논문 리뷰: Designing airspace for urban air mobility: A review of concepts and approaches

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376042121000312

Abstract

The article brings together the academic and industry literature on the design and management of urban airspace. We analyze the proposed airspace concepts, identify their strengths and weaknesses, point to gaps in research, and provide recommendations for a more holistic approach to designing urban airspace.

• 영공(airspace) 개념을 분석, 장단점 식별, 연구의 격차(gap)를 지적, 도시 영공 설계에 대하여 보다 전체적인 접근법(holistic approach)을 제안함

 

We first identify the structural factors that define the size, capacity, and geometry of urban airspace. These factors are grouped into four categories: safety-related factors, social factors, system factors, and aircraft factors. Second, we review different urban airspace concepts proposed around the world. Third, we assess the airspace concepts based on the identified factors. Most of the reviewed airspace concepts are idealized as abstract networks, with an emphasis on maximizing safety and capacity, and with little regard for factors such as technological complexity, noise, or privacy. Additionally, we find that the airspace structure directly influences the level of safety, efficiency, and capacity of airspace.

• 첫 번째로 도시 영공(urban airspace)의 크기(size), 용량(capacity), 기하학(geometry)을 정의하는 구조적 요인(structural factors)을 식별함
• 이러한 요인들은 4가지 카테고리로 그룹화됨 → 안전 관련 요인(safety-related factors), 사회적 요인(social factors), 시스템 요인(system factors), 항공기 요인(aircraft factors)
• 두 번째로, 전 세계적으로 제안된 다양한 도시 영공 개념(urban airspace concepts)을 검토함
• 세 번째로, 식별된 요인(identified factors)을 기반으로 영공 개념을 평가(assess)함
• 검토된 대부분의 영공 개념은 안전성(safety)와 용량(capacity)을 극대화하는 데에 중점을 두고, 기술적 복잡성(technological complexity), 소음(noise), privacy와 같은 요인은 거의 고려하지 않고 추상적인 네트워크(abstract network)로 이상화(idealized)됨
• 또한, 영공 구조(airspace structure)가 영공의 안전, 효율성(efficiency), 용량(capacity) 수준(level)에 직접적인 영향을 미침을 발견함

 

On the one hand, air vehicles in less structured airspace have more degrees of freedom. They can freely choose their position, altitude, heading, and speed, which increases airspace capacity and reduces flying costs. However, these concepts require high technological capabilities, such as dynamic geofences and advanced sense-and-avoid capabilities, to maintain the required safety levels. On the other hand, airspace concepts with fewer degrees of freedom can accommodate less capable aircraft but require strict operation rules and reduced capacity to ensure safety.

• 한편, 덜 구조화된 영공의 air vehicle은 더 많은 자유도를 가짐, 이들은 자신의 위치, 고도, 방향(heading), 속도(speed)를 자유롭게 선택할 수 있어 영공의 용량(capacity)을 늘리고 비행 비용(flying costs)를 절감
• 하지만, 이러한 개념은 요구되는 안전 수준을 유지하기 위하여 dynamic geofence, 고급 탐지-회피(sense-and-avoid) 능력과 같은 고도의 기술이 요구됨
• 반면, 자유도가 적은 영공 개념은 능력이 덜한 항공기(less capable aircraft)를 수용할 수 있지만, 안전을 보장하기 위해 엄격한 운영 규칙(operation rules)과 감소된 용량(reduced capacity)를 필요로 함

 

Finally, the proposed urban air mobility concepts require extensive ground infrastructures, such as take-off and landing pads and communication, navigation, and surveillance infrastructure. There is a need for a new branch of research that analyzes urban air mobility from the perspective of urban planning, including issues around zoning, air rights, public transportation, real estate development, public acceptance, and access inequalities.

• 마지막으로, 제안된 UAM(urban air mobility) 개념은 이착륙 패드(take-off and landing pads), 통신, 네비게이션, 감시 인프라(surveillance infrastructure)와 같은 광범위한 지상 인프라(extensive ground infrastructures)를 필요로 함
• 도시계획의 관점에서 UAM을 분석하는 새로운 연구 분야가 필요함, 도시 구역 설정(zoning), 항공 권리(air rights), 대중교통, 부동산 개발, 대중 수용(public acceptance), 접근성 불평등(access inequalities) 문제 등이 포함되어야 함

 

1. Introduction

The idea of Urban Air Mobility (UAM), coupled with the technological development in automation and electricity storage, has spurred growth in the urban aviation industry. The concept of UAM comprises a set of rules, procedures, and technologies that enable air traffic operations of cargo and passengers in the urban environment. UAM is a part of the Advanced Air Mobility (AAM), a joint initiative of the FAA, NASA, and the industry to develop an air transportation system that moves passengers and cargo with new electric (i.e. green) air vehicles in various geographies previously underserved by traditional aviation [1]. Companies worldwide are racing to create urban aircraft prototypes and, in partnership with major aerospace suppliers, certify the technologies for urban flying. This push is putting pressure on cities and government agencies to create rules for using urban airspace, which is not an easy task considering the differences in air vehicle designs and sizes, maneuverability, speed, take-off procedures, automation, surveillance, and communication capabilities. These differences make it difficult for air vehicles to use the airspace safely and efficiently and require a standardized set of flying rules and procedures [2].

• UAM(Urban Air Mobility)의 아이디어는 자동화 및 전기 저장(electricity storage) 기술 개발과 함께 도시 항공 산업의 성장을 촉진하였음
• UAM의 개념은 도시 환경에서 화물과 승객의 항공 교통 운영을 가능하게 하는 일련의 규칙(rules), 절차(procedures), 기술로 구성됨
• UAM은 FAA, NASA의 업계의 공동 선도(initiative)인 첨단 항공 모빌리티(Advanced Air Mobility, AMM)의 일부로, 기존의 전통적인 항공 서비스가 제공되지 않았던 다양한 지역에서 새로운 전기 기반 항공체로 승객과 화물을 이동시키는 항공 운송 시스템(air transportation system)을 개발함
• 전 세계의 기업들은 UAM 프로토타입을 만들기 위해 경쟁하고 있음, 주요 항공우주 공급업체(aerospace suppliers)와 협력하여 도심 비행 기술(technologies for urban flying)을 인증하고 있음
• 이러한 추진(push)은 도시와 정부 기관에 도심 영공 사용 규칙을 만들도록 압력을 가하고 있음
• 하지만, 비행체 디자인, 크기, 기동성(maneuverability), 속도, 이륙 절차, 자동화, 감시, 통신 능력의 차이로 인해 어려운 작업임
• 이러한 차이로 인해 항공체가 안전하고 효율적으로 영공을 사용하기 어렵고, 비행 규칙과 절차(flying rules and procedures)의 표준화된 세트(standardized set)가 요구됨

 

Today, unmanned aerial systems (UAS), also known as unmanned air vehicles (UAV), or colloquially, drones, are used in civilian applications such as recreation [3], traffic monitoring [4], disaster monitoring [5], fire detection [6], infrastructure inspection [7], mapping [8], forestry [9], and agriculture [101. These operations, although numerous, are usually contained within specific geographic regions and still do not pose a substantial risk to the everyday operation of the National Airspace System (NAS). However, proposed urban, suburban, and exurban air traffic is expected to create operational and safety challenges that might significantly impact the NAS.

• 무인 항공기(Unmanned Air Vehicle, UAV) 또는 드론(drone)이라고 알려진 무인 항공 시스템(Unmanned Aerial System, UAS)은 레크레이션, 교통 모니터링, 재난 모니터링, 화재 감지, 인프라 점검, 지도 매핑, 산림, 농업과 같은 민간 응용 분야(civilian applications)에 사용됨
• 이러한 작업들은 많지만 일반적으로 특정 지역 내에 포함되어 있으며, 여전히 국가 영공 시스템(National Airspace System, NAS)의 일상적인 운영에 실질적인 위험(substantial risk)을 초래하지 않음
• 하지만, 제안된 도심(urban), 교외(suburban), 도시 밖(exurban) 항공 교통은 NAS에 상당한 영향을 미칠 수 있는 운영과 안전 문제(operational and safety challenges)를 일으킬 것으로 예상됨

 

Proposed operations will most likely be conducted by electric manned and unmanned air vehicles with vertical take-off and landing. Unlike a traditional helicopter, new air vehicles use multiple motors and propellers, electric engines, and lighter materials, which make them cheaper [11], quieter [12], and more efficient [13]. The operations are expected to cover both urban [14,15] and rural [16] regions. The operators will compete for the same limited space, which will push the industry to adopt smaller separation standards [17]. For this reason, several agencies are developing frameworks for managing urban airspace and ensuring safety.

• 제안된 작업은 수직 이착륙을 하는 전기 기반의 유인 및 무인 항공기에 의해 수행될 가능성이 높음
• 전통적인 헬리콥터와는 달리 새로운 항공기는 여러 개의 모터와 프로펠러, 전기 기반 엔진(모터), 더 가벼운 재료를 사용하므로 더 저렴하고(cheaper), 더 조용하고(quieter), 더 효율적(more efficient)임
• 이러한 작업은 도시와 시골 지역을 모두 포함할 것으로 예상됨
• 운영자들(operators)은 동일한 제한된 공간을 두고 경쟁할 것이고, 이로 인하여 산업계는 더 작고 분리된 표준(smaller separation standards)을 채택하게 될 것임, 이러한 이유로 여러 기관들은 도시 영공을 관리하고 안전을 보장하기 위한 프레임워크를 개발하고 있음

 

This article aims to analyze the leading proposals for managing urban airspace, find their commonalities, and point to the best practices in airspace design. We seek to identify and analyze structural factors that define the physical structure of urban airspace. By "physical structure of urban airspace," we consider the position and size of airspace elements such as flying trajectories, tubes, corridors, and layers, as well as their associated rules of operations.

• 본 논문은 도심 영공 관리를 위한 주요 제안들(leading proposals)을 분석하고 공통점(commonalities)을 찾아 공역 설계의 모범 사례를 지적하는 것을 목표로 함, 또한 도심 영공의 물리적 구조(physical structure)를 정의하는 구조적인 요인(structural factors)을 식별하고 분석하고자 함
• 도심 영공의 물리적 구조(physical structure of urban airspace)를 통해 비행 궤적(flying trajectories), 튜브(tubes), 수송 경로(corridors), 레이어(layers)와 같은 영공의 요소와 위치, 크기 및 관련 운영 규칙을 고려함

 

2. The need for urban airspace

The inability of the current air traffic management (ATM) system to manage urban airspace is the primary inhibitor of the development of urban air transportation [17]. Several challenges impede the integration of the existing NAS operations and urban operations: 1) higher number of operations, 2) greater density of operations, 3) lower altitudes of operations, and 4) varying performance of different operators and air vehicles [18]. These challenges stretch the capabilities of the current-day air traffic control (ATC) system and indicate the need for significant changes in the current system.

• 현재, 항공 교통 관리(Air Traffic Management, ATM)이 도시 영공을 관리할 수 없다는 것이 UAM 발전의 주요한 방해 요인(inhibitor)임
• 기존의 NAS 운영과 도시 운영(urban operations)을 통합(integration)을 방해하는 몇 가지 과제(challenges)가 있음:
  • 1) 더 높은 운영 횟수(higher number of operations)
  • 2) 더 높은 운영 밀도(greater density of operations)
  • 3) 더 낮은 운영 고도(lower altitudes of operations)
  • 4) 다양한 운영자와 항공체의 성능 (varying performance of different operators and air vehicles)
• 이러한 과제(challenges)들은 현재의 항공 교통 제어(Air Traffic Control, ATC) 시스템의 능력을 확장하고, 현재 시스템에 상당한 변화가 필요하다는 것을 나타냄

 

Fig. 1. Airspace classes in the US in accordance with ICAO guidelines [20].

The International Civil Aviation Organization (ICAO) classifies airspace into controlled and uncontrolled airspace, using seven classes (A, B, C, D, E, F, and G), depending on air traffic services provided and flight requirements. Controlled airspace covers Classes A, B, C, D and E, while uncontrolled airspace covers Classes F and G. Each airspace class contains a set of rules indicating exactly how aircraft should fly and in what way ATC must interact with such aircraft. Therefore, ICAO defines each airspace class by the type of flight it services (instrument flight rules (IFR), visual flight rules (VFR)), provided separations (all aircraft, IFR flown aircraft from VFR flown aircraft, no separation), the type of air traffic service (ATC, traffic information about VFR flights, flight information service), speed limitation and altitude, radio communication requirements (continuous two-way, no communication), and ATC clearances [19].

• 국제민간항공기구(International Civil Aviation Organization, ICAO)는 항공 교통 서비스(air traffic service)와 비행 요건(flight requirements)에 따라 7개의 Class(A ~ G)을 사용하여 공역을 통제 공역(controlled airspace)과 비통제 공역(uncontrolled airspace)으로 분류함
• 통제 공역(controlled airspace)는 Class A ~ E를 포함하고, 비통제 공역(uncontrolled airspace)은 Class F, G를 포함
• 각 공역 class에는 항공기가 정확히 어떻게 비행해야 하는지, ATC가 어떤 방식으로 항공기와 상호작용해야 하는지를 나타내는 일련의 규칙이 포함되어 있음
• 따라서 ICAO는 각 공역 Class를 항공 서비스 유형(the type of flight it services)과 제공된 분리(provided separations), 항공 교통 서비스 유형(type of air traffic service), 속도 제한, 고도, 무선 통신 요건(연속 양방향, 통신 없음), ATC clearances로 정의함
  • 항공 서비스 유형(the type of flight it services)에는 “instrument flight rules (IFR), visual flight rules (VFR)” 등이 포함
  • 제공된 분리(provided separations)에는 “all aircraft, IFR flown aircraft from VFR flown aircraft, no separation” 등이 포함
  • 항공 교통 서비스 유형에는 “ATC, traffic information about VFR flights, flight information service” 등이 포함

 

ICAO, as a regulatory body, allows its member states to select airspace classes that fit their requirements. For example, in the United States (Fig. 1), controlled airspace consists of Class A and B airspace (where clearance from air traffic control is mandatory), Class C and D airspace (where two-way ATC communications are mandatory), and Class E airspace (where it is not mandatory to contact the ATC or to obtain clearance to enter). These five classes are further divided by altitudes: Class A, between altitudes 18,000 and 60,000 ft above sea level; Class B, around the nation’s busiest airports; Class C, around medium-sized airports; Class D, around smaller airports with air traffic control towers; and Class E, around smaller airports without air traffic control towers. Uncontrolled airspace, defined as Class G, is airspace below 1200 ft, not equipped with any air traffic management service, where pilots rely on visual flight rules (VFR). Class F airspace is not used [20]. Within the classes of airspace, safety is preserved by maintaining a required separation between two aircraft.

• ICAO는 규제 기관(regulatory body)으로서 회원국들이 자신들의 요구 사항에 맞는 공역 등급을 선택할 수 있도록 해줌
• 예를 들어, 미국(그림 1)에서 통제 공역(controlled airspace)은 Class A과 Class B(항공 교통 관제의 허가가 필수인 곳), Class C과 Class D(양방향 ATC 통신이 필수인 곳), Class E(진입하기 위해 ATC에 연락하거나 허가를 획득하는 것이 의무가 아닌 곳)으로 구성됨
• 이러한 다섯 가지 class은 고도에 의해 더 나누어짐:
  • ASL 18,000ft에서 60,000ft 사이 → Class A
  • 미국에서 가장 붐비는 공항 주변 → Class B
  • 중형(medium-sized) 공항 주변 → Class C
  • 항공 교통 관제탑(air traffic control towers)이 있는 작은 공항 주변 → Class D
  • 항공 교통 관제탑(air traffic control towers)이 없는 작은 공항 주변 → Class E
• Class G로 정의되는 비통제 공역(uncontrolled airspace)은 1200ft 미만의 공역으로 조종사들이 시각 비행 규칙(visual flight rules, VFR)에 의존하는 항공 교통 관리 서비스(air traffic management service)가 전혀 갖춰져 있지 않음
• Class F 공역은 사용되지 않음
• 공역 Class 내에서 두 항공기 사이에 필수 분리(required separation)를 유지함으로써 안전을 유지

 

Nearly all aircraft operations in controlled airspace today are managed under an airspace-based operation. In airspace-based operation, separation management and trajectory assignment are transferred from one sector to another and handled by controllers within each sector. Airspace-based operations are unlikely to be feasible for the UAM because urban flights are likely to occur in all airspace classes, except Class A [21]. One way of integrating UAM operations with the current system is to increase its capacity and enable ATC to control and manage all the operations within the respected airspace classes [21]. However, this approach requires a drastic overhaul in all aspects of NAS, which is a long and expensive process. It is more likely that UAM operations will be conducted within a separate, newly created airspace with a new set of rules and standards [22].

