浅谈FAA对未来城市空中交通的管理思路（上）

 

 

摘 要

2023年5月，美国联邦航空局（FAA）公开发布《城市空中交通（UAM）运行概念2.0》白皮书（Concept of Operations for UAM (v2.0)，以下简称“白皮书”）。白皮书由FAA下属的未来办公室（NextGen Office）根据FAA最新研究成果，结合美国国家航空航天局（NASA）以及工业界对白皮书1.0的反馈编制并发布，主要针对UAM的运行概念展开设计和描述，支撑FAA建立和发展UAM管理体系。本文通过提炼、分析白皮书，结合FAA、NASA以往发布的文件和采取的行动，尝试研究和分析美国对UAM进行交通管理的思路。

 

FAA发布《城市空中交通运行概念2.0》白皮书

 

 

发布背景

当前美国FAA的空中交通管理（ATM）系统每天管控近5万次航班，为其提供空中交通管制（ATC）、交通流量管理（TFM）等服务，确保飞行器在美国国家空域系统（NAS）中安全、高效运行。然而，随着城市空中交通（UAM）、无人机系统（UAS）等新兴概念的出现和发展，ATM遇到了前所未有的挑战，不仅体现在飞机数量的持续增加，还有全新的服务对象和运行方式。

同样作为交通运输系统，UAM与传统的民航系统一样需要ATM。然而，从民航到UAM，飞行器的类型从传统构型飞机变为电动垂直起降飞行器（eVTOL）等新构型飞行器、主要运行环境从海拔数千米的高空空域变为城市附近的低空空域、飞行方式在传统的目视和仪表飞行基础上扩展了基于指令的驾驶（PIC）飞行或完全自主飞行。

为此，直接改造原有ATM使其兼容UAM不仅困难，而且很可能影响当前FAA对民航系统的管理。FAA的思路是，为UAM等新系统设计新的管理体系，先使其全套继承原有的管理体系（管理方法、设施和规则等），支持新系统小规模、小范围运行；再发展出特殊的管理体系，逐步演变，直到支持新系统大规模、大范围运行，同时持续保持新旧两套管理体系相互协调和支持。

上述演变途径虽然重要，但还不是FAA最急需解决的问题。作为美国航空业的管理部门，为了设计适合于美国UAM的交通管理体系，FAA首先需要明确管理的对象、环境和目标，即回答“为谁、在哪里、提供什么管理服务”；然后明确管理体系的架构、权责关系，即回答“谁来管理、怎么管理”；最后才是细节问题，如提出管理体系的具体规则、基础设施需求、演变途径等。

FAA近年来发布了一系列以“运营概念（Concept of Operation）”命名的文件，除了此次发布的白皮书外，还有针对UAS交通管理系统的UTM运营概念、针对高空航空器系统（高空长航时无人机、气球等）的“上层E类空域交通管理”（ETM）运营概念等。这些文件对目标系统（UAM、UAS等）的运行方式只提出了较为初步和笼统的设计，几乎未涉及具体的运行规则，运行方式和规模的演变途径也只是文件的目的之一。白皮书更重要的意义在于，为FAA设计UAM管理体系提供支撑，帮助回答“为谁、在哪里、提供什么管理服务”以及“谁来管理、怎么管理”的问题。

 

二

 

UAM管理体系的对象、环境和目标

FAA参照ATM为传统民航系统提供空中交通管制（ATC）和交通流量管理（TFM）等标准化服务，提出“可扩展的交通管理”（xTM），为三类新系统（UAM/AAM、UAS、以及高空航空器系统）提供两种主要服务（合作式间隔管理和流量管理服务，即CSM和CFM）以及其他服务（交通咨询等），回答了“为谁”和“提供什么服务”，并强调了xTM的可扩展性。

 

 

白皮书对xTM概念的解释，其中包括对UAM/AAM的空中交通管理

至于“在哪里”的问题，就需要考虑空域的划分和使用。FAA将美国的常规空域划分为A、B、C、D、E、G六类，其中B、C、D类空域围绕不同繁忙程度的民航机场设立，A类空域是民航飞机的主要运行空间，E类主要用于B、C、D向A的过渡，G类是非管控区域。飞行器在不同类型的空域飞行，能够获得的ATM服务和标准不同，受到的规则制约也不同。

 

 

FAA对NAS空域的分类

 

这套划分和使用空域的方式已经相当成熟，FAA不太可能对其做出重大改变，否则将影响当前ATM对民航系统的管理。白皮书提出“合作式区域”（CA）概念，定义其为“一个可进行合作式运行管理的空域范围”。可以把CA理解为一类特殊空域，其内部飞行器的运行和管控由xTM负责，而ATM主要需要掌握CA的位置、范围和状态，以及原有空域中的飞行器何时、从何处进出或穿越CA，并将信息与xTM分享。未来FAA可能会为UAM设立多个CA，甚至为CA再制定明确的分级、分类方式，但目前可以明确的最典型CA形式是“UAM走廊（Corridors）”。

 

 

白皮书提出的合作式区域（CA）概念，图中CA是多条UAM走廊（绿色区域）构成集合

白皮书提出，对UAM走廊需定义其在三维空间的形状、边界、体积等几何信息，设计内部航线，明确走廊的可用状态和当前使用情况，对飞行器制定可进入或可在内持续飞行的基本性能要求、飞行规则等，并且这些信息应当被告知ATM以及任何NAS使用者。白皮书认为，走廊可以分段、分层，同一个走廊的不同部分也可以根据其相邻空域类型、使用需求等采用不同的要求和规则。白皮书还建议，最初的走廊仅由两条单向、孤立的航线及其附近空间构成，飞行规则延用当前目视飞行规则（VFR）或仪表飞行规则（IFR）；后期走廊结构可能演变得更加复杂，同时引入自动飞行规则（AFR）。ATM和xTM需要协作配合，分享和管理飞机进出、穿越走廊的时机和位置。

 

 

图片白皮书提出UAM走廊，包括其可能的初始形态（上）和发展演变后形态（下）