Enabling Multi-UAS Operations in congested airspace : An operational concept

Abstract

Miehittämättömien ilma-alusjärjestelmien (UAS) operaatioiden määrä on nopeasti kasvava ja kehittyvä osa ilmailua. Ammattimaisessa toiminnassa esille nouseva tavoite on usean aluksen samanaikainen operointi. Euroopan lainsäädäntö on tällä hetkellä rakennettu yksittäisen lentolaitteen mallin ympärille, jättäen aukon monialus-tason operointiin.

Tämä diplomityö esittää yhden ratkaisun useiden miehittämättömien lentolaitteiden samanaikaiseen operointiin ruuhkaisessa ilmatilassa operatiivisen konseptin avulla. Tutkimuskysymykset tarkastelevat, miten hallita ilmariskiä usean aluksen operoinnissa, miten mahdollistaa laivuetason operaatiot useissa ilmatilaluokissa ja voiko yksittäinen lentäjä operoida useita aluksia samanaikaisesti. Näihin vastaamiseen käytetty tutkimusmenetelmä on kirjallisuuskatsaus, joka kattaa EU:n ja ICAO:n säädökset, JARUS-julkaisut, sekä inhimilliset tekijät (human factors).

Kirjallisuuskatsausta täydentävät asiantuntijahaastattelut kuuden suomalaisen asiantuntijan kanssa sotilasilmailu-, lennonjohtaja- ja kaupallisen miehittämättömän ilmailun taustoista. Asiantuntijahaastatteluissa kerätty data käsiteltiin temaattisen analyysin kautta. Analyysi käsittelee sääntelyn, ilmariskin, toteutettavuuden ja tulevaisuuden näkymien teemoja. Analyysi osoittaa, että miehittämättömien järjestelmien sääntely on puutteellista. Suurimmiksi puutteiksi tunnistettiin yhteensovittamisen motiivien ja sääntelyn puuttuminen, koulutusjärjestelmien puutteet sekä turvallisuuskulttuurin puute miehittämättömässä ilmailussa.

Tässä työssä riskiarvio ja regulaation tarkastelu on suoritettu sekä yksittäiselle, että monelle samanaikaisesti operoivalle lentolaitteelle. Erityinen-kategorian operatiivinen riskiarviointi prosessi (SORA) määriteltiin tietyin reunaehdoin. Tuloksena saatiin vaatimukset operatiivisiin turvallisuus-tavoitteisiin, sekä taktisen tason riskienhallitsemisen tavoitetasoon. Tätä täydennettiin suorittamalla toissijainen, monen aluksen operaatioon keskittyvä riskiarvio. Tässä riskiarviossa käsiteltiin SORA:n ulkopuolisia riskiskenaarioita kuten laivueen sisäisiä törmäyksiä, samanaikaisia vikatilanteita sekä inhimillisiä tekijöitä lisääntyneen työkuorman näkökulmasta.

Tuloksena syntynyt operatiivinen konsepti on kehitetty määrittelemällä ehdotettujen järjestelmien konseptitason ratkaisut, tunnistamalla mahdolliset operatiiviset skenaariot ja analysoimalla konseptin vaikutuksia. Konsepti ehdottaa ratkaisua, joka mahdollistaa kahden tai useamman UAS:n operoinnin jaetussa, valvotussa ja valvomattomassa ilmatilassa. Konseptin keskeisiä elementtejä ovat yksittäisen ilma-aluksen osalta tunnistetut vaatimukset elektronisesta näkyvyydestä ilmatilan käyttäjille ja lennonjohdolle, ympäristön havainnoinnista sekä SORA-vaatimuksista. Monialus toimintaa hallinnoivan järjestelmän osalta redundanssi, selkeästi määritellyt toimintamallit, sekä inhimillisten tekijöiden huomioiminen tunnistetaan vaatimuskokonaisuuden teemoiksi.

Tulokset osoittavat, että monen miehittämättömän lentolaitteen operaatiot ruuhkaisessa ilmatilassa ovat saavutettavissa nykyisessä sääntelykehyksessä. Tämä edellyttää, että operaattori hankkii LUC-hyväksyntätodistuksen, suorittaa EASA:n DVR-prosessin ja toteuttaa tunnistetut tekniset ja organisatoriset kehitystoimenpiteet. U-space- ja sertifioidun kategorian operaatioita pidetään tulevaisuudessa mahdollisina vaihtoehtoina, mutta ne todetaan tällä hetkellä liian kesken-eräisiksi käytännön toteutusta varten. Kehitetty operatiivinen konsepti toimii perustana jatkotutkimukselle sekä operaattoreille, jotka suunnittelevat monialus UAS-kykyjen kehittämistä.

The volume of unmanned aircraft systems (UAS) operations is a rapidly growing and developing part of aviation. One of the desired mission profiles in professional UAS aviation is simultaneous operation of multiple UAS. The regulatory framework in Europe is currently built around a single-aircraft model, leaving a gap in fleet level operations.

This thesis presents one solution to enable multi-UAS operations in congested airspace through an operational concept. The research questions examine how to manage air risk in multi-UAS operations, how to enable fleet level operations in multiple airspace classes and whether a single pilot can operate multiple UAS simultaneously. The research method used to answer this are literature review covering EU and ICAO regulations, JARUS publications and aviation human factors research.

The literature review is complemented by expert interviews with six aviation professionals from military, air traffic control and commercial UAS backgrounds in Finland. To apply the theoretical basis and the risk assessment in practise, thematic analysis of the expert interviews was performed. The analysis was performed on topics of regulation, air risk, feasibility and future outlook. It was identified that regulation is lacking for unmanned aircraft systems. Largest gaps were identified in the lack of interoperability incentive or framework, lacking training systems and lack of safety culture in unmanned aviation.

The regulatory foundation and risk landscape was defined for single- and multi-UAS operations. To build on the theoretical foundation, a specific operations risk assessment (SORA) was performed under defined assumptions. As a result, specific assurance and integrity level (SAIL) of IV and a tactical mitigation performance requirement on the medium level for the detect and avoid system are found. The result of SORA process is augmented by performing a secondary, multi-UAS specific risk assessment. This risk assessment addresses the risk scenarios outside of SORA, including intra-fleet collision, simultaneous failures and human factors under increased workload.

The resulting operational concept was built by defining concepts for the proposed systems, identifying operational scenarios, and analysing the impacts of the concept. The concept proposes a framework enabling a fleet of two or more UAS to operate in shared, controlled and uncontrolled airspace. Key elements of the concept include for a single aircraft conspicuity to other air-space users, and air traffic control, environmental sensing and SORA requirements. For the system governing the fleet of UAS, redundancy, well-defined procedures and human factors considerations are identified as the themes of the requirement set.

The findings indicate that multi-UAS operations in congested airspace are achievable within the current regulatory framework. This requires that the operator pursues the light unmanned certificate (LUC), completes the EASA design verification report (DVR) process and implements the technical and organizational measures identified. U-space and certified category operations are considered as alternatives but found insufficiently mature for practical implementation at the time of writing this thesis. The developed operational concept serves as a basis for future research and for operators planning to develop fleet level UAS capabilities.