• 오늘날 통제된 영공(controlled airspace)에서의 거의 모든 항공기 작업은 영공 기반 작업(airspace-based operation)으로 관리됨
• 영공 기반 작업(airspace-based operation)에서는 분리 관리(separation management) 및 궤적 할당(trajectory assignment)이 한 섹터에서 다른 섹터로 이전되고 각 섹터 내의 컨트롤러에 의해 처리
• 도심 비행은 Class A를 제외한 모든 영공 class에서 발생할 가능성이 높기 때문에 UAM에서 영공 기반 작업은 실현 가능성이 낮음
• UAM 운영을 현재 시스템과 통합하는 한 가지 방법은 용량(capacity)을 늘리고 ATC가 해당 영공 class 내의 모든 운영을 제어하고 관리할 수 있도록 하는 것
• 그러나 이 접근 방식은 NAS의 모든 측면에서 과감한 개편(drastic overhaul)을 필요로 하며, 이는 길고 비용이 많이 드는 과정임
• UAM 작업은 새로운 규칙과 표준 세트로 새로 생성된 별도의 영공 내에서 수행될 가능성이 더 높음

 

Such a system will be more complex than the airspace under ICAO’s current seven classes of airspace. The difficulty of safely separating air vehicles in dense urban airspace can be reduced through the careful design of additional airspace structures as they can minimize complexity and increase throughput [23]. There is, however, no clear consensus on the type of airspace design that should be implemented. As presented in Section 4, several studies argue that predefined paths and zones are required to handle high traffic densities [1,22,24], while others argue that airspace should be unrestricted and open only to fully autonomous vehicles [25,26]. Most studies start from the proposition that the airspace structure should be optimized for capacity and safety. It is implied that the optimal airspace design is achieved by minimizing damage (collisions with buildings and other aircraft) while maximizing capacity and throughput. In section 3, we show that safety and capacity are only two of the multiple variables required to design functioning urban airspace.

• 이러한 시스템은 ICAO의 현재 7가지 class로 구분된 공역보다 복잡할 것임
• 밀집된 도시 공역에서 항공기를 안전하게 분리하는 것은 복잡성을 최소화하고 처리량을 증가시킬 수 있기 때문에 추가 공역 구조(additional airspace structures)의 신중한 설계(careful design)를 통해 어려움을 줄일 수 있음, 그러나 구현해야 하는 공역 설계 유형에 대한 명확한 합의는 없음
• 섹션 4에 제시된 바와 같이 여러 연구에서는 높은 트래픽 밀도를 처리하기 위해 사전 정의된 경로와 구역이 필요하다고 주장하는 반면, 다른 연구에서는 공역이 제한되지 않고 완전히 자율 주행 차량에만 개방되어야 한다고 주장
• 대부분의 연구는 용량과 안전을 위해 공역 구조를 최적화(should be optimized)해야 한다는 제안에서 출발하며, 용량과 처리량을 극대화하면서 손상(건물 및 다른 항공기와의 충돌)을 최소화하여 최적의 공역 설계를 달성할 수 있음을 시사함
• 섹션 3에서, 우리는 안전(safety)과 용량(capacity)이 기능하는 도시 공역(functioning urban airspace)을 설계하는 데 필요한 여러 변수 중 두 개에 불과하다는 것을 보여줌

 

3. Factors that determine the geometry of urban airspace

Fig. 2. Clearance depends on the selected variables: (a) obstacle avoidance; (b) wind gusts; (c) privacy; (d) noise; (e) clearance envelope; (f) resulting airspace.

We start by conceptualizing how different factors might have a physical effect on urban airspace. Safety considerations (and common sense) require aircraft to avoid collisions with buildings. Buildings are then the “no-fly” zones where flying is, understandably, prohibited. The space outside of the no-fly zone can be used for flying. A factor, in this case, safety, creates a spatial envelope, where everything inside the envelope is a no-fly zone, and everything outside it is open for flying, as presented in Fig. 2a. A step further would be to consider another factor, such as wind gusts, that create unsafe flying space in the proximity of tall buildings. Again, this unsafe space could be visualized by a clearance envelope that defines the outer boundary of the no-fly zone. As we add more factors, the clearance envelope expands, as does the no-fly zone. The resulting airspace fills the space beyond the no-fly zone, which is created by superimposing different clearance boundaries of all the considered factors (Fig. 2).

• 서로 다른 요소들이 도시 영공에 어떻게 물리적인 영향을 미칠 수 있는지 개념화하는 것으로 시작
• 안전을 고려하기 위해서는 항공기가 건물과의 충돌을 피해야 함. 건물(Buildings)은 당연히 비행이 금지된 "비행금지구역(no-fly zone)"임. 비행금지구역 밖의 공간은 비행에 사용될 수 있음
• 이 경우 안전 요소는 공간적 외피(spatial envelope)를 생성하는데, 여기서 외피 내부는 전부 비행 금지 구역이고, 그림 2a에 제시된 것처럼 외부 전부는 비행을 위해 열려 있음
• 한 단계 더 나아가, 돌풍(wind gusts)과 같은 또 다른 요인은 높은 건물들의 근처에서 안전하지 않은 비행 공간을 만드는 것임
• 다시 말해, 이 안전하지 않은 공간(unsafe space)은 비행금지구역의 외부 경계를 정의하는 정리된 외피(envelope)에 의해 시각화될 수 있음
• 더 많은 요인들을 추가하면, 정리된 외피(envelope)는 비행금지구역과 마찬가지로 확장됨
• 결과적으로 발생하는 공역은 모든 고려된 요인들의 서로 다른 정리된 경계(boundaries)들을 겹쳐서 만들어진 비행금지구역 너머의 공간을 채우게 됨

 

We use this logic to identify the factors that might restrict movement and influence the position of space open to flying. The factors are divided into four groups: 1) safety-related factors, 2) social factors, 3) operational factors related to the characteristic of the system, and 4) operational factors related to aircraft characteristics.

• 이 논리를 사용하여 이동을 제한하고 비행에 개방된 공간의 위치에 영향을 미칠 수 있는 요인을 식별함
• 4가지 그룹으로 구분됨:
  • 1) 안전 관련 요인 (safety-related factors)
  • 2) 사회적 요인 (social factors)
  • 3) 시스템 특성 관련 운영 요인 (operational factors related to the characteristic of the system)
  • 4) 항공기 특성 관련 운영 요인 (operational factors related to aircraft characteristics)

 

3.1. Safety-related factors

The Federal Aviation Administration (FAA) has identified the safety of people, vehicles, and property as the most important factor for the successful adoption of urban air mobility [1]. Safety can be improved by reducing risk. Risk is reduced by lessening the severity of the accident or lowering the likelihood that an accident will occur. In the context of airspace, risk cannot be eliminated altogether, but it can be reduced by avoiding objects, areas with turbulences, and areas with weather that can endanger the flight.

• 연방항공청(Federal Aviation Administration, FAA)은 사람, 차량, 재산의 안전을 UAM의 성공적인 채용을 위한 가장 중요한 요소로 파악했음
• 안전은 위험을 감소시킴(reducing risk)으로써 향상될 수 있음
• 위험(Risk)은 사고의 심각성을 낮추거나, 사고가 발생할 가능성을 낮춤으로써 감소시킬 수 있음
• 공역의 맥락에서 위험은 완전히 제거될 수는 없지만 물체, 난류가 있는 지역(areas with turbulences), 비행을 위험에 빠뜨릴 수 있는 기상 지역을 피함으로써 감소될 수 있음

 

3.1.1. Object avoidance

The idea of defining urban airspace as a space free of buildings can be found in Refs. [25,27–29]. Control algorithms identify the obstacle space, while the remaining space is open to flying. Apart from avoiding buildings, aircraft also need to maintain a safe separation from other aircraft and minimize the probability of a mid-air collision [30]. Separation from other objects is the cornerstone of the safety of the traditional Air Traffic Management system. Present-day separation standards are unambiguous: two aircraft cannot be separated by less than 5 nautical miles (NM) en-route and 3 NM in the terminal area using radar wake vortex separation, or 1.5 min using time-based wake turbulence separation [31]. However, these distances are too prohibitive and not suitable for urban air traffic. The concept of separation in UAM is being reimagined since fixed distance spacing is proving to be too rigid for UAM operations. The literature suggests three distinct approaches to defining separation in UAM:

• 도시 공역을 건물이 없는 공간으로 정의하는 아이디어는 References [25,27–29]에서 찾을 수 있음
• 제어 알고리즘(Control algorithms)은 장애물 공간을 식별하고 나머지 공간은 비행할 수 있음
• 건물을 피하는 것 외에도, 항공기는 다른 항공기로부터 안전한 분리(separation)를 유지하고 공중 충돌 가능성을 최소화해야 함
• 다른 물체(object)로부터의 분리는 전통적인 항공 교통 관리Air Traffic Management) 시스템 안전성의 초석임
• 현재의 분리 표준은 명확함
  • 두 대의 항공기는 레이더 웨이크 와류 분리(radar wake vortex separation)를 사용하여 5해리(NM) 미만의 경로와 터미널 영역에서 3NM 이하로 분리할 수 없으며, 시간 기반 웨이크 난류 분리(wake turbulence separation)를 사용하여 1.5분 동안 분리할 수 없음
• 그러나 이러한 거리는 너무 금지적이어서 UAM에 적합하지 않음
• 고정 거리 간격(fixed distance spacing)이 UAM 운영에 너무 엄격(rigid)하다는 것이 입증되었기 때문에 UAM에서의 분리 개념은 재구성되고 있음
• 문헌에서는 UAM에서 분리를 정의하기 위한 세 가지 별개의 접근법을 제안함

 

1. Fixed separation - The traditional way of defining separation is to determine a distance all users must maintain. Since 3NM is too large for urban environments, some authors suggest smaller separation standards, such as 0.3NM, or even 0.1NM horizontal and 100 ft vertical separation [32], or 0.36NM horizontal and 450 ft vertical separation [33]. These authors argue that UAM aircraft are much smaller and nimbler, which allows reduced separation. As the systems become more mature, separation standards can change [34].

• 1. 고정 분리(Fixed separation)
• 분리를 정의하는 전통적인 방법은 모든 사용자가 유지해야 하는 거리를 결정하는 것
• 3해리(5.5km)은 도시 환경에 비해 너무 크기 때문에 일부 저자는 0.3해리(550m), 심지어 0.1해리(190,) 수평 및 100ft(30m) 수직 분리, 또는 0.36NM(670m) 수평 및 450ft(140m) 수직 분리와 같은 더 작은 분리 표준을 제안
• 저자들은 UAM 항공기가 훨씬 더 작고 민첩(nimbler)하므로 이를 통해 분리를 줄일 수 있다고 주장함
• 시스템이 더 성숙해짐에 따라 분리 표준은 변경될 수 있음

 

2. Dynamic separation - The second approach is so-called dynamic separation, a predetermined distance unique for each aircraft based on its class [35,36]. Each aircraft has different technological capabilities and characteristics. High-capability aircraft require smaller separations because they can detect and avoid nearby aircraft effectively, or their systems can predict the trajectories in advance and prevent the incident. In comparison, a poorly equipped aircraft may require larger separation due to limited maneuverability [26, 37]. Therefore, the capacity of airspace depends on the features of the aircraft within that airspace, and it changes as new users enter the airspace [27]. Some authors argue that distance-based separation needs to be abandoned altogether and replaced with time-based thresholds that account for aircraft performance and maneuverability [38].

• 2. 동적 분리(Dynamic separation)
• 두 번째 접근 방식은 동적 분리(dynamic separation)로, Class에 기반하여 각 항공기에 고유한 미리 결정된(predetermined) 거리임
• 각 항공기는 서로 다른 기술적 능력과 특성을 가지고 있음, 고성능 항공기는 주변 항공기를 효과적으로 감지하고 피할 수 있거나 해당 시스템이 사전에 궤적을 예측하여 사고를 방지할 수 있기 때문에 더 작은 분리가 필요함
• 이에 비해 장비가 제대로 갖춰지지 않은 항공기는 제한된 기동성으로 인해 더 큰 분리가 필요할 수 있음
• 따라서 공역의 용량은 해당 공역 내에서 항공기의 특성에 따라 달라지며, 새로운 사용자가 공역에 진입함에 따라 변경됨
• 일부 저자는 거리 기반 분리(distance-based separation)를 완전히 포기(abandoned)하고 항공기 성능과 기동성을 설명하는 시간 기반 임계값(time-based thresholds)으로 대체할 필요가 있다고 주장함

 

3. No standardized separation - Currently, flights in Class G airspace do not receive separation guidance from the air traffic controllers [18]. Safety is ensured through the “see and avoid” approach, where the pilot visually maintains a safe distance from other aircraft. A technological equivalent to see-and-avoid is sense-and-avoid [39–41], a mix of hardware and software that enables UAV to detect obstacles and steer away from them. Smaller UAVs do not have the required payload or energy capacity to use radars or LIDARs, and most sense-and-avoid systems rely on cameras to scan their surroundings [37]. Although simple, this approach of avoiding collisions is essentially a greedy algorithm where each UAV looks only to resolve imminent conflict. In a dense traffic environment, uncoordinated “greedy” routing reduces airspace throughput and safety. Although sense and avoid cannot solve navigation and safety problems on its own, it is one of the prerequisites for safe urban flying [40–42].

• 3. 표준화된 분리 없음(No standardized separation)
• 현재 Class G 영공 내 비행은 ATC로부터 분리 지침을 받지 않음
• 조종사가 시각적으로 다른 항공기와 안전한 거리를 유지하는 "보고 피함(see and avoid)" 접근 방식을 통해 안전을 보장함
• 보고 피함(see-and-avoid)과 동일한 기술은 UAV가 장애물을 감지(detect)하고 장애물로부터 멀어지도록 하는 HW와 SW의 혼합인 탐지-회피(sense-and-avoid)임
• 더 작은 UAV는 레이더(radars)나 라이다(LiDAR)를 사용하는 데 필요한 탑재량이나 에너지 용량이 없으며 대부분의 탐지-회피(sense-and-avoid) 시스템은 주변을 스캔하기 위해 카메라에 의존함
• 간단하지만 충돌을 피하는 이 접근 방식은 본질적으로 각 UAV가 임박한 충돌(imminent conflict)을 해결하는 것으로만 보이는 greedy 알고리즘
• 밀집된 교통 환경에서 조정되지 않은(uncoordinated) greedy 라우팅은 영공 처리량(throughput)과 안전을 감소시킴
• 탐지-회피(sense-and-avoid)만으로 네비게이션(navigation)과 안전 문제를 해결할 수는 없지만 안전한 도심 비행을 위한 전제 조건(prerequisites) 중 하나임

 

Sense-and-avoid is not the only method of navigating through a dense urban environment. Strategic, trajectory-based collision avoidance is a necessary complement to the sense-and-avoid procedure, as it further reduces the likelihood of an incident [27–29]. Apart from the sense-and-avoid approach, collision avoidance can be done by strategic collision avoidance algorithms [28,43], avoidance maps [44], and path-planning [36,38,45].

• 밀집된 도시 환경을 통해 탐색하는 유일한 방법은 탐지-회피(sense-and-avoid)가 아님
• 전략적(strategic)인 궤적 기반 충돌 회피(trajectory-based collision avoidance)는 사고 가능성을 더욱 줄여주기 때문에 탐지-회피(sense-and-avoid) 절차의 필수 보완 요소(necessary complement)임
• 탐지-회피(sense-and-avoid) 접근 방식 외에도 충돌 회피는 전략적 충돌 회피 알고리즘(strategic collision avoidance algorithms), 회피 맵(avoidance maps), 경로 계획(path-planning)을 통해 수행할 수 있음

 

In addition to separation, sense-and-avoid, and collision avoidance procedures, risk can also be reduced by using geofences. Geofence is a virtual airspace boundary that prohibits or restricts access to some or all aircraft to a specific part of airspace [46]. Objects on the ground, such as critical infrastructure (airports, high voltage pylons, hospitals) or protected areas (military bases, recreational areas, nature reserves) are the most likely candidates for geofences. Geofence concepts were proposed by The European Organization for Civil Aviation Equipment (EURO-CAE) [47] and The National Aeronautics and Space Administration (NASA) [46], as shown in Fig. 3.

• 분리(separation), 탐지-회피(sense-and-avoid) 및 충돌 회피 절차 외에도 지오펜스(geofence)를 사용하여 위험을 줄일 수 있음
• 지오펜스(geofence)는 일부 또는 모든 항공기에 대한 영공의 특정 부분에 대한 접근을 금지하거나 제한하는 가상 영공 경계임
• 중요한 인프라(공항, 고전압 철탑, 병원 등) 또는 보호 구역(군사 기지, 휴양지, 자연 보호 구역)과 같은 지상의 object들이 지오펜스의 가장 가능성이 높은 후보임
• 지오펜스 개념은 그림 3과 같이 유럽 민간 항공 장비 기구(European Organization for Civil Aviation Equipment, EURO-CAE)와 NASA에 의해 제안되었음

 

In more general terms, geofences can be static and dynamic. Static geofences can be used to define flying corridors [40] and support obstacle avoidance [49]. Dynamic geofences can be inserted into the airspace at any point as a result of ongoing events, emergency missions, or severe weather. Once the geofences are set, the remaining space is open for flying, and the resulting flying path may or may not consider additional factors such as third-party risk [50].

• 보다 일반적인 용어로 지오펜스는 정적(static)이고 동적(dynamic)일 수 있음
• 정적 지오펜스(Static Geofence)는 비행 경로(flying corridors)를 정의하고 장애물 회피를 지원하는 데 사용될 수 있음
• 동적 지오펜스(Dynamic Geofence)는 지속적인 사건(ongoing events), 비상 임무(emergency missions) 또는 가혹한 날씨(severe weather) 등으로 인해 언제든지 영공에 삽입될(inserted) 수 있음
• 지오펜스가 설정되면 남은 공간이 비행을 위해 열려 있고, 그로 인한 비행 경로는 제3자 위험(third-party risk)과 같은 추가 요소를 고려하거나 고려하지 않을 수 있음

 

3.1.2. Wind gusts

Fig. 4. Wind speed and direction around a building. Source: [52]

According to the National Weather Service, a wind gust is a brief, sudden increase in wind speed. In urban environments, friction between wind and buildings creates eddies that cause sudden changes in wind speed and direction (Fig. 4). Aircraft’s energy consumption can increase due to the additional power required to maintain a steady flight. More importantly, wind gusts can cause loss of control and overcome the aircraft’s ability to maintain position, altitude, and stability [51].

• 미국 국립 기상청에 따르면, 돌풍은 일시적이고 갑작스러운 풍속 증가를 의미
• 도시에서 바람과 건물 사이의 마찰은 풍속과 방향의 급격한 변화를 일으키는 소용돌이를 일으킴 (그림 4)
• 항공기의 에너지 소비는 안정적인 비행을 유지하는 데 필요한 추가적인 동력으로 인해 증가할 수 있음
• 더 중요한 것은, 돌풍은 통제력의 상실(loss of control)을 야기하고 항공기의 위치, 고도, 안정성을 유지하는 능력을 압도(overcome)할 수 있다는 것임

 

Urban canyons and even individual buildings can cause flows with significant levels of turbulence [53–55], which can endanger the aircraft. Even the most advanced trajectory control algorithms cannot guarantee accurate navigation or object avoidance in unpredictable wind environments [56]. One of the reasons is that wind velocity is difficult to predict [57] and wind turbulences can happen in locations where they were not expected [58]. Studies show that wind gusts can affect the altitude [59,60] and position of urban aircraft [61,62] and that in these situations, the autopilot can “overcorrect” and deviate from the planned path [63], which can cause a collision. Some drone manufacturers specify that small air vehicle can tolerate a wind speed up to 10 m/s; however, initial tests by NASA show that small UAS cannot safely fly in wind flow with speeds greater than 5 m/s [64].

• 도시 협곡(Urban canyons)과 심지어 개별 건물은 상당한 수준의 난류로 흐름을 일으킬 수 있으며 이는 항공기를 위험에 빠뜨릴 수 있음
• 가장 진보된 궤도 제어 알고리즘(trajectory control algorithms)으로도 예측할 수 없는 바람 환경에서 정확한 항법이나 장애물 회피를 보장할 수 없음
• 그 이유 중 하나는 풍속을 예측하기 어렵고 예상하지 못한 곳에서 풍란(wind turbulences)이 발생할 수 있기 때문임
• 연구에 따르면 돌풍은 UAM의 고도와 위치에 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 상황에서 자동 조종 장치(autopilot)가 "과보정(overcorrect)"하여 계획된 경로를 이탈하여 충돌을 일으킬 수 있음
• 일부 드론 제조업체는 소형 항공기가 최대 10m/s의 풍속을 견딜 수 있다고 명시하지만 NASA의 초기 테스트에 따르면 소형 UAS는 5m/s 이상의 바람에서 안전하게 비행할 수 없음

 

Should areas with wind gusts be avoided, or can high-precision algorithms and propellers maintain the control under sudden winds? Early experiments show that control cannot always be maintained [65] and that areas with wind gusts should be avoided [52].

• 돌풍이 부는 지역은 피해야 할까, 아니면 고정밀 알고리즘(high-precision algorithms)과 프로펠러가 갑작스러운 바람에도 제어를 유지할 수 있을까?
• 초기 실험(Early experiments)에 따르면 제어를 항상 유지할 수 없었으므로 돌풍이 부는 지역은 피해야 함

 

3.1.3. Weather

In aviation, adverse weather conditions regularly cause delays and cancellations of airline flights. In any given year, between 25% and 50% of all aviation accidents are weather-related [61]. However, the severity of weather-related accidents has been steadily reduced due to better nationwide weather prediction and warning systems [66]. Although traditional aviation has benefited from these technological improvements, they are not accurate enough to provide real-time support to urban operations [67]. This gap is a severe constraint to UAM integration, mainly because the weather can disrupt urban air traffic through:

• 항공에서 불리한 기상 조건은 정기적으로 항공사 항공편의 지연과 취소를 야기함, 어느 연도이든지 모든 항공 사고의 25%에서 50% 사이가 기상 관련 사고임
• 그러나 기상 관련 사고의 심각성은 전국적인 기상 예측 및 경고 시스템의 개선으로 인해 꾸준히 감소하였음
• 전통적인 항공이 이러한 기술 개선의 혜택을 누렸지만 도시 운영에 실시간 지원을 제공할 만큼 정확하지 않음
• 이러한 격차(gap)는 주로 기상이 다음을 통해 도심 항공 교통(urban air traffic)을 방해할 수 있기 때문에 UAM 통합에 심각한 제약(severe constraint)이 됨:

 

● Reduced mission endurance – Strong winds can decrease battery performance and interfere with the integrity of the flight. Precipitation can increase resistance to the movement of aircraft and cause the malfunction of onboard electronics. Low temperatures can decrease battery life. Icing can build up on airframes or propellers and increase the weight of the drone.

• ● 감소된 임무 내구성
• 강한 바람은 배터리 성능을 저하시키고 비행의 완전성(integrity)을 방해할 수 있음
• 강수(Precipitation)는 항공기의 움직임에 대한 저항력을 증가시키고 탑재된 전자 장치의 오작동을 일으킬 수 있음
• 낮은 온도는 배터리 수명을 감소시킬 수 있음, 빙결(Icing)은 기체나 프로펠러에 쌓이고 드론의 무게를 증가시킬 수 있음

 

● Reduced safety – Wind and storms can be dangerous to low altitude aircraft due to the lack of space to correct position, heading, or altitude. Changes in barometric pressure can cause miscalibration of altimeter and cause altitude errors. Visibility and low ceiling could reduce the effectiveness of sense-and-avoid avionics.

• ● 감소된 안전
• 바람과 폭풍은 위치, 방향, 또는 고도를 정확하게 맞출 공간이 부족하기 때문에 낮은 고도의 항공기들에게 위험할 수 있음
• 기압의 변화는 고도계의 잘못된 보정을 야기하고 고도 오차를 일으킬 수 있음
• 가시성(Visibility)과 낮은 천장(low ceiling)은 탐지-회피(sense-and-avoid) 항공전자장치의 효율성을 감소시킬 수 있음

 

Weather risks can be reduced by creating dynamic geofences that move with the weather. However, a dynamic geofence is only as good as the weather forecasts supporting it. Accurate forecasts are critical to UAM safety [68] and route planning [69], especially because weather avoidance procedures decrease flight endurance of en-route aircraft [70].

• 날씨와 함께 움직이는 동적 지오펜스(dynamic geofence)를 생성하면 날씨 위험을 줄일 수 있음, 그러나 동적 지오펜스는 일기예보가 그것을 뒷받침하는 것만큼만 좋음
• 특히 날씨 회피 절차(weather avoidance procedures)가 경로 항공기의 비행 내구성(flight endurance)을 감소시키기 때문에 정확한 예측은 UAM 안전과 경로 계획(route planning)에 매우 중요함

 

3.2. Social factors

Local communities have increasingly influenced the operations of airlines and airports in their jurisdictions [71]. Flights occurring at low altitudes may expose individuals to negative externalities such as air pollution, noise, degradation of the living environment or reduction in property values [72]. UAM operations will most likely occur at lower flight levels and closer to residential neighborhoods than traditional airline operations, and thereby increase the likelihood of community opposition to the development of urban airspace. Studies suggest that UAM might be constrained by social factors such as the perception of safety, security, privacy, ownership, liability, regulation [73], noise, visual pollution, air pollution, and equity [74]. The final definition of airspace structures will mostly depend on noise, visual pollution, and privacy concerns.

• 지역 사회(Local communities)는 관할 구역의 항공사와 공항 운영에 점점 더 영향을 미치고 있음
• 저고도 비행은 대기 오염(air pollution), 소음, 생활 환경 저하(degradation of the living environment) 또는 재산 가치 감소(reduction in property values)와 같은 부정적인 외부 효과에 개인을 노출시킬 수 있음
• UAM 운영은 전통적인 항공사 운영보다 저고도 비행(lower flight levels)과 주거 지역에 더 가깝게 발생할 가능성이 가장 높으며, 따라서 도시 영공 개발에 대한 지역 사회의 반대(community opposition) 가능성을 높일 수 있음
• 연구에 따르면 UAM은 안전, 보안, 프라이버시, 소유권, 책임(liability), 규제, 소음, 시각적 오염(visual pollution), 대기 오염 및 형평성(equity)과 같은 사회적 요인의 제약을 받을 수 있음
• 영공 구조의 최종 정의(final definition)는 대부분 소음, 시각적 오염(visual pollution) 및 프라이버시에 따라 달라질 것임

 

3.2.1. Noise

Several studies have highlighted noise as the key constraint to the implementation of UAM [15,74–76]. The International Civil Aviation Organization (ICAO) has concluded that UAM noise will cause a significant level of annoyance [77]. Noise can interfere with daily activities and sleep, which causes stress-related symptoms [78]. Sleep disturbance reduces the quality of life and causes health issues [79–81]. Community opposition to noise is already a significant consideration for airports and airlines [82,83]. The FAA imposes noise limits for various types of aircraft, but it is anticipated that stricter standards will be required for urban aviation [84,85]. Adverse effects of noise in a community can be reduced by manufacturing quieter air vehicles or setting up flying routes that reduce noise exposure.

• 여러 연구에서 소음(noise)을 UAM 구현의 핵심 제약 조건(key constraint)으로 강조하였음
• 국제민간항공기구(ICAO)는 UAM 소음이 상당한 수준의 짜증(annoyance)을 유발할 것이라고 결론을 내렸음
• 소음은 일상 활동과 수면을 방해할 수 있으며, 이는 스트레스 관련 증상을 유발함, 수면 장애는 삶의 질을 떨어뜨리고 건강 문제를 유발함
• 소음에 대한 지역 사회의 반대는 이미 공항과 항공사들에게 중요한 고려 사항(significant consideration)임
• FAA는 다양한 유형의 항공기에 소음 제한(noise limits)을 부과하지만, 도시 항공에는 더 엄격한 기준(stricter standards)이 필요할 것으로 예상됨
• 소음의 지역 사회 내 부작용(adverse effects)은 소음 노출을 줄이는 더 조용한 항공기를 제조하거나 비행 경로(flying routes)를 설정함으로써 줄일 수 있음

 

Reducing UAM noise will not be simple [86]. The volume and the frequency of a sound primarily depend on its source, which in the case of drones are motors, propellers, and airframes [87,88]. Although an electric engine in a modern multi-copter has significantly lower engine noise than a helicopter, the propellers create a high-frequency sound that cannot be easily eliminated [89,90]. The initial tests by NASA [91] show that, even at the same decibel levels, drones generate sound that is more annoying to the listeners than the sound generated by a car. Another study by NASA suggests that the listener’s annoyance may increase with the number of propellers [92] since a human ear is sensitive not only to volume but also to the frequency of sound. These results indicate that high-frequency noise produced by drone propellers might generate pushback even if the sound volume (in decibels) is within acceptable limits.

• UAM 소음을 줄이는 것은 간단하지 않음
• 소리의 크기(volume)와 주파수(frequency)는 주로 발생원(source)에 달려있는데, 드론의 경우에는 모터(motors), 프로펠러(propellers), 기체(airframes)가 해당됨
• 현대식 멀티콥터(multi-copter)의 전기 엔진은 헬리콥터보다 엔진 소음이 훨씬 적지만, 프로펠러는 쉽게 제거할 수 없는 고주파 소리(high-frequency sound)를 발생시킴
• NASA의 초기 테스트는 심지어 같은 데시벨 수준(decibel levels)에서도 드론이 자동차에서 발생하는 소리보다 듣는 사람에게 더 짜증나는 소리를 낸다는 것을 보여줌
• NASA의 또 다른 연구는 사람의 귀는 소리의 크기뿐만 아니라 주파수(frequency)에도 민감하기 때문에 프로펠러의 수에 따라 듣는 사람의 짜증이 증가할 수 있다는 것을 보여줌
• 이러한 결과는 드론 프로펠러에서 발생하는 고주파 소음이 음량(데시벨)이 허용 가능한 한도 내에 있더라도 반감(pushback)을 일으킬 수 있음

 

The volume and frequency of sound also depend on the listener’s distance from the source. Propeller sound decreases by about 6 dB with every doubling of distance from the source [87], which means that the level of noise exposure can be controlled by defining flight paths closer or farther away from the residential areas. Rather than relying solely on quieter engines to reduce community noise, operators will need to adjust flying paths to minimize the exposure to sound [93]. The adjustment of flying routes may be made proactively by designing airspace to reduce noise exposure or reactively in response to landowners’ lawsuits and community opposition.

• 소리의 볼륨과 주파수는 발생원(source)으로부터 청취자(listener)의 거리에 따라 달라짐
• 프로펠러 소리는 발생원(source)로부터 거리가 두 배로 증가할 때마다 약 6dB 감소하는데, 이는 소음 노출(noise exposure) 수준이 주거 지역(residential areas)에서 더 가깝거나 더 멀리 떨어진 비행 경로를 정의함으로써 제어(control)될 수 있음을 의미
• 운영자(operators)는 커뮤니티 소음을 줄이기 위해 더 조용한 엔진에만 의존하는 것보다 소리에 대한 노출을 최소화하기 위해 비행 경로를 조정할 필요가 있음
• 비행 경로 조정(adjustment of flying routes)은 소음 노출을 줄이기 위해 공역을 설계하거나 토지 소유자의 소송 및 지역 사회의 반대에 대응하여 능동적으로 이루어질 수 있음

 

3.2.2. Visual pollution

Fig. 5. Dronepolis: a dystopian view of UAM [98].

Visual disturbances in residential neighborhoods are likely to create localized pushback as low-level flights might be visually undesirable [94]. In one of the few articles on the subject [95], the authors conducted a text-mining semantic analysis to investigate a general sentiment toward drones and found that the public will likely be annoyed by small aircraft because they clutter the visual field and create shadows. A survey by Airbus found that 45% of respondents are concerned about visual pollution [96]. The way to combat it would be to create routes that fly over less-populated areas or water. A white-paper by Uber [15] points out that visual pollution concerns can be addressed via trip route modifications to avoid particularly sensitive vistas or by consolidating traffic to existing transportation corridors such as above highways. Social scientists argue that drones can be viewed as usurpers taking over people’s right to the city and air [97]. In popular literature and media, dystopian urban environments are usually presented as spaces cluttered with small aircraft (Fig. 5), which might influence real-world public sentiment and UAM acceptance.

• 거주 지역의 시각적 장애(Visual disturbances)는 저고도 비행이 시각적으로 바람직하지 않을 수 있기 때문에 국부적인 반발(localized pushback)을 일으킬 가능성이 있음
• 이 주제에 대한 몇 안 되는 아티클 중 하나에서 저자는 텍스트 마이닝 의미 분석(text-mining semantic analysis)을 수행하여 드론에 대한 일반적인 정서(general sentiment)를 조사한 결과 소형 항공기가 시야를 어지럽히고 그림자를 만들기 때문에 대중이 짜증이 날 가능성이 있음을 발견하였음
• Airbus의 설문 조사에 따르면 응답자의 45%가 시각적 오염(visual pollution)에 대해 우려하고 있으며, 이를 방지하는 방법은 인구가 적은 지역이나 물 위를 비행하는 경로를 만드는 것임
• 우버의 백서(white-paper)는 시각적인 오염 문제를 특별히 민감한 관광객들을 피하기 위해 이동 경로를 수정하거나 고속도로 위와 같은 기존의 교통 통로로 루트를 통합함으로써 해결할 수 있다고 지적하였음
• 사회과학자들은 드론이 도시와 항공에 대한 사람들의 권리를 탈취하는 것으로 볼 수 있다고 주장함
• 대중문학과 미디어에서 디스토피아 도시 환경은 일반적으로 소형 항공기로 인해 어수선한 공간으로 제시되며(그림 5), 이는 실제 대중 감정(public sentiment)과 UAM 수용(acceptance)에 영향을 미칠 수 있음

 

3.2.3. Privacy

Issues of privacy are exacerbated in residential and business areas. A successful airspace concept should ensure that air vehicles do not create a sense of intrusion on the human environment [99,100]. In a democracy, a person does not have to justify the desire for privacy, the state must justify its violation. Legal scholars agree that the argument that “no privacy problem exists if a person has nothing to hide” is not valid [101]. Saying you do not care about privacy because you have nothing to hide is to say you do not care about freedom of speech because you have nothing to say [102]. It is to assume that no one has anything to conceal, including political and religious beliefs, immigration status, or health records. In addition to recognizing the importance of privacy, it is important to understand that there are multiple types of privacies that should be safeguarded: privacy of the person, of behavior and action, of communication, of data and image, of thoughts and feelings, location and space, of association [103]. The specific privacy type associated with UAM is difficult to define, given drones’ diverse capabilities and applications. For example, aircraft equipped with cameras can capture images that can provide information about people’s location, behavior, and activity patterns [103].

• 주거 및 업무 영역에서 프라이버시 문제가 악화되고 있음
• 성공적인 공역 개념은 항공기가 인간 환경에 침입감을 조성하지 않도록 보장해야 함
• 프라이버시의 중요성을 인식하는 것 외에도 보호해야 할 프라이버시에는 개인 프라이버시, 행동(behavior and action), 통신, 데이터와 이미지(data and image), 생각과 느낌(thoughts and feelings), 위치와 공간(location and space), 연관성(association) 등 여러 유형이 있음을 이해해야 함
• UAM과 관련된 구체적인 프라이버시 유형은 드론의 다양한 능력과 응용을 고려할 때 정의하기가 어려움
• 예를 들어, 카메라를 장착한 항공기는 사람들의 위치, 행동, 활동 패턴에 대한 정보를 제공할 수 있는 이미지를 포착할 수 있음

 

The arguments for safeguarding privacy might sound outdated. After all, people relinquished privacy when they bought a smartphone. However, the issue of UAM acceptance is less about the ownership of private data and more about the perception of privacy. UAM operations, which occur in low altitude airspace, may accentuate annoyance over the proximity of the flights and the perceived privacy loss [104]. And experience from airport development shows just how powerful annoyed citizens can be. The main two factors expected to affect the perception of privacy are the number of flights and their altitude. These factors are nearly entirely dependent on the decisions about the design of airspace.

• 사생활 보호에 대한 주장은 구식(outdated)으로 들릴 수 있음 (결국, 사람들은 스마트폰을 구매하며 프라이버시를 일부 포기함)
• 그러나, UAM 수용의 문제는 사적인 데이터(private data)의 소유에 관한 것이 아니라 사생활에 대한 인식(perception of privacy)에 관한 것임
• 저고도 공역에서 발생하는 UAM 운영은 비행의 근접성(proximity)과 감지된 프라이버시 손실(perceived privacy loss)에 대한 성가심을 두드러지게 할 수 있음
• 공항 개발로부터의 경험은 시민들이 얼마나 강력하게 반발할 수 있는지를 보여줌
• 사생활에 대한 인식에 영향을 미칠 것으로 예상되는 주요한 두 가지 요소는 비행기의 수(number of flights)와 고도(altitude)이며, 이 요소들은 거의 전적으로 공역의 설계에 대한 결정에 달려 있음

 

3.3. Operational factors – system

The scalability of air traffic control is one of the critical constraints for the operation of UAM [17]. The FAA estimates that there are 1.7 million drones in the US at the end of 2020 [105], seven times larger than combined airline and general aviation fleets. Accommodating such traffic requires new and innovative system-wide solutions in air traffic management, communication, navigation, and surveillance.

• 항공 교통 관제(air traffic control, ATC)의 확장성(scalability)은 UAM 운영에 중요한 제약 조건(critical constraints) 중 하나임
• FAA는 2020년 말 미국에 170만 대의 드론이 있으며 이는 항공사와 일반 항공기를 합친 것보다 7배 더 큰 규모라고 추정
• 이러한 트래픽(traffic)을 수용하려면 항공 교통 관리(air traffic management), 통신, 항법(navigation) 및 감시 분야에서 새롭고 혁신적인 시스템 전반의 솔루션(system-wide solutions)이 요구됨

 

3.3.1. Air traffic management system

The main challenges in air traffic management are airspace integration, separation, contingency management, capacity, traffic flow management, and scheduling [106]. If aircraft in urban airspace can freely select their routes, speed, and altitude, the air traffic management system needs to be technologically advanced to facilitate that selection.

• 항공 교통 관리(air traffic management)의 주요 과제는 영공 통합(airspace integration), 분리(separation), 비상 관리(contingency management), 용량(capacity), 교통 흐름 관리(traffic flow management) 및 스케줄링(scheduling)임
• 도시 영공의 항공기가 경로, 속도 및 고도를 자유롭게 선택할 수 있다면, 항공 교통 관리 시스템은 그 선택을 용이하게(facilitate that selection) 하기 위해 기술적으로 발전될 필요가 있음

 

There are two approaches to thinking about managing urban air traffic. The first, proposed by the FAA and NASA [1,2], argues that the air traffic management system should be centralized and technologically able to accommodate aircraft of all levels of performance. The second approach, promoted mainly by the industry, argues that aircraft should select their preferred routes while maintaining safety with onboard technology, such as sense-and-avoid. It follows that aircraft with inadequate technological capabilities would not be able to enter the airspace. The advantages of one approach over the other depend on, among others, the maturity of the system. NASA proposed stages of the development of UAM, called NASA’s UAM Maturity Levels [107], presented in Table 1. In the early stages, when both aircraft and management systems’ technological capabilities are limited, it is reasonable to expect limited operations constrained to selected regions [108]. A government aviation agency (such as the FAA in the US) will maintain its regulatory authority, but the operations will not be managed by air traffic control. As technology advances, higher integration between the operator and management system could be achieved.

• 도시 항공 교통을 관리하는 것을 생각하는 데에는 두 가지 접근 방식이 있음
• 첫 번째는 FAA와 NASA에 의해 제안된 것으로 항공 교통 관리 시스템(air traffic management system)이 중앙 집중(centralized)되어야 하며 기술적으로 모든 수준의 성능을 갖춘 항공기를 수용할 수 있어야 한다고 주장
• 산업계(industry)를 중심으로 추진되는 두 번째 접근 방식은 탐지-회피(sense-and-avoid)와 같은 탑재 기술로 안전을 유지하면서 항공기가 선호하는 경로를 선택해야 한다고 주장, 부적절한 기술 능력(inadequate technological capabilities)을 가진 항공기는 영공에 진입할 수 없을 것
• 한 접근 방식이 다른 접근 방식에 비해 갖는 장점은 무엇보다도 시스템의 성숙도(maturity of the system)에 달려 있음
• NASA는 표 1에 제시된 NASA의 UAM 성숙도 수준(UAM Maturity Levels)이라고 불리는 UAM 개발 단계(stages of the development of UAM)를 제안하였음
• 항공기와 관리 시스템의 기술 능력이 모두 제한되는 초기 단계에서는 선택된 지역에 제한된 운영을 기대하는 것이 합리적
• 미국의 FAA와 같은 정부 항공 기관은 규제 권한(regulatory authority)을 유지하지만 항공 교통 통제(air traffic control, ATC)에 의해 운영이 관리되지 않음
• 기술이 발전함에 따라 운영자(operator)와 관리 시스템(management system) 간의 더 높은 통합(higher integration)을 달성할 수 있음

 

3.3.2. Communication, navigation, and surveillance

Significant technological improvements are required in all three aspects of the communication, navigation, and surveillance (CNS) system. The existing UAVs mainly rely on simple point-to-point communication over the unlicensed band, which is unreliable, insecure, and can only operate over a very limited range. Technologies currently not used in traditional aviation, such as LTE and 5G-and-beyond cellular services, as well as satellite links will be required to facilitate communication between aircraft and traffic control. However, wireless communication face many challenges, including availability, latency, use-of-power, and security issues. Further developments are needed to enable safe UAM operations. For a detailed review of the emerging communication technologies in UAM, see Refs. [109,110].

• 통신, 항법 및 감시(communication, navigation, and surveillance, CNS) 시스템의 세 가지 측면 모두에서 상당한 기술 개선(significant technological improvements)이 필요
• 기존의 UAV는 주로 비면허 대역(unlicensed band)을 통한 단순한 점대점(point-to-point) 통신에 의존하며, 이는 신뢰할 수 없고(unreliable), 불안정하며(insecure), 매우 제한된 범위에서만 작동할 수 있음
• 항공기와 교통 제어(traffic control) 간의 통신을 용이하게 하기 위해 위성 링크(satellite links)뿐만 아니라 LTE 및 5G 이상 셀룰러 서비스(cellular services)와 같은 기존 항공에서 현재 사용되지 않는 기술이 필요할 것임
• 그러나 무선 통신은 가용성(availability), 지연 시간(latency), 전력 사용(use-of-power) 및 보안 문제(security issues)를 포함하여 많은 과제에 직면해 있음
• 안전한 UAM 운영을 가능하게 하기 위해서는 추가 개발이 필요
• UAM에서 새롭게 부상하고 있는 통신 기술에 대한 자세한 검토는 Reference를 참조 [109,110].

 

The availability and accuracy of GPS can also be a problem. In the urban environment, buildings can block satellites from direct line of site to the GPS receiver, which can cause errors in navigation or completely block the signal. Moreover, atmospheric conditions can cause a variation in the precision of GPS positioning. An experiment [111] measuring a flight path precision of a drone in an urban environment showed that the drone deviated up to 2m from the expected flight path. However, in a few situations, the drone deviated 5 m or more. Other studies on GPS accuracy found that in city canyons the positioning drift can be over 20m due to signal blockage [112]. While there are no official FAA standards on the maximum allowable difference between the estimated position and the true position of a drone, some authors argue that the error should not exceed 3 m [113], which indicates that either GPS needs to be improved, or new technologies need to be developed to sustain higher technical capability levels of UAM.

• GPS의 가용성(availability)과 정확성(accuracy)도 문제가 될 수 있음
• 도시 환경에서 위성과 GPS 수신기(receiver)의 연결이 건물들에 의해 차단될 수 있으므로 항법에 오류가 발생하거나 신호가 완전히 차단될 수 있음
• 더욱이 대기 조건(atmospheric conditions)은 GPS 측위 정밀도(precision of GPS positioning)에 편차(variation)를 유발할 수 있음
• 도시 환경에서 드론의 비행 경로 정밀도(precision)를 측정한 실험에서 드론이 예상 비행 경로에서 최대 2m를 벗어난 것으로 나타남, 그러나 몇몇 상황에서는 드론이 5m 이상을 이탈하였음
• GPS 정확도에 대한 다른 연구에서는 신호 차단(signal blockage)으로 인해 도시 협곡(city canyons)에서 위치 이동 드리프트(positioning drift)가 20m 이상이 될 수 있음을 발견하였음
• 추정된 위치(estimated position)와 드론의 실제 위치(true position) 간의 최대 허용 오차에 대한 공식(official) FAA 표준(standard)은 없지만 일부 저자는 오차가 3m를 초과해서는 안 된다고 주장
• 이는 GPS를 개선(improve)하거나 UAM의 더 높은 기술적 능력 수준을 유지하기 위해 새로운 기술을 개발해야 함을 나타냄

 

Higher positional accuracy could be achieved by using an image-based navigation system, cooperative navigation, or signals and additional ground infrastructure. For example, a combination of GPS and cellular networks can reduce error down to 15 cm [114], or in some cases, even down to 2 cm [112]. Only experiments and experience will show which level of navigational precision is required for safe UAM. Reducing error from 5 m to 1 m will undoubtedly improve the safety of the system. However, even the most precise GPS systems are for naught if the signal is not available. The improvements in accuracy should be followed by improvements in availability.

• 더 높은 위치 정확도는 이미지 기반의 항법 시스템(image-based navigation system), 협동 네비게이션(cooperative navigation), 신호와 추가 지상 인프라를 사용함으로써 달성될 수 있음
• GPS와 셀룰러 네트워크의 조합은 15cm까지, 심지어 특정 상황에서는 2cm까지 오차를 줄일 수 있음
• 오직 실험과 경험만이 안전한 UAM을 위하여 어떤 수준의 항법 정밀도(navigational precision)가 필요한지를 보여줄 수 있을 것
• 5m에서 1m로 오차를 줄이는 것은 의심할 여지 없이 시스템의 안전을 향상시킬 것임
• 그러나, 가장 정밀한 GPS 시스템조차도 신호를 사용할 수 없다면 소용이 없으므로 정확도(accuracy)의 향상은 가용성(availability)의 향상이 받쳐주어야 함

 

Traditional radars are inadequate for the surveillance of low-altitude UAM operations. Some operators propose the use of automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B); however, in high-density environments, the ADS-B frequency band will likely be oversaturated [115]. Advanced surveillance systems that overcome ADS-B limitations should be developed [116]. Higher freedom of flight will require more sophisticated CNS technology, and organizations that present new concepts for urban air traffic need to explicitly address the shortcomings of current technologies.

• 기존의 레이더는 저고도 UAM 운영의 감시(surveillance)에는 부적합(inadequate)함
• 일부 운영자는 자동 종속 감시 방송(automatic dependent surveillance-broadcast, ADS-B)의 사용을 제안하지만 고밀도(high-density) 환경에서는 ADS-B 주파수 대역이 과포화(oversaturated) 될 가능성이 높음
• ADS-B의 한계를 극복하는 첨단 감시 시스템(Advanced surveillance systems)의 개발이 필요함
• 비행의 자유도가 높아지면 보다 정교한 CNS 기술이 필요할 것이며, 도심 항공 교통(urban air traffic)에 대한 새로운 개념을 제시하는 조직은 현재 기술의 단점을 명시적으로 해결할 필요가 있음

 

3.3.3. Capacity

Government agencies agree that airspace should be able to accommodate all air vehicles, regardless of their capabilities and sizes [1,2, 117]. Decisions and projections about capacity will determine the design of airspace. These decisions include the layout of airspace geometries, air traffic control, traffic mix, and separation. The consequences of inadequate capacity are ground delay, airborne delay, increased cost of entering the airspace as well as a possible prioritization of airspace for specific classes. However, capacity is constrained by safety, as well as other factors presented here, and should be determined as one of the many variables in a multi-variant optimization.

• 정부 기관들은 공역이 비행체의 능력과 크기에 관계없이 모든 항공기를 수용(accommodate)할 수 있어야 한다는 것에 동의함
• 용량(capacity)에 대한 결정과 예측은 공역 설계를 결정할 것임
• 이러한 결정에는 공역 기하학(airspace geometries), 항공 교통 통제(ATC), 교통 혼합 및 분리(traffic mix and separation)가 포함됨
• 부적절한 용량의 결과는 지상 지연(ground delay), 공중 지연(airborne delay), 공역 진입 비용 증가 및 특정 등급에 대한 공역 우선순위 결정 가능성(possible prioritization)입니다.
• 그러나 용량은 여기에 제시된 다른 요소뿐만 아니라 안전에 의해 제한되며 다변량 최적화(multi-variant optimization)에서 많은 변수 중 하나로 결정되어야 함

 

3.4. Operational factors – vehicles

The design of airspace depends on the characteristics of aircraft that use airspace. These aircraft differ in size, speed, maneuverability, autonomy, and CNS capabilities. The resulting airspace will need to reconcile these differences.

• 영공의 설계는 영공을 사용하는 항공기의 특성(characteristics)에 따라 달라짐
• 항공기들은 크기(size), 속도(speed), 기동성(maneuverability), 자율성(autonomy), CNS 능력 등 부분에서 모두 다르므로, 영공은 이러한 차이를 융화(reconcile)할 수 있어야 함

 

3.4.1. Aircraft type and aircraft mix

In traditional aviation, the size and maneuverability of an aircraft are important factors in airport planning. They set the dimensional requirements of airport infrastructure and flying procedures. Similar to traditional aviation, the design of landing and take-off pads and airspace structures depends on the type of aircraft. Characteristics such as weight, wingspan, speed, range, materials, maximum altitude, and endurance provide a basis for classification and identification [8,118]. As the new air vehicles emerge, it is crucial to identify their differences and similarities with the existing aircraft and to determine how the mix of these vehicles impacts the constraints of airspace. As the industry of aircraft manufacturing advances, airspace needs to be flexible to accommodate and integrate new types of vehicles.

• 전통 항공(traditional aviation)에서 항공기의 크기(size)와 기동성(maneuverability)은 공항 계획에서 중요한 요소임
• 이들은 공항 인프라와 비행 절차의 치수 요구 사항(dimensional requirements)을 설정함
• 전통 항공과 유사하게 착륙/이륙 패드(landing and take-off pads)와 공역 구조의 설계는 항공기 유형에 따라 달라질 수 있음
• 무게(weight), 날개폭(wingspan), 속도(speed), 범위(range), 재료(materials), 최대 고도(maximum altitude) 및 내구성(endurance)과 같은 특성은 분류(classification) 및 식별(identification)의 기초를 제공함
• 새로운 항공기가 등장함에 따라 기존 항공기와의 차이점과 유사점을 식별하고 이러한 차량의 혼합이 공역의 제약(constraints)에 어떤 영향을 미치는지 결정하는 것이 중요
• 항공기 제조 산업이 발전함에 따라 공역은 새로운 유형의 항공체를 수용하고 통합하기 위해 유연해야 함

 

3.4.2. Level of autonomy

 

Automation could overcome some of the deficiencies of the air traffic management system or CNS system and could increase the robustness of the system against interference. As the level of autonomy increases, it is expected that urban airspace will be able to accommodate an increasing number of aircraft. However, there are multiple definitions of levels of autonomy. For example, DroneII [119] proposed six levels (Table 2), The North Atlantic Treaty Organization (NATO) [120] defined four levels (Table 3), The National Institute of Standards and Technology [121,122] proposed a framework of five levels (Table 4), and Air Force Research Laboratory [123] proposed ten levels of autonomy (Table 5).

• 자동화(Automation)는 항공 교통 관리 시스템(Air traffic management system) 또는 CNS 시스템의 일부 결함(interference)을 극복하고 간섭에 대한 시스템의 견고성(robustness)을 높일 수 있음
• 자율성 수준이 증가함에 따라 도시 영공이 증가하는 항공기를 수용할 수 있을 것으로 예상함
• 그러나 자율성 수준에 대한 정의는 여러 가지가 있는데, 예를 들어, DroneII는 6단계(Table 2)를 제안했고, 북대서양 조약 기구(NATO)는 4단계(Table 3)를 정의, 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)는 5단계(Table 4)의 프레임워크를 제안, 공군 연구소는 10단계(Table 5)의 자율성을 제안하였음

 

The first step in creating a single UAM airspace would be to adopt a single classification for aircraft autonomy and, based on it, create procedures and rules of flying. Despite many classifications and levels, the common features that define the level of autonomy are control, perception (situational awareness), decision-making, and communication/cooperation [123]. These features could be a start in defining a single classification system. There will likely be a transitional period where the airspace will accept both manned and unmanned aircraft of different levels of autonomy. To accommodate this traffic, the controllers or the designers of the system will need to separate their operations.

• 단일 UAM 영공을 만들기 위한 첫 단계는 항공기 자율성을 위한 단일 분류(single classification)를 채택하고 이를 기반으로 비행 절차(procedures)와 규칙(rules)을 만드는 것
• 많은 분류(classifications)와 수준(levels)에도 불구하고 자율성의 수준을 정의하는 공통적인 특징(common features)은 통제(control), 인식(perception)(상황 인식(situational awareness)), 의사 결정(decision-making), 통신/협력(communication/cooperation)임
• 이러한 특징은 단일 분류 체계(single classification system)를 정의하는 시작이 될 수 있음
• 영공이 다른 자율성 수준의 유인 항공기와 무인 항공기를 모두 수용하는 과도기가 발생할 가능성이 높으며, 이러한 트래픽을 수용하기 위해 시스템의 컨트롤러 또는 설계자는 운영을 분리해야 함

 

3.4.3. Energy efficiency

The endurance of batteries imposes severe constraints on the operational time of an electric UAM aircraft. Several solutions have been proposed, including a more efficient rotor configuration [124], the use of novel lightweight materials [125], and dumping exhausted battery modules out of the aircraft in flight [126]. A most realistic option, however, is to select trajectories that minimize energy consumption [12, 127–129]. In Ref. [127], the authors proposed an energy-efficient path-planning strategy for a hexacopter. The authors found that the best results are achieved by flying at lower altitudes and by flying a shallower descent. Another study found that cruise efficiency drops with an increase in cruise altitude [12].

• 배터리 내구성(endurance of batteries)은 전기 UAM 항공기의 운항 시간(operational time)에 심각한 제약을 가할 수 있음
• 보다 효율적인 로터 구성, 새로운 경량 재료 사용, 소진된 배터리 모듈을 비행 중인 항공기 밖으로 버리는 것을 포함한 몇 가지 해결책이 제안되었음
• 그러나 가장 현실적인 방법은 에너지 소비를 최소화하는 궤적을 선택하는 것
• 참고문헌 [127]에서 저자들은 헥사콥터(hexacopter)의 에너지 효율적인 경로 계획 전략(energy-efficient path-planning strategy)을 제안했음
• 저자들은 더 낮은 고도에서 비행하고 더 얕게 하강(shallower descent)하며 비행함으로써 최상의 결과를 얻을 수 있음을 발견함
• 또 다른 연구에서는 순항(cruise) 고도가 증가함에 따라 순항(cruise) 효율이 떨어지는 것으로 나타났음

 

What is evident is that the operators and individual aircraft will look to optimize their paths to minimize energy consumption. Given the findings that energy efficiency drops with cruise altitude, the goal of minimizing energy consumption conflicts with other goals of reducing noise exposure or increasing capacity. A common theme emerges: optimizing for a single factor might provide a sub-optimal system solution. Therefore, the design of airspace structures and routes should carefully consider energy consumption in the context of efficiency, but also other critical factors, such as safety and community acceptance.

• 분명한 것은 운영자와 개별 항공기가 에너지 소비(energy consumption)를 최소화하기 위해 경로를 최적화하려고 할 것임
• 순항 고도에 따라 에너지 효율이 감소한다는 연구 결과를 고려할 때 에너지 소비를 최소화하는 목표는 소음 노출(noise exposure)을 줄이거나 용량을 늘리는(increasing capacity) 다른 목표들과 충돌함
• 단일 요인에 대해 최적화하면 차선의 시스템 솔루션(sub-optimal system solution)을 제공할 수 있다는 공통된 주제(common theme)가 나타납니다.
• 따라서 영공 구조 및 경로 설계는 효율성의 맥락에서 에너지 소비뿐만 아니라 안전 및 커뮤니티 수용과 같은 다른 중요한 요소도 신중하게 고려할 필요가 있음

 

The list of the studies presented in this chapter can be found in Table 6, grouped by the relevant factors. These factors are used to assess the airspace concepts presented in Section 4.

• 이 장에 제시된 연구들의 목록은 표 6에서 확인할 수 있으며, 관련 요인 별로 그룹화되어 있음
• 이들 요인(factors)은 4절에 제시된 영공 개념을 평가(assess)하는 데 사용됨

 

4. Review of urban airspace design concepts

This section assesses the most important government and industry-led urban airspace design initiatives around the world, and then summarizes and evaluates the most relevant factors, which are classified into four groups: safety, social, system, and vehicle factors.

• 본 절에서는 전 세계적으로 가장 중요한 정부 및 산업계 주도의 도시공역 설계 계획을 평가한 후 안전(safety), 사회(social), 시스템(system), 차량 요소(vehicle factors) 등 4개 그룹으로 분류된 가장 관련성이 높은 요소들을 요약, 평가함

 

4.1. Government-led initiatives

4.1.1. FAA-NASA UAS traffic management (UTM)

The UAS Traffic Management (UTM) [1,138,139] is a project by NASA that aims to enable small, unmanned drones to access low-altitude airspace beyond visual line of sight (BVLOS) with minimal impact to the existing aviation system (Fig. 6). The low-altitude airspace is defined as airspace below 400 ft, where the UTM operations are segregated from other airspace users. The development of UTM is sequenced in four Technical Capability Levels (Table 7), with the simple, remote, and rural operations in the first phase, and dense urban operations in the fourth phase [139]. In the initial stages, the existing technology and separation procedures will be used to facilitate operations, while the improvement of technologies such as detect-and-avoid, in-flight separation service, and contingency procedures will enable future phases.

• UAS 교통 관리(UTM)는 소형 무인 드론이 기존 항공 시스템에 최소한의 영향으로 가시선(beyond visual line of sight, BVLOS)을 넘어 저고도(low-altitude) 영공에 접근할 수 있도록 하는 것을 목표로 하는 NASA의 프로젝트임
• 저고도 영공은 UTM 운영이 다른 영공 사용자로부터 분리되는 400ft(120m) 미만의 영공으로 정의됨
• UTM의 개발은 4가지 기술 능력 수준(Technical Capability Levels, TCL)(표 7)으로 시퀀싱되며, 1단계에서는 단순, 원격 및 농촌 운영, 4단계에서는 밀집된 도시 운영이 있음
• 초기 단계에서는 기존 기술 및 분리 절차가 운영을 용이하게 하는 데 사용되는 반면 탐지-회피, 기내 분리 서비스(in-flight separation service) 및 비상 절차(contingency procedures)와 같은 기술의 개선이 향후 단계를 가능하게 할 것임

 

Although UTM is envisioned as a low-altitude region in uncontrolled (Class G airspace), NASA does plan to integrate UAS operations in other airspace classes [140]. In the controlled airspace, UAS are segregated from controlled air traffic by creating transition tunnels, or blocks of airspace reserved for UAS operations. Alternatively, UAS operations can be integrated into the controlled air traffic flows where they will behave the same as traditional aviation [140].

• UTM은 통제되지 않는 (Class G) 낮은 고도 지역으로 구상되지만, NASA는 다른 영공 등급(class)에서 UAS 운영을 통합할 계획
• 통제된 공역(controlled airspace)에서, UAS는 UAS 운영을 위해 예약된(reserved) 공역 블록 즉 전이 터널(transition tunnels)을 만들어 통제된 항공 교통으로부터 분리됨
• 또는, UAS 운영은 전통적인 항공과 동일하게 행동하는 통제된 항공 교통 흐름(controlled air traffic flows)에 통합될 수 있음

 

The operators (drone pilots) are responsible for submitting a flight plan and for maintaining separation from other aircraft. The plan contains information about the airspace volume, times, and locations of the operation. While UTM provides advisories, weather information, and other observations, the operator is responsible for the planning and execution of the safe flight, identification of unexpected operational conditions, or hazards that may affect their operation. The stage-four UTM will provide authentication, geofencing, capacity management, airspace corridors, weather integration, trajectory management, contingency management, and the dynamic adjustments of the system. The FAA will maintain the link between UTM and NAS and create real-time airspace constraints for UAS Operators [140].

• 운영자(드론 조종사)는 비행 계획(flight plan) 제출 및 다른 항공기와의 분리 유지(maintaining separation)를 책임짐
• 계획에는 영공의 부피(airspace volume), 시간(times) 및 운영 위치(locations of the operation)에 대한 정보가 포함되어 있음
• UTM은 경고(advisories), 기상 정보 및 기타 관측 정보(observations)를 제공하지만 운영자는 안전 비행의 계획 및 실행, 예기치 않은 운영 조건 식별(identification of unexpected operational conditions) 또는 운영에 영향을 미칠 수 있는 위험 요소에 대한 책임이 있음
• 4단계 UTM은 인증(authentication), 지오펜싱(geofencing), 용량 관리, 영공 경로(airspace corridors), 기상 통합(weather integration), 궤적 관리(trajectory management), 우발 상황 관리(contingency management), 시스템의 동적 조정(dynamic adjustments of the system)을 제공
• FAA는 UTM과 NAS 간의 링크를 유지하고 UAS 운영자를 위해 실시간 영공 제약을 생성

 

The existing technologies used currently for NAS and in the initial phases of UTM for surveillance and navigation are ADS-B and GPS. Although the initial tests showed that these technologies could be used for UTM, experiments by NASA show that ADS-B can be used for surveillance only in a limited scope, at very low power, low traffic, and short distances. At higher traffic densities, the use of ADS-B will adversely affect manned aviation surveillance [141]. Despite these limitations, the goal for initial UTM implementation is to minimize development time by utilizing existing technologies [142].

• 현재 NAS와 감시 및 항법을 위한 UTM의 초기 단계에서 사용되는 기존 기술은 ADS-B와 GPS
• 초기 테스트에서 이러한 기술이 UTM에 사용될 수 있음을 보여주었지만 NASA의 실험에 따르면 ADS-B는 제한된 범위(limited scope), 매우 낮은 전력(very low power), 낮은 트래픽(low traffic) 및 짧은 거리(short distances)에서만 감시에 사용될 수 있음
• 더 높은 트래픽 밀도에서 ADS-B의 사용은 유인 항공 감시(manned aviation surveillance)에 악영향을 미칠 것임
• 이러한 한계에도 불구하고 초기 UTM 구현의 목표는 기존 기술을 활용하여 개발 시간을 최소화하는 것

 

In the initial phases, UTM will not provide much airspace structure, as aircraft will fly on user-selected pre-approved routes. While the UTM project does raise concerns about social factors, the selection of routes is currently not constrained by social factors.

• 초기 페이즈(phases)에서는 항공기가 사람이 선택한 사전 승인된 경로(pre-approved routes)를 비행하기 때문에 UTM은 많은 공역 구조를 제공하지 않을 것
• UTM 프로젝트는 사회적 요인에 대한 우려를 제기하지만 현재 경로 선택은 사회적 요인에 의해 제한되지 않음

 

4.1.2. FAA urban air mobility (UAM) concept of operations

Fig. 7. UAM, UTM and ATM Operating Environments [1].

The FAA forecasts increased demand for alternative modes of air transportation enabled by the progress in electric aircraft technology and vertical take-off and landing capabilities. New vehicles can be incorporated into airspace by creating new airspace structures. Fig. 7 illustrates the FAA’s approach to the relationship between UAM, UTM, and ATM operations within different airspace classes.

• FAA는 전기 항공기 기술과 수직 이착륙 기능의 발전으로 인해 대체 항공 운송 수단(alternative modes of air transportation)에 대한 수요가 증가할 것으로 전망하고 있음
• 새로운 공역 구조를 만들어 새로운 교통수단을 공역에 통합할 수 있으며, 그림 7은 다양한 공역 등급 내에서 UAM, UTM 및 ATM 운영 간의 관계에 대한 FAA의 접근 방식을 보여줌

 

Under the FAA’s proposal, UAM operations are conducted in UAM Corridors without ATC separation services. The corridors are the mechanism of separation between UAM and other operations. Within the corridors, separation is maintained by UAM operators, which in the initial phases of UAM operation, includes pilot on board. Each corridor will have performance requirements (such as maneuverability or sense-and-avoid capabilities) to ensure more efficient operations. Different corridors may have different requirements. Initially, the corridors will connect two UAM aerodromes to support point-to-point operations. In the later stages, the FAA expects the development of more complex and efficient networks that move away from point-to-point operations.

• FAA의 제안에 따라 UAM 운항은 ATC 분리 서비스 없이 UAM 통로(corridors)에서 수행됨
• 통로(corridors)는 UAM과 다른 운항을 분리하는 메커니즘(mechanism)임
• 통로(corridors) 내에서는 UAM 운영자가 분리를 유지하며, UAM 운영 초기 단계에는 기내 조종사가 포함됨
• 각 통로에는 보다 효율적인 운영을 보장하기 위한 성능 요구 사항(performance requirements)(예: 기동성 또는 탐지-회피 기능)이 있고, 통로마다 요구 사항이 다를 수 있음
• 초기에는 통로가 두 개의 UAM 비행장을 연결하여 지점 간(point-to-point) 운항을 지원할 것
• 이후 단계에서는 지점 간(point-to-point) 운영에서 벗어나 더 복잡하고 효율적인 네트워크가 개발될 것으로 FAA는 예상하고 있음

 

Fig. 8. FAA’s UAM Corridors with tracks [1].

The FAA posits that corridor design criteria should include 1) Minimal impact on the existing NAS operations, 2) Public interest considerations, such as noise, safety, and security, and 3) Customer needs. Within the corridor, additional structure - “tracks” may exist. The “tracks” enable additional separation of aircraft with different technological capabilities (Fig. 8). Centralized air traffic management services provide weather, terrain, and obstacle data. UAM operators are also responsible for constantly monitoring weather and winds prior to and throughout the flight. If the performance of aircraft is inadequate to maintain safety in the forecasted weather, the flight should be postponed.

• FAA는 통로(corridors) 설계 기준에는 아래 3가지 사항이 명시되어 있음
  • 1) 기존 NAS 운영에 미치는 영향을 최소화 (minimal impact on the existing NAS operations)
  • 2) 소음, 안전, 보안 등 공익적 고려사항 (public interest considerations)
  • 3) 고객의 요구사항 (customer needs)
• 통로 내에는 추가적인 구조물(structure) - "트랙(tracks)"이 존재할 수 있음
• "트랙(tracks)"은 기술적 능력이 다른 항공기를 추가적으로 분리(additional separation)할 수 있게 해줌 (그림 8).
• 중앙집중식(centralized) 항공 교통 관리 서비스(ATMS)는 날씨, 지형 및 장애물 데이터를 제공
• UAM 운영자는 또한 비행 전과 비행 중 날씨 및 바람을 지속적으로 모니터링 할 책임이 있음
• 만약 항공기의 성능이 예측된 날씨에서 안전을 유지하기에 불충분하다면 비행을 연기해야

 

4.1.3. NASA UAS traffic flow control (UTFC) in urban areas

Fig. 9. NASA UAS traffic flow control: Vertical layers of the airspace in urban areas.

Fig. 10. NASA UAS traffic flow control: Composition of airspace structures: sky-lanes (left) and corridors (right) [22].

In another concept proposed by NASA [22], the urban airspace is divided into multiple layers (Fig. 9). Each layer contains an airspace structure located above a street, which creates multi-level networks between densely located tall buildings (Fig. 10). Three types of airspace structures are considered: sky-lane, sky-tube, and sky-corridor. Each structure provides a different number of degrees of freedom. Sky-lanes are the most restrictive in terms of altitude, heading, speed, and position, whereas sky-corridor allows the most freedom. The UAS traffic flow control (UTFC) controls density and throughput, supervises directional flows of traffic, provides traffic information, identifies unauthorized flights, and sends safety advisories.

• NASA에 의해 제안된 또 다른 개념에서, 도시 공역은 여러 층(layers)으로 나누어짐 (그림 9)
• 각 층(layers)은 거리(street) 위에 위치한 공역 구조를 포함하는데, 이것은 빽빽하게 위치한 높은 건물들 사이에 다단계 네트워크를 만듦 (그림 10)
• 세 가지 종류의 공역 구조가 고려됨: 공중 차선(sky-lanes), 공중 튜브(sky-tubes), 공중 통로(sky-corridors)
• 각각의 구조물은 다른 자유도(degrees of freedom)를 제공하는데, 공중 차선(lanes)은 고도, 방향, 속도, 위치에서 가장 제한적(restrictive)인 반면, 공중 통로(corridors)은 가장 많은 자유도를 허용함
• UAS 교통 흐름 제어 (UAS traffic flow control, UTFC)는 밀도(density)와 처리량(throughput)을 제어하고, 교통의 방향성 흐름(directional flows)을 감독하고, 교통 정보(traffic information)를 제공하고, 승인되지 않은 비행(unauthorized flights)을 식별하고, 안전 경고(safety advisories)를 송신함

 

The structures are designed to assure the level of safety while minimizing investments in infrastructure and technology. More structure provides more predictable operations and thus requires less technical support. Additionally, with more structure, it is easier to segregate aircraft based on their capabilities, which increases safety and reduces the number of potential conflicts. Finally, more structure provides robustness to system failure and scalability [22].

• 이러한 구조물들은 안전 수준(level of safety)을 보장하는 동시에 인프라(infrastructure)와 기술에 대한 투자를 최소화하도록 설계되었음
• 더 많은 구조물은 더 많은 예측 가능한 작업(predictable operations)을 제공하므로 더 적은 기술 지원(less technical support)을 필요로 함
• 또한, 더 많은 구조물은 그들의 능력에 따라 항공기를 더 쉽게 분리할 수 있어서, 안전성을 높이고 잠재적인 충돌(potential conflicts)의 수를 줄일 수 있음
• 마지막으로, 더 많은 구조물은 시스템 고장(system failure)과 확장성(scalability)에 대한 견고성(robustness)을 제공할 수 있음

 

The same study [22] tested different structures, and the results show that more structure (sky-lanes) provides a safer and simpler environment. However, more complexity reduces capacity and increases delays. The corridors provide less structure which increases capacity but also increases the probability of loss of separation. The comparison of these structures is presented in Table 8.

• 동일한 연구 [22]는 서로 다른 구조를 테스트했으며 결과는 더 많은 구조(more structure)인 공중 차선(sky-lane)이 더 안전(safer)하고 단순한(simpler) 환경을 제공한다는 것을 보여줌, 그러나 더 복잡하면(more complexity) 용량이 감소하고 지연이 증가함
• 공중 통로(corridors)는 더 적은 구조(less structure)를 제공하기 때문에 용량(capacity)은 증가하지만 분리 소실(loss of separation) 확률이 높아질 수 있음
• 이러한 구조의 비교는 표 8에 나와 있음

 

In this concept, each vehicle is responsible for maintaining separation and avoiding collision within the lane or while changing lanes, turning, or exiting the lane. The authors do not include considerations about social factors, or the technologies needed for the concept to work.

• 이 개념에서 각 차량은 차선 내(within the lane), 차선 변경 시(while changing lanes), 방향 전환(turning), 차선 이탈 시(exiting the lane) 차간 거리를 유지하고 충돌을 피할 책임이 있음
• 저자는 사회적 요인이나 이 개념이 작동하는 데 필요한 기술에 대한 고려 사항은 포함하지 않았음

 

4.1.4. MITRE

Fig. 11. Airspace integration concept by MITRE [143].

MITRE proposed a concept of augmented Visual Flight Rules operations [143], which enables UAM aircraft to operate in Class G airspace under the existing Visual Flight Rules by using detect-and-avoid capabilities. If the aircraft needs to enter controlled airspace, the Dynamic Delegated Corridors are created. The Dynamic Corridor allows UAM aircraft to fly in busy airspace by defining specific tunnels in NAS and segregating traffic (Fig. 11).

• MITRE는 UAM 항공기가 탐지-회피(detect-and-avoid) 기능을 사용하여 기존의 시각적 비행 규칙(Visual Flight Rules, VFR)에 따라 Class G 공역에서 작동할 수 있도록 하는 증강된 시각적 비행 규칙 운영(augmented Visual Flight Rules operations)의 개념을 제안했음
• 항공기가 통제 공역(controlled airspace)에 진입해야 하는 경우 동적 위임 통로(Dynamic Delegated Corridors)가 생성되는데, 동적 통로(Dynamic Corridor)는 NAS에서 특정 터널(specific tunnels)을 정의하고 트래픽을 분리(segregating traffic)하여 UAM 항공기가 바쁜 공역(busy airspace)에서 비행할 수 있도록 함 (그림 11)

 

Aircraft will need to be equipped and supported by a wide variety of decision support tools, as the onboard technology will be responsible for maintaining separation and conducting avoidance maneuvers. Additionally, these tools will provide information such as traffic conditions, corridor position and heading, weather advisories, and airspace flight rules. The air traffic management system and architecture will be similar to UTM, with more stringent safety standards.

• 항공기에는 다양한 의사 결정 지원 도구(decision support tools)가 장착되고 지원되어야 하며, 온보드 기술이 분리(separation)를 유지하고 회피 기동을 수행(conducting avoidance maneuvers)해야 하기 때문임
• 이러한 도구들은 교통 상황(traffic conditions), 통로 위치 및 방향(corridor position and heading), 기상 경보(weather advisories), 영공 비행 규칙(airspace flight rules)과 같은 정보를 제공함
• 항공 교통 관리 시스템(ATMS) 및 아키텍처는 UTM과 유사하지만 더 엄격한 안전 표준(more stringent safety standards)이 적용됨

 

The priority will be given to aircraft with better technology, such as advanced detect-and-avoid, noise reduction capabilities, navigation precision technology, and vehicle-to-vehicle (V2V) communication technology. More capable aircraft will be able to fly the most efficient preferred routes. The hope is that under this approach, the operators will have an incentive to improve capabilities which would increase airspace capacity and safety. However, the impacts of mixed-equipage operations on the system should be carefully investigated and understood.

• 첨단 탐지-회피(detect-and-avoid), 소음 감소 기능(noise reduction capabilities), 항법 정밀 기술(navigation precision technology), 차량 간(V2V) 통신 기술 등 더 나은 기술을 갖춘 항공기에 우선권(priority)이 부여되므로, 더 성능이 뛰어난 항공기가 가장 효율적인 선호 경로(most efficient preferred routes)를 비행할 수 있게 될 것임
• 이러한 접근 방식에 따라 항공사는 영공 수용 능력(airspace capacity)과 안전성을 높일 수 있는 역량을 개선할 인센티브(incentive)를 갖게 될 것임
• 그러나 혼합 장비 운항(mixed-equipage operations)이 시스템에 미치는 영향은 신중하게 조사하고 이해할 필요가 있음

 

4.1.5. SESAR U-SPACE

U-space is a project initiated by the European Commission to allow drones to operate in low-level airspace, at an altitude of up to 150 m [144]. U-space provides a framework to support routine drone operations and creates rules for interactions with manned aviation. Initially, flights will be allowed to operate only in small parts of reserved airspace. However, as technology improves, the operations will spread to other parts of airspace in four stages:

• U-space는 유럽연합 집행위원회(European Commission)에 의해 시작된 프로젝트로, 드론이 150m의 저고도 공역에서 작동하도록 허용함
• U-space는 일상적인 드론 운영(routine drone operations)을 지원하는 프레임워크를 제공하고 유인 항공(manned aviation)과의 상호작용을 위한 규칙을 만들었음
• 처음에는 비행이 예약된 공역(reserved airspace)의 작은 부분(small parts)에서만 작동하도록 허용될 것이지만 기술이 향상됨에 따라, 그 작동은 4단계로 공역의 다른 부분으로 확장될 것임

 

The first stage provides basic services such as identity (ID) registration and static geofencing to identify drones and inform operators about restricted areas. The majority of operations will happen in low-density regions. However, some visual line of sight (VLOS) operations in the urban environment are allowed.

• 1단계
• 드론을 식별(identify)하고 운영자에게 제한 구역(restricted areas)을 알려주는 ID(신원) 등록 및 정적 지오펜싱(static geofencing)과 같은 기본 서비스를 제공
• 대부분의 작업은 인구 밀도가 낮은 지역에서 이루어지지만 도시 환경에서는 일부 가시선(visual line of sight, VLOS) 기반의 운항이 허용됨

 

The second stage connects drones to the ATC and manned aviation. Where appropriate, the existing infrastructure will be used, but new technologies, such as 5G, and mix of 5G and ADS-B, will also be implemented. The range of VLOS operations in uncontrolled and controlled airspace will be increased. Operations will be approved automatically, and some beyond the visual line of sight (BVLOS) will be allowed.

• 2단계
• 드론과 ATC 및 유인 항공기를 연결하는 단계로, 적절한 경우 기존 인프라를 사용하지만 5G 및 5G와 ADS-B의 혼합과 같은 새로운 기술도 구현될 것임
• 통제 공역 및 비통제 공역에서의 VLOS 운영 범위가 확대됨
• 운항(Operations)은 자동으로 승인되며, 일부는 가시선 너머(beyond the visual line of sight, BVLOS) 운항이 허용될 것

 

The third stage introduces operations in high-density and high-complexity areas. Detect-and-avoid, as well as reliable means of communication, will enable an increase of operations in all environments. Interactions with ATM/ATC and manned aviation will become routine. New operations, such as urban air mobility, are expected to occur.

• 3단계
• 고밀도(high-density) 및 고도로 복잡한 영역(high-complexity)에서의 운영을 도입함
• 탐지 및 회피 기능과 안정적인 통신 수단을 통해 모든 환경에서 더 많은 작업을 수행할 수 있게 됨
• ATM/ATC 및 유인 항공과의 상호작용이 일상화(routine)될 것이며, UAM와 같은 새로운 비즈니스가 등장할 것으로 예상됨

 

The fourth stage fully integrates unmanned with ATM/ATC and manned aviation by leveraging high levels of automation.

• 4단계
• 높은 수준의 자동화를 활용하여 무인기와 ATM/ATC 및 유인 항공기를 완전히 통합(fully integrates)

 

In addition to stages, airspace is partitioned in X, Y, and Z airspace (Fig. 12). Airspace X is low-risk airspace with few basic requirements from the operator. The pilot remains responsible for collision avoidance, and only visual-line-of-sight operations are allowed. In Airspace Y, an approved flight plan is needed, the pilot needs to be trained for Y operations, and BVLOS operations are allowed. Airspace Z also requires a pre-approved flight plan, provides centralized capacity management and coordination between aircraft.

• 영공은 Class 외에도 X, Y, Z 영공으로 구분됨 (그림 12)
• 공역 X는 운영자의 기본 요구 사항이 거의 없는 저위험(low-risk) 공역이며, 충돌 회피에 대한 책임은 여전히 조종사에게 있으며 가시거리(VLOS) 운항만 허용됨
• 공역 Y에서는 승인된 비행 계획(approved flight plan)이 필요하고, 조종사는 공역 Y 운항을 위한 교육을 받아야 하며, BVLOS 운항이 허용됨
• 공역 Z 역시 사전 승인된 비행 계획이 필요하며, 중앙집중식(centralized) 용량 관리(capacity management) 및 항공기 간 조정(coordination)을 제공함

 

Under U-Space rules, social acceptance indicators such as noise, privacy, and visual impact must be considered. For example, under U-Space rules, the aircraft will be issued noise certificates that attest compliance with noise regulation. However, the airspace is not designed in a way that can address these issues.

• U-Space 규정에 따라 소음, 프라이버시, 시각적 영향과 같은 사회적 수용성 지표(social acceptance indicators)를 고려해야 함
• 예를 들어, U-Space 규정에 따라 항공기는 소음 규정 준수를 증명하는 소음 인증서(certificates that attest compliance with noise regulation)를 발급받게 됨
• 그러나 영공은 이러한 문제를 해결할 수 있는 방식으로 설계되지 않았음

 

4.1.6. DLR U-SPACE

The concept proposed by The German Aerospace Center - Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR) [146] integrates new airspace users, such as UAS and air taxis into uncontrolled airspace (Class G). The airspace is segmented into regions (“cells”) for users of similar characteristics. Characteristics such as aircraft level of autonomy and equipage, availability of U-space traffic control, and occurrence of VFR-traffic are considered, and airspace is segmented so that vehicles of similar characteristics are flying in the same cell. Within a cell, each aircraft is modeled by an ellipsoid based on its performance parameters, such as automation, navigation, communication, and surveillance capabilities (Fig. 13). The lower the capabilities, the larger the safety ellipsoid around the aircraft. As a result, a cell capacity might be reached with only a few air vehicles with a large ellipsoid, or by more aircraft with smaller ellipsoids. Vehicle operators must maintain the separation between two air vehicles. The air traffic management system creates geofences, which can be static, such as terrain and ground obstacles and permanent no-fly zones, or dynamic, such as temporary closure of airspace due to weather or special event. While the U-Space concept does not explicitly mention wind gusts, it does leave the possibility to create a dynamic geofence in the case of severe weather events, such as heavy winds or rains.

• 독일항공우주센터(DLR)가 제안한 개념은 UAS 및 에어택시(Air Taxis)와 같은 새로운 공역 사용자를 비통제 공역인 Class G에 통합하는 것임
• 공역은 유사한 특성(similar characteristics)을 가진 사용자를 위해 지역인 "셀(Cells)"으로 세분화됨
• 항공기의 자율성(autonomy) 및 장비 수준(equipage), U-Space 교통 관제 가능 여부, VFR 트래픽 발생 등의 특성을 고려하여 유사한 특성을 가진 항공기가 같은 셀에서 비행하도록 영공을 분할
• 셀 내에서 각 항공기는 자동화(automation), 항법(navigation), 통신 및 감시 기능과 같은 성능 매개변수(performance parameters)를 기반으로 타원체(ellipsoid)로 모델링됨 (그림 13).
• 기능이 낮을수록(lower the capabilities) 항공기 주변의 안전 타원체(safety ellipsoid)가 커짐
• 결과적으로 큰 타원체를 가진 소수의 항공기로만 셀 최대 용량에 도달하거나 더 작은 타원체를 가진 더 많은 항공기로 셀 용량에 도달할 수 있음
• 차량 운영자(vehicle operators)는 두 비행체 사이의 간격을 유지해야 함
• 항공 교통 관리 시스템(ATMS)은 지형 및 지상 장애물, 영구 비행 금지 구역과 같이 정적이거나 날씨 또는 특별 이벤트로 인한 영공의 일시적 폐쇄와 같이 동적일 수 있는 지오펜스를 생성함
• U-Space 개념에는 돌풍이 명시적으로 언급되어 있지는 않지만, 강풍이나 비와 같은 악천후가 발생할 경우 동적 지오펜스를 생성할 수 있는 가능성을 열어두고 있음

 

The role of the traffic management system is to segment the airspace, set up the geofences, and approve flight paths within predefined time slots in a first-come-first-serve fashion. On the tactical level, ATC monitors position, altitude, and heading of aircraft and sends traffic, geofence, or weather advisories to aircraft. The surveillance is achieved by ADS-B and through the LTE network. Communication to the aircraft could be conducted through LTE, Open Glider Network, or very high frequency (VHF) data link, depending on the aircraft’s capabilities and equipage. A special segment of airspace is dedicated to VFR flights with limited communication abilities.

교통 관리 시스템의 역할은 영공을 세분화하고, 지오펜스를 설정하고, 미리 정의된 시간대에 선착순으로 비행 경로를 승인하는 것입니다. 전술적 수준에서 ATC는 항공기의 위치, 고도 및 방향을 모니터링하고 교통, 지오펜스 또는 기상 경보를 항공기에 전송합니다.이러한 감시는 ADS-B와 LTE 네트워크를 통해 이루어집니다.항공기와의 통신은 항공기의 성능과 장비에 따라 LTE, 오픈 글라이더 네트워크 또는 초고주파(VHF) 데이터 링크를 통해 이루어질 수 있습니다. 통신 기능이 제한된 VFR 비행 전용 공역은 특별 공역으로 지정되어 있습니다.

From the user perspective, the advantage of the proposed concept is that it opens the airspace equally for aircraft with low and high technical capabilities and provides safety by segregating them. This approach minimizes complexity, but it also reduces the capacity of overall airspace since some cells might be underutilized. At low density, air vehicles have a lot of freedom in terms of route selection, but at high densities, they are required to follow predefined trajectories. The management system monitors the airspace requirements and the planned aircraft missions and updates the segments accordingly over time.

• 사용자 관점에서 제안된 개념의 장점은 기술력이 낮은 항공기와 높은 항공기에 대해 공역을 동등하게 개방하고 분리(segregating)하여 안전을 제공한다는 것
• 이러한 접근 방식은 복잡성을 최소화하지만 일부 셀의 활용도가 낮을 수 있으므로 전체 공역의 용량이 감소하게 됨
• 저밀도에서는 항공 차량의 경로 선택이 자유롭지만 고밀도에서는 미리 정의된 궤적(predefined trajectories)을 따라야 함
• 관리 시스템(management system)은 공역 요구 사항(airspace requirements)과 계획된 항공기 임무(planned aircraft missions)를 모니터링하고 시간이 지남에 따라 그에 따라 세그먼트(segments)를 업데이트함

 

The concept of cells does not explicitly consider social factors, such as noise, or privacy, as social factors do not explicitly constrain the position or size of the cell. This issue could be solved by creating a geofence.

• 셀의 개념은 사회적 요인이 셀의 위치나 크기를 명시적으로 제한하지 않기 때문에 소음이나 프라이버시와 같은 사회적 요인을 명시적으로 고려하지 않지만, 이러한 문제는 지오펜스를 생성하여 해결할 수 있음

 

4.1.7. METROPOLIS

The authors of the project Metropolis [24,147] proposed four different types of urban airspace for unmanned aerial vehicles (UAVs) and personal air vehicles (PAV): full mix, layers, zones, and tubes. The minimum cruise altitude for all four concepts is 300ft above ground and 100ft (UAVs)/500ft (PAVs) above the highest building. Flying between buildings is prohibited due to noise and privacy concerns. The maximum altitude is 6500ft to prevent mixing with traditional aviation.

• 메트로폴리스 프로젝트의 저자는 무인 항공기(unmanned aerial vehicles, UAV)와 개인용 비행체(personal air vehicles, PAV)를 위한 네 가지 유형의 도시 공역(full-mix, layers, zones, tubes)을 제안
• 네 가지 개념의 최소 순항 고도(cruise altitude)는 모두 AGL 300ft(90m), 가장 높은 건물 위(above the highest building) UAV는 100ft(30m), PAV는 500ft(150m)
• 소음 및 프라이버시 문제로 인해 건물 사이 비행(Flying between buildings)은 금지
• 기존 항공기와 혼선을 방지하기 위해 최대 고도는 6500ft(1.98km)임

 

Safety is achieved by maintaining minimum separation and equipping aircraft with sense-and-avoid capabilities. The minimum separation corresponds to a 1-min spacing, which for PAVs equals 250 m. Vertical separation is proposed to be 50 m. Aircraft are autonomous, and human pilots may only be needed in emergency situations. Additionally, aircraft are equipped with ADS-B, which reports location to surrounding aircraft. The operational factors, such as capacity and efficiency, depending on the type of airspace, are:

• 안전은 최소 이격 거리(minimum separation)를 유지하고 항공기에 탐지 및 회피 기능을 장착함으로써 달성할 수 있음
• 최소 간격은 1분(min) 간격에 해당하며, PAV의 경우 250m에 해당
• 수직 간격은 50m로 제안됨, 항공기는 자율비행(autonomous)하며 조종사는 비상 상황에서만 필요
• 또한 항공기에는 주변 항공기에 위치를 보고하는 ADS-B가 장착되어 있음
• 공역 유형에 따라 용량(capacity) 및 효율성과 같은 운영 요소(operational factors)는 다음과 같음:

 

● Full Mix (free flight) – All air vehicles share the airspace and move without barriers. Air Traffic Control does not require flight plans; it only manages the capacity of the airspace and sets up the geofences, while tactical collision avoidance tasks are delegated to each aircraft. The difficulty in resolving conflicts is the highest in the Full Mix concept since aircraft have four degrees of freedom: speed, altitude, and X and Y coordinates. On the other hand, this freedom reduces distances traveled by aircraft, thus reducing associated trip costs. The path planning algorithm determines the optimal trajectory and executes it. If a conflict arises, priority is given to the aircraft with poorer maneuverability, and cruise is prioritized over climb or descent.

• ● Full Mix (자유 비행)
• 모든 항공기가 공역을 공유하며 장벽(barriers) 없이 이동
• 항공 교통 관제소(ATC)는 비행 계획(flight plans)이 필요하지 않으며, 공역의 용량 관리와 지오펜스 설정만 담당하고 전술적 충돌 회피(tactical collision avoidance) 작업은 각 항공기에 위임
• Full Mix 개념에서는 항공기가 속도, 고도, X 좌표, Y 좌표의 4차원의 자유도를 가지기 때문에 충돌 해결의 난이도가 가장 높음
• 반면에 이러한 자유도는 항공기의 이동 거리를 줄여 관련 이동 비용(trip costs)을 절감할 수 있으며, 경로 계획 알고리즘(path planning algorithm)은 최적의 궤적(optimal trajectory)을 결정하고 이를 실행
• 충돌이 발생하면 더 기동성이 떨어지는(poorer maneuverability) 항공기에 우선권(priority)이 주어지며, 상승 또는 하강보다 순항(cruise)이 우선시됨

 

Fig. 14. Flight levels in layered airspace [24].

Fig. 15. Take-off and landing cones for Personal Air Vehicles in layered airspace [24].

● Layers – Airspace is divided into layers where every altitude band corresponds to a heading range (Fig. 14). Layered airspace aims to facilitate separation and increase safety. The airspace is portioned into the feeder layer, UAV layer, and PAV layer. The feeder layer is the lowest layer, and it is used for climbs and descents. Above it is a layer reserved for small unmanned drones, followed by a separation layer and a PAV level layer system (see Fig. 15).

The altitude thresholds will depend on the height of the buildings in the city. Since PAVs have to accelerate to a certain speed to enter the PAV layer, take-off procedures will not completely be vertical. These “cones” are implemented only to pass the UAV layer system safely. It represents a protected zone that is prohibited for UAVs. ATC is in charge of collecting flight plans and creating cones.

• ● 레이어 (Layers)
• 영공은 모든 고도 대역(altitude band)이 방향 범위(heading range)에 해당하는 레이어로 나누어짐 (그림 14)
• 레이어로 나뉘어진(layered) 공역은 분리를 용이하게 하고 안전성을 높이는 것을 목표로 함
• 공역은 피더 레이어(feeder layer), UAV 레이어, PAV 레이어로 나누어짐
• 피더 레이어(feeder layer)는 가장 낮은 레이어이며 상승과 하강에 사용됨
• 그 위에는 소형 무인 드론(UAV)을 위한 레이어가 있고, 그 다음에는 분리 레이어(separation layer)와 PAV 레벨 레이어 시스템이 있음 (그림 15 참조)
• 고도 임계치(altitude thresholds)는 도시에 있는 건물들의 높이에 따라 달라짐
• PAV는 PAV layer에 진입하기 위해 특정 속도로 가속해야 하기 때문에 이륙 절차가 완전히 수직이 되지는 않을 것임
• 이러한 "콘(cones)"은 오직 UAV layer 시스템을 안전하게 통과하기 위해 구현되며, 이 콘 영억은 UAV에는 진입이 금지된 보호 구역으로 나타남
• ATC는 비행 계획을 수집하고 콘(cones)을 만드는 일을 담당함

 

Fig. 16. Zones: vertical (left) and top-down (right) view [24].

● Zones – Airspace is partitioned into zones for different types of vehicles, based on their characteristics, such as speed, maneuverability, level of autonomy, as well as global directions to aid separation between vehicles. Two types of structures can be discerned: circular and radial zones (see Fig. 16). The circular zones are used similarly to ring roads, while the radial zones serve as connections between concentric zones. There is no vertical segmentation. Instead, altitude is selected flexibly, based on the planned flight distance between origin and destination.

• ● 구역 (Zones)
• 공역은 속도, 기동성(maneuverability), 자율성 수준(level of autonomy), 글로벌 방향(global directions)과 같은 차량의 특성에 따라 다양한 유형의 차량에 대해 구역으로 분할되어 차량 간 분리(separation between vehicles)를 지원
• 원형(circular) 영역과 방사형(radial) 영역의 두 가지 종류의 구조를 구분할 수 있음 (그림 16 참조)
• 원형 영역은 순환 도로와 유사하게 사용되며 방사형 영역은 동심원 영역 사이의 연결 역할을 함
• 수직 분할(vertical segmentation)은 없지만 출발지(origin)와 목적지(destination) 사이의 계획된 비행 거리(planned flight distance)에 따라 고도가 유연하게 선택됨

 

Fig. 17. An air vehicle taking-off and climbing to the appropriate tube [24].

● Tubes provide a fixed route structure presented in Fig. 17. Aircraft can only follow the tubes and maintain an equal speed as the other aircraft in the airspace, which offers the advantage of channeling traffic in a safely separated manner. By creating multiple layers of tubes, it is possible to segregate aircraft based on their speed, heading, and size. This increases the throughput and safety of the system. Short flights utilize a dense grid at the lower levels, while longer flights benefit from long straight tubes in the upper layers of the topology, allowing them to travel longer distances at higher speeds.

• ● 튜브
• 그림 17에 제시된 고정된 경로 구조(fixed route structure)를 제공함
• 항공기는 튜브를 따라가면서 공역 내 다른 항공기와 동일한 속도를 유지할 수 있으므로 안전하게 분리된 방식으로 교통량을 분산(channeling traffic)할 수 있는 이점이 있음
• 여러 층의 튜브를 생성하면 속도, 방향, 크기에 따라 항공기를 분리할 수 있으며, 이를 통해 시스템의 처리량(throughput)과 안전성(safety)을 높일 수 있음
• 짧은 비행은 하위 계층의 조밀한 그리드(dense grid)를 활용하고, 장거리 비행은 토폴로지의 상위 계층에 긴 직선형 튜브(long straight tubes)를 사용하여 더 빠른 속도로 더 먼 거리를 이동할 수 있음

 

The study also created simulations and compared the performance of different airspace topologies. The summary is presented in Table 9.

• 이 연구는 시뮬레이션을 만들고 다양한 공역 토폴로지의 성능을 비교했으며, 요약은 표 9에 나와 있음

 

	Full Mix	Layers	Zones	Tubes
Safety	2	1	3	4
Third-Party Risk	2	1	3	4
Capacity	1	2	3	4
Efficiency	1	2	3	4
Noise	2	1	4	3
Total Rank	2nd	1st	3rd	4th

Based on the results of the simulations, the study found that Free flight increases robustness by distributing conflict resolution tasks, increases flight efficiency with direct routing, and reduces the probability of conflict. However, there are some concerns over the uncertainties of aircraft positions and their impact on safety. In terms of the number of UAV-PAV conflicts, the best performing structure is Layers, while Tubes yield the highest number and severity of conflicts. The tube creates the highest delays and the longest flights, concluded that the best structure in terms of safety versus capacity is the layered airspace [24]. Additionally, the study concluded that pre-planning and prevention of conflict routes are difficult to perform and that at least some airspace structure is needed to provide separation. A trade-off to structure is capacity, as more structure reduces capacity.

• 시뮬레이션 결과에 따르면, 자유 비행(full mix)은 충돌 해결 작업을 분산하여 견고성을 높이고, 직접 경로를 통해 비행 효율성을 높이며, 충돌 확률을 낮추는 것으로 나타남, 그러나 항공기 위치의 불확실성과 안전에 미치는 영향에 대한 우려도 있음
• UAV-PAV 충돌 횟수 측면에서 가장 성능이 좋은 구조는 Layer임
• 충돌 횟수와 심각도는 튜브가 가장 높았으며, 또한 가장 높은 지연과 가장 긴 비행을 유발하였음
• 용량 대비 안전성(safety versus capacity) 측면에서 가장 좋은 구조는 Layered 구조의 공역이라는 결론을 내렸음
• 충돌 경로(conflict routes)에 대한 사전 계획 및 예방이 어렵고 분리를 위해 최소의 공역 구조(at least some airspace structure)가 필요하다는 결론을 내렸음
• 구조가 많을수록 수용 능력이 감소하기 때문에 구조에 대한 상충 관계(trade-off)는 수용 능력(capacity)임

 

4.1.8. ONERA’s low-level Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) traffic management system (LLRTM)

Fig. 18. Separation guidance under LLRTM proposal [148].

French research agency ONERA proposed a Low-level Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) Traffic Management System (LLRTM) [148] to monitor piloted drone traffic, manage it in uncontrolled airspace below 500 ft, coordinate it with ATC in controlled airspace, and provide ground-based detect-and-avoid functions. The service is based on the network of ground receivers and onboard ID and tracking devices. The resulting system performs traffic detection and conflict resolution [149]. The main goal of LLRTM is to reduce the risk of collision between two drones, as well as collisions between drones and traditional aircraft.

• 프랑스 연구 기관 ONERA는 저수준 원격 조종 항공기 시스템(Low-level Remotely Piloted Aircraft System, RPAS) 교통 관리 시스템(LLRTM)을 제안함
• LLRTM은 조종 드론 트래픽을 모니터링하고, 500ft(150m) 이하의 비통제 공역에서는 관리하며, 통제 공역에서는 ATC와 함께 조정하고, 지상 기반 탐지 및 회피 기능(ground-based detect-and-avoid functions)을 제공함
• 이 서비스는 지상 수신기 네트워크와 온보드 ID 및 추적 장치를 기반으로 하며, 그 결과 시스템은 트래픽 탐지 및 충돌 해결을 수행할 수 있음
• LLRTM의 주요 목표는 드론과 기존 항공기 간의 충돌뿐만 아니라 두 드론 간의 충돌 위험을 줄이는 것임

 

The airspace is segmented in vertical layers separated by buffer zones. The heights of layers are defined by the aircraft cylinders. A cylinder is a 500 feet wide horizontal and 200 feet wide vertical region around the aircraft used for maintaining separation, as shown in Fig. 18.

• 공역은 완충 구역(buffer zones)으로 구분된 수직 레이어(vertical layers)로 분할됨
• 층의 높이(heights of layers)는 항공기 실린더(aircraft cylinders)에 의해 정의됨
• 실린더(cylinders)는 그림 18과 같이 항공기 주변의 가로 500ft(150m), 세로 200ft(60m) 너비의 원기둥형 영역으로, 구분(separation)를 유지하는 데 사용됨

 

All aircraft must have electronic identification and tracking technology. Although ADS-B is commonly used by commercial aviation, its operating frequency does not have a sufficient capacity to be used by drones. Instead, the authors propose FLARM (Flight Alarm) transceivers, which broadcast the ID, position, altitude, heading, and speed every second. The next stages of the development of this concept will include 4D trajectories, automation, and the best-equipped/best-served approach.

• 모든 항공기는 전자식 식별(electronic identification) 및 추적 기술을 갖추고 있어야 함
• ADS-B는 상업용 항공기에서 일반적으로 사용되지만, 그 작동 주파수는 드론에서 사용하기에 충분한 용량을 가지고 있지 않음
• 대신 저자는 매초(every second)마다 ID, 위치(position), 고도(altitude), 방향(heading), 속도(speed)를 방송(broadcast)하는 FLARM(Flight Alarm, 비행 경보) 송수신기(transceivers)를 제안함
• 이 개념의 다음 개발 단계에는 4D 궤적(trajectories), 자동화(automation), 최상의 장비/최고의 서비스 접근 방식이 포함될 것임

 

4.1.9. Singapore Nanyang Technological University’s UTM concept

Fig. 19. Horizontally and vertically separated flight lanes in Singapore [150].

The Nanyang Technological University from Singapore proposed a concept of managing urban air operations [150] by defining two-way traffic lanes that are horizontally and vertically separated (Fig. 19). The lanes are placed so that they avoid areas with dense populations to minimize risk. In the initial phases of the airspace development, the lanes are positioned above ground infrastructure - railways and roads. The operations are restricted based on time, such as non-peak hours. Certain rooftops will be designated for take-off and landing, while the air in the vicinity of these rooftops is reserved for the climb and descend.

• 싱가포르 난양공과대학교는 수평 및 수직으로 분리된 양방향 교통 차선(two-way traffic lanes)을 정의하여 도시 항공 운항(urban air operations)을 관리하는 개념을 제안함 (그림 19)
• 차선(lanes)은 위험을 최소화하기 위해 인구 밀집 지역을 피하도록 배치되며, 영공 개발의 초기 단계에서는 차선이 철도와 도로와 같은 지상 인프라 위에 배치되도록 함
• 사용량이 많지 않은 시간대를 기준으로 운영이 제한될 수 있음
• 특정 옥상(rooftops)은 이착륙을 위해 지정(designated)되며, 이 옥상 인근(vicinity)의 공역은 상승과 하강을 위해 예약됨(reserved for the climb and descend)

 

Fig. 20. Airspace in Singapore [150].

Additionally, airspace is divided into zones, as presented in Fig. 20: no flying zone (NFZ), business zone (BZ), and residential zone (RZ). The goal of zones is to create constrained airspace where a single UAS control station manages flights within the zone. The authors envision travel and delivery operations from one rooftop within the zone to another within the same zone. Flying to another zone is possible, but the control needs to be transferred to another air traffic control, similar to the airspace-based operations in today’s airspace.

• 또한 영공은 그림 20에 표시된 것처럼 비행 금지 구역 (no flying zone, NFZ), 비즈니스 구역(business zone, BZ), 주거 구역(residential zone, RZ)으로 나누어짐
• 구역의 목표는 단일 UAS 관제소(control station)가 구역 내 비행을 관리하는 제한된 영공(constrained airspace)을 만드는 것임
• 저자는 구역(the zone) 내의 한 옥상(one rooftop)에서 같은 구역 내의 다른 옥상(another rooftop)으로 여행(travel)과 배달(delivery) 작업을 구상함
• 다른 구역으로 비행하는 것은 가능하지만 오늘날의 영공 기반 운영과 유사하게 관제권(control)을 다른 항공 교통 관제소(ATC)로 이전해야 함

 

Within a zone, aircraft can also use the predetermined flight tubes to simplify the complexity of managing the traffic and create a more predictable environment. Every aircraft is equipped with advanced detect- and-avoid technology. The technological requirements for aircraft in this airspace include detect-and-avoid capabilities, vehicle-to-vehicle and vehicle-to-ground communication links, GPS localization, and remote piloting.

• 한 구역(zone) 내에서, 항공기들은 또한 교통 관리의 복잡성을 단순화하고, 더 예측 가능한 환경(more predictable environment)을 만들기 위해 미리 정해진 비행 튜브(flight tubes)를 사용할 수 있음
• 모든 항공기는 첨단 탐지 및 회피 기술을 갖추고 있음
• 이 영공에서 항공기에 대한 기술 요구 사항은 탐지 및 회피 기능, vehicle-to-vehicle(V2V)와 vehicle-to-ground(V2G) 통신 링크, GPS 위치 파악(localization) 및 원격 조종(remote piloting)을 포함함

 

The authors argue that social factors, such as privacy, should not be limiting factors, but should be included in the broader assessment of costs and benefits of the technology. If the benefits of the technology outweigh the privacy and noise concerns, the operations should be allowed [150].

• 저자들은 프라이버시와 같은 사회적 요인이 제한 요인(limiting factors)이 되어서는 안 되며, 기술의 비용과 이익에 대한 광범위한 평가(broader assessment)에 포함되어야 한다고 주장
• 프라이버시와 소음(noise)에 대한 우려보다 기술의 이익이 더 크다면, 운영(operations)은 허용되어야 함

 

4.1.10. China’s civil UAS Aviation Operation Management System (UOMS)

Fig. 21. UOMS in China [151].

UAS Aviation Operation Management System (UOMS) [151] is an air traffic management system that enables drone operations in low-level airspace. UOMS provides static geofencing, dynamic geofencing, flight plan approval, traffic capacity and flow management, and flight surveillance and warning system. UOMS segregates aircraft into different flight levels based on their characteristics (Fig. 21).

• UAS 항공 운영 관리 시스템(UAS Aviation Operation Management System, UOMS)은 저고도의 공역에서 드론 운영을 가능하게 하는 항공 교통 관리 시스템(ATMS)임
• UOMS는 정적 지오펜싱(static geofencing), 동적 지오펜싱(dynamic geofencing), 비행 계획 승인(flight plan approval), 교통 용량 및 흐름(traffic capacity and flow) 관리, 비행 감시 및 경고 시스템을 제공함
• UOMS는 특성(characteristics)에 따라 항공기를 다양한 비행 레벨로 분리함 (Fig. 21)

 

In China, general aviation has its own management system, called General Aviation Flight Service (GAFS). It is intended that both UOMS and GAFS operate in the same area. UAS flights and general aviation are not segregated, and UOMS and GAFS share all information.

• 중국에서는 일반적인 항공(general aviation)에는 범용 항공 비행 서비스(General Aviation Flight Service, GAFS)라는 자체 관리 시스템이 있음
• UOMS와 GAFS가 모두 같은 지역에서 운영되도록 되어 있으며, UAS 비행과 일반적인 항공은 분리되어 있지 않고 UOMS와 GAFS는 모든 정보를 공유함

 

All drones in UOMS airspace are connected to the cellular network. Tests on communication networks show that the 4G network provides coverage below 300 m, and 5G network can support flights up to heights of 1000 m. The precision of location reporting is enhanced by using communication networks since GPS has reliability issues [151].

• UOMS 영공의 모든 드론은 셀룰러 네트워크에 연결됨
• 통신망 테스트 결과 4G 네트워크는 300m 이하의 커버리지(coverage)를 제공하며 5G 네트워크는 1000m 높이까지 비행을 지원할 수 있음
• GPS는 신뢰성 문제(reliability issues)가 있기 때문에 통신망을 사용하여 위치 보고(location reporting)의 정밀도가 향상됨

 

4.1.11. JAXA UAS traffic management

Fig. 22. Japanese UTM [152].

Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) proposed a concept of the UAS traffic management (UTM) system for traffic management of UAS operations [152]. UTM collects flight plans of all manned and unmanned flights, sets geofences, and provides information on traffic, weather, and geofenced areas. Individual traffic management service providers coordinate with central airspace management service, coordinate with it, and ensure the safety of operations by separating drones in their control from drones of other providers (Fig. 22).

• 일본우주항공연구개발기구(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)는 UAS 운영의 교통 관리를 위해 UAS 교통 관리(UAS traffic management, UTM) 시스템 개념을 제안하였음
• UTM은 모든 유인 및 무인 비행의 비행 계획을 수집하고 지오펜스를 설정하며 교통, 날씨 및 지오펜스 지역에 대한 정보를 제공함
• 개별 교통 관리 서비스 제공자(Individual traffic management service providers)는 중앙 영공 관리 서비스(central airspace management service)와 협력하여 조정하고, 자신이 관제하는 드론을 다른 제공자의 드론과 분리하여 운영의 안전을 보장함 (그림 22)

 

The development of UTM is sequenced in four stages, starting from the remotely piloted VLOS operations in the first stage, to the automated BVLOS operations in urban areas. In-flight traffic management functions are transmitted using a mobile communication network (LTE) over the air [153].

• UTM의 개발은 4단계로 진행되며, 1단계 원격 조종(remotely piloted) VLOS 운영부터 시작하여 도심 지역에서의 자동화된 BVLOS 운영까지 순차적으로 진행됨
• 비행 중 교통 관리 기능(In-flight traffic management functions)은 이동통신망(LTE)을 통해 무선으로 전송됨

 

4.2. Industry-led initiatives

4.2.1. Amazon

Fig. 23. Urban airspace concept by Amazon [154].

In a proposal by Amazon [154] airspace below 500 feet is segregated into layers (Fig. 23). Four layers are suggested:

• Amazon의 제안에 따르면 500ft(150m) 이하의 영공은 여러 층으로 분리되어 있음 (그림 23)
• 아래와 같이 4개의 레이어가 제안됨:

 

● Low-Speed, Localized Traffic - area below 200 feet is reserved for applications such as recreation, surveying, inspection, surveillance, and videography, as well as low-tech aircraft without detect-and-avoid technology.

• ● 저속, 국지적 트래픽
• 200ft(60m) 미만의 구역은 여가 활동(recreation), 측량(surveying), 검사(inspection), 감시(surveillance), 비디오 촬영(videography)과 같은 용도와 탐지 및 회피 기술이 없는 저기술 항공기(low-tech aircraft)를 위해 예약되어 있음

 

● High-speed transit - includes levels between 200 and 400 feet, and is reserved for well-equipped autonomous aircraft vehicles that operate beyond the line of sight. Technological capabilities required for this layer include detect-and-avoid capabilities, vehicle-to-vehicle (V2V) communication, and collision avoidance.

• ● 고속 전송
• 200ft(60m)~400ft(120m) 상공이 포함되며, 가시선 너머(beyond the line of sight)로 운행하는 잘 갖춰진 자율주행 항공기를 위해 예약되어 있음
• 이 layer에 필요한 기술 역량에는 탐지-회피 기능, 차량 간(V2V) 통신, 충돌 방지 기능이 포함됨

 

● No Fly Zone - is the area between 400 and 500 feet

● 비행금지구역 - 400ft(120m)에서 500ft(150m) 사이의 영역

● Predefined Low-Risk Locations - area established by aviation authorities.

• ● 사전에 정의된 저위험 위치 - 항공 당국(aviation authorities)에 의해 설정된 지역

 

The vehicle would be able to access different layers of airspace based on equipage and capabilities. Operators with a lesser-equipped vehicle may fly safely in a remote area. However, the only aircraft with sophisticated technology will be able to operate in an urban or dense environment. The equipage levels and access are presented in Table 10.

• 차량은 장비와 기능에 따라 다양한 영공 layer에 접근할 수 있음
• 장비가 덜 갖춰진 기체를 가진 운영자는 외딴 지역에서도 안전하게 비행할 수 있으나 정교한 기술을 갖춘 항공기만이 도시나 밀집된 환경에서 운항할 수 있음
• 장비 수준과 접근 권한은 표 10에 나와 있음

 

A central management entity controls offline coordination and performs auditing; however, the majority of traffic management is performed by operators in a federated fashion. Those operators would coordinate by following established protocols, using vehicle-to-vehicle, vehicle-to-operator, and operator-to-operator communication. This approach will entail a distributed network comprised of local/regional air operations centers and remote vehicle operators. This new system is essential given the highly automated nature of future UAS.

• 중앙 관리 기관(central management entity)은 오프라인 조정을 제어하고 감사(auditing)를 수행하지만, 대부분의 트래픽 관리(traffic management)는 연합된 방식(federated fashion)으로 운영자가 수행
• 이러한 운영자는 차량 간(V2V), 차량과 운영자 간(Vehicle-to-operator), 운영자 간(operator-to-operator) 통신을 사용하여 정해진 프로토콜(established protocols)에 따라 조율함
• 이 접근 방식에는 지역 항공 운영 센터(air operations centers)와 원격 차량 운영자(remote vehicle operators)로 구성된 분산 네트워크(distributed network)가 수반됨
• 이 새로운 시스템은 미래 UAS의 고도로 자동화된 특성(highly automated nature)을 고려할 때 필수임

 

Highly equipped UAS will be capable of navigation, merging and sequencing, communication, maintaining safe self-separation, collision avoidance, and deconfliction in congested airspace without operator assistance. Collision avoidance must be achieved with both collaborative and non-collaborative objects. Collaborative detect-and-avoid collision avoidance is enabled by vehicle-to-vehicle communication. On the other hand, non-collaborative collision avoidance is enabled by sensors, which recognize non-collaborative entities such as manned aircraft, birds, and balloons.

• 고도로 장착된 UAS는 항법, 병합 및 시퀀싱(merging and sequencing), 통신, 안전한 자체 분리 유지(maintaining safe self-separation), 충돌 회피(collision avoidance), 혼잡한 공역에서의 충돌 회피 등을 운영자의 도움 없이 수행할 수 있음
• 충돌 회피는 협업(collaborative) 및 비협업(non-collaborative) 물체 모두 함께 이루어져야 함
• 협력적 충돌 감지 및 회피는 차량 간(V2V) 통신을 통해 가능함
• 반면 비협조(non-collaborative) 충돌 회피는 유인 항공기, 새, 풍선 등 비협조 물체(non-collaborative entities)를 인식하는 센서를 통해 가능함

 

4.2.2. Airbus

Fig. 24. Airspace structures by Airbus (left to right): Basic Flight, Free Route, Corridors, and Fixed Route [156].

Airbus proposed four concepts (Fig. 24) of designing airspace: Basic Flight, Free Routes, Corridors, and Fixed Routes [156]. In Basic Flight, both manned and unmanned aircraft are responsible for self-separation and must maintain it at all times. If all aircraft select a direct route without coordination, the safety decreases as the number of conflicts increases. In the Free Route, aircraft can fly any path as long as the path is pre-approved, deconflicted from other routes, and approved by a traffic manager. This approach provides flexibility while maintaining an acceptable level of safety. The trajectories are less-than-optimal since the flight plan can be rejected. Corridors are predefined volumes in space, used in high-demand situations. This concept is similar to the waypoint procedures used in traditional aviation. Fixed Routes are used to ensure safety when there is a mix of aircraft capabilities and high traffic density. These routes are constructed and modified dynamically based on risk, traffic, and weather.

• 에어버스는 공역 설계의 네 가지 개념(그림 24)을 제안했음:
  • 기본 비행(Basic Flight), 자유 경로(Free Routes), 통로(Corridors), 고정 경로(Fixed Routes)
• 기본 비행(Basic Flight)에서는 유인 및 무인 항공기 모두 자기 분리(self-separation)를 책임지고 항상 이를 유지해야 함, 모든 항공기가 조정(coordination) 없이 직항로(direct route)를 선택하면 충돌 횟수가 증가하여 안전성이 감소함
• 자유 경로(Free Routes)에서는 항공기가 사전 승인(pre-approved)되고 다른 경로와 충돌이 없으며 교통 관리자의 승인을 받은 경로라면 어떤 경로든 비행할 수 있음, 이 접근 방식은 허용 가능한 수준의 안전을 유지하면서 유연성(flexibility)을 제공함, 비행 계획(flight plan)이 거부(rejected)될 수 있으므로 궤적(trajectories)은 최적(less-than-optimal)이 아닐 수 있음
• 통로(Corridors)은 수요가 많은(high-demand) 상황에서 사용되는 공간에 미리 정의된 볼륨(volumes)임, 이 개념은 기존 항공에서 사용되는 경유지 절차(waypoint procedures)와 유사함
• 고정 경로(Fixed Routes)는 항공기 수용 능력과 교통 밀도가 혼합되어 있을 때 안전을 보장하기 위해 사용됨, 이러한 경로(routes)는 위험, 교통량 및 날씨에 따라 동적으로 구성되고 수정됨(constructed and modified dynamically)

 

Airbus proposes new flight rules that would accommodate unmanned operations. For example, Basic