Tactical Deconfliction Model for Safe Integration of Small UAS into Civil Airspace

Abstract

Els sistemes d’aeronaus no tripulades (UAS), també coneguts com a drons, són aeronaus que s’operen de manera remota o autònoma sense un pilot humà a bord. Els sistemes de gestió de conflictes d’UAS, també coneguts com a sistemes de resolució de conflictes, estan dissenyats per abordar i resoldre els conflictes que puguin sorgir durant l’operació de drons. Aquests sistemes es poden utilitzar per mitigar els riscos (per exemple, el risc de col·lisió) i garantir el funcionament segur i eficient dels drons en diversos entorns i escenaris. A nivell tàctic, els sistemes d’eliminació de conflictes amb drons, anomenats en aquesta tesi com a sistemes d’eliminació de conflictes tàctics (TD), poden utilitzar-se per a: • Supervisar i controlar els moviments de drons individuals en temps real per evitar col·lisions i altres tipus de conflictes. • Facilitar la comunicació i coordinació entre diferents drons i altres aeronaus, així com entre operadors de drons i controladors aeris. • Avaluar i gestionar els riscos potencials associats amb les operacions de drons individuals en temps real. Tot i la recerca en curs en la gestió del trànsit d’UAS i, en particular, en els sistemes d’eliminació de conflictes, els models, conceptes i mètodes actualitzats no són adequats per a tots els tipus i les operacions d’UAS. En aquest treball identifiquem dues raons principals que expliquen els desafiaments i la situació actual. La primera raó està relacionada amb la complexitat del problema: diferents tipus d’UAS (per exemple, UAS petits, multicòpters), diferents capacitats de rendiment, restriccions de l’espai aeri i restriccions reglamentàries. La segona raó està relacionada amb l’enfocament que estan seguint les diferents parts interessades per resoldre els desafiaments abans esmentats. La imatge actual mostra una manca d’enteniment comú, amb diverses entitats (per exemple, grups de recerca, parts interessades relacionades) treballant en sitges sense reconèixer la confusió existent i proposant conceptes nous sense considerar el context i la rellevància dels sistemes d’interès. Per posar remei a aquests problemes, vam proposar un marc general basat en principis d’enginyeria de sistemes, per proporcionar una estructura per organitzar i guiar el disseny de sistemes TD. Aquests marcs especifiquen diversos components o subsistemes que componen el sistema, així com les relacions i interaccions entre aquests components. A més, el marc s’utilitza per proporcionar un mètode de separació i mínims adequats per a operacions de petits UAS, en espai aeri de baixa altitud.

Los sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS), también conocidos como drones, son aeronaves que se operan de forma remota o autónoma sin un piloto humano a bordo. Los sistemas de gestión de conflictos de UAS, también conocidos como sistemas de resolución de conflictos, están diseñados para abordar y resolver los conflictos que puedan surgir durante la operación de drones. Estos sistemas se pueden utilizar para mitigar los riesgos (por ejemplo, el riesgo de colisión) y garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de los drones en diversos entornos y escenarios. A nivel táctico, los sistemas de eliminación de conflictos con drones, denominados en esta tesis como sistemas de eliminación de conflictos tácticos (TD), pueden usarse para: • Supervisar y controlar los movimientos de drones individuales en tiempo real para evitar colisiones y otros tipos de conflictos. • Facilitar la comunicación y coordinación entre diferentes drones y otras aeronaves, así como entre operadores de drones y controladores aéreos. • Evaluar y gestionar los riesgos potenciales asociados con las operaciones de drones individuales en tiempo real. A pesar de la investigación en curso en la gestión del tráfico de UAS y, en particular, en los sistemas de eliminación de conflictos, los modelos, conceptos y métodos actualizados no son adecuados para todos los tipos y operaciones de UAS. En este trabajo identificamos dos razones principales que explican los desafíos y la situación actual. La primera razón está relacionada con la complejidad del problema: diferentes tipos de UAS (por ejemplo, UAS pequeños, multicópteros), diferentes capacidades de rendimiento, restricciones del espacio aéreo y restricciones reglamentarias. La segunda razón está relacionada con el enfoque que están siguiendo las diferentes partes interesadas para resolver los desafíos antes mencionados. La imagen actual muestra una falta de entendimiento común, con varias entidades (por ejemplo, grupos de investigación, partes interesadas relacionadas) trabajando en silos sin reconocer la confusión existente y proponiendo nuevos conceptos sin considerar el contexto y la relevancia de los sistemas de interés. Para remediar estos problemas, propusimos un marco general basado en principios de ingeniería de sistemas, para proporcionar una estructura para organizar y guiar el diseño de sistemas TD. Estos marcos especifican varios componentes o subsistemas que componen el sistema, así como las relaciones e interacciones entre estos componentes. Además, el marco se utiliza para proporcionar un método de separación y mínimos adecuados para operaciones de UAS pequeños, en espacio aéreo de baja altitud.

Unmanned aircraft systems (UAS), also known as drones, are aircraft that are operated remotely or autonomously without a human pilot on board. UAS conflict management systems, also known as deconfliction systems, are designed to address and resolve conflicts that may arise during the operation of drones. These systems can be used to mitigate risks (e.g. collision risk) and ensure safe and efficient operation of drones in various environments and scenarios. At tactical level, drone deconfliction systems – referred in this thesis as Tactical Deconfliction (TD) systems – may be used to: • Monitor and control the movements of individual drones in real-time to avoid collisions and other types of conflicts. • Facilitate communication and coordination between different drones and other aircraft, as well as between drone operators and air traffic controllers. • Assess and manage potential risks associated with individual drone operations in real-time. Despite the ongoing research in UAS traffic management and in particular deconfliction systems, the up-to-date models, concepts and methods are not adequate for all UAS types and operations. In this work we identify two main reasons explaining challenges and current situation. First reason is related to the complexity of the problem: different types of UAS (e.g. small UAS, multicopter), different performance capabilities, airspace constrains and regulation restrictions. The second reason is related to the approach different stakeholder are following to solve the aforementioned challenges. The present picture depicts a lack of common understanding, with several entities (e.g. research groups, related stakeholders) working in silos without acknowledging the existing confusion and proposing new concepts without considering context and relevance of the systems of interest. To remedy these issues, we proposed a general framework based on systems engineering principles, to provide a structure for organizing and guiding the design of a TD systems. These frameworks specify various components or subsystems that make up the system, as well as the relationships and interactions between these components. In addition, the framework is used to provide a separation method and minima adequate for small UAS operations, at low altitude airspace.