系建设,保障无人机的安全运营。垂直起降场数字化,接入运营云,可催生未来空中商务平台。