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要想获得超视距飞行的许可,无人机运营商必须消除GPS性能恶化的风险

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要想让超视距(BVLOS)飞行变成现实,无人机运营商必须解决GPS信号恶化的问题。有两种思博伦解决方案可以在这方面提供帮助。

超视距(BVLOS)无人机飞行已经离我们越来越近,而且各项限制也在逐步取消。自2018年以来,美国联邦航空局已经72次取消了其联邦法规(CFR)第107.31条中的飞行规则,授权所有小型无人机系统(sUAS)运营商可在无人机具备远程控制飞行员(RPIC)或指定视觉观察员(VO)的条件下执行超视距(BVLOS)飞行。对于重量大于55磅的无人机系统,联邦航空局(FAA)还给予第91条和第61条的豁免 。

在Part 107的迄今为止的豁免受益方中就包括Alphabet的Project Wing(试验型无人机包裹投递项目)、Matternet(试验型无人机医学样本投送),以及ARE(提供基于无人机的公用设施线路检查)。这些都是前景广阔的无人机系统用例,而且联邦航空局正致力于实现此类运营活动中“几乎无可限量的优势”

BVLOS对监管部门和无人机运营商带来了诸多挑战

但联邦航空局(及其全球范围内各对等部门)面临的挑战是确保无人机能够在不产生安全风险的情况下执行超视距飞行,包括其它空域使用方或地面人员和建筑物所面临的风险。这项艰巨的任务涉及重新考虑空域的分隔方式、包含数百万无人机和传统飞行器时的空中交通管理方式,以及对无人机的安全性和适航性进行评估和验证的方式。

目前,联邦航空局超视距航空规则制定委员会(ARC)右箭头图标正在开展这一进程,并在未来几年中形成正式的法规。与此同时,任何希望执行超视距飞行的企业都必须申请联邦法规第107.31条豁免或第61/91条的免除。为实现这一目的,他们必须证明自己的无人机系统可以安全地飞行。

可靠的GPS是所有超视距豁免的基本安全条件

要想获得第107条的豁免,首先要了解联邦航空局命令8040.6条“无人机系统安全风险管理政策”。这项命令的关键要求与GPS的可靠性直接关联。我们所见过的每项第107条豁免(所有豁免都在联邦航空局网站上公布右箭头图标)规定无人机必须在整个飞行过程中具备可靠的GPS信号。

例如,第107条豁免虽已授予Wing、Matternet和ARE,但都包含下列的要求:“无论何时,当GPS信号丢失时,或当GPS位置信息恶化时,此项豁免所涉飞行活动必须中止。”

对于与较大和较重无人机相关的第61/91条免除,联邦航空局的要求是,如果在无法保障飞行过程中的GPS可靠性,禁止启动任何飞行活动。例如,授予A-Cam Aerials的免除条款中规定:“如果出现全球定位系统(GPS)服务中断、信号缺陷、完整性问题、涉及计划操作区域中任何部分的已生效航行通知、或任何影响或可能影响GPS信号功能性和有效性的其它条件,则控制飞行员(PIC)不应启动飞行,而正在执行的飞行也应立即中止。”

为突显对GPS可靠性和性能的相关考虑,该项豁免条款还进一步指出:“地理围栏需要依靠GPS的精度。要想使该软件成为一种有效的风险消减方式,控制飞行员(PIC)必须了解其无人机系统的GPS位置确信度,并将该因素纳入自己飞行计划中。例如,如果无人机系统的GPS位置确信度为+/- 10英尺,则无人机系统和拍摄人员之间应增加10英尺的缓存距离。”

这些要求代表着法规的未来,即导航将构成任何已定义法规中的一个关键组成部分。对于在开放农村空域开展飞行活动而言,这可能算不上是什么问题。但对于在都市或郊区设计的服务来说,这些要求将成为决定成败的关键。

这是因为无人机需要至少四颗具备视距传播条件的卫星的无线电信号(如果使用的是WAAS或SBAS之类的增强服务,则需要六颗),才能准确计算自己的位置。如果与这些卫星间的视线受到树木或建筑物的阻挡或扭曲,即使只是短短的几秒,无人机的GPS接收机也可能暂时失去信号锁定。

GPS可靠性可能成为基于无人机系统商业模型成败的关键

对于在无人机运营中投资的企业而言,这是一个重大的议题。如果无人机在飞行员不得不意外着陆,那么回收无人机和任务失败带来的成本将可能成为难以承受之重。如果在GPS信号可用性无法确定时而无法开展飞行活动,那么整个商业模型的竞争力也将会倍受质疑。

所有这一切都表明,我们需要一种能够解决GPS信号恶化问题的解决方案。如若不然,监管机构可能无法相信某型无人机可以在某些区域安全飞行,而企业也将很难获得在这些区域飞行的许可,而且当GPS问题发生时,需要获得超视距飞行授权才能执行的运营活动也受到干扰。

思博伦提供的是解决GPS信号恶化问题的双重解决方案

那么无人机运营商怎样才能确保在希望或需要飞行的任何地点都能获得可靠的GPS呢?作为全球领先的GNSS测试、测量和保障解决方案供应商,思博伦一直在与航空工业紧密合作,并开发出了一种双重解决方案。

Best-case/worst-case GNSS signal availability in downtown Indianapolis - calculated using GNSS Foresight

解决方案1:GNSS可用性预测解决方案

思博伦GNSS Foresight右箭头图标使用先进的三维建模和波束追踪来预测和绘制GNSS信号可能遭遇恶化的区域,并指出在一天中的哪些时候会发生怎样的情况。无人机运营商可以在飞行前和飞行过程中使用Foresight来查明、预测和规避存在已知GPS性能恶化的区域。

Foresight以两种独立解决方案的方式提供,由客户可根据自己的需求加以选择。Foresight Live可对于地面以上1至100米范围内每一米、每一秒的GNSS进行计算,包括当前时间和未来数日/数小时的时间跨度。通过这种方式,该解决方案可以实现规划和实时的决策,确保GNSS的连续性和可靠性。与此同时,Foresight Risk Analysis(Foresight风险分析)可以提供对特定服务区域的最佳情况、最差情况和90百分位预测,确定在哪些位置的GPS永远可以得到保障。

解决方案2:GNSS关联设备测试解决方案

从GNSS芯片到整个无人机系统,思博伦的硬件和软件解决方案可以测试各类设备在GPS恶化区域内执行导航的能力。无人机运营商可以将这些知识与思博伦GNSS Foresight提供的数据结合起来,以智慧方式确定无人机可安全执行超视距飞行的地点和时间。

如欲进一步了解思博伦如何帮助您实现安全的无人机超视距自主飞行,请参阅我们的电子书实现自主无人机系统导航中的可靠GNSS性能右箭头图标

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Jeremy Bennington

思博伦通信公司定位、导航和授时保障业务副总裁

Jeremy在多个行业的领先新技术和业务创新领域拥有20年的丰富工作经验,包括电信、视频和运输行业。Jeremy目前负责领导思博伦的PNT保障业务,目的是提高各类运营活动中GNSS系统的性能和可靠性。Jeremy不仅活跃在工程和业务领域,他还加入了ITU、CableLabs、SCTE、IEEE、TIA、ASTM、ANSI和其它标准制定机构,确保各行业能够增加对新技术的采用并实现规模经济的优势。Jeremy拥有普度大学的管理学硕士和计算机工程学士学位,并且是一位专利作者。此外,他还是一名现役飞行员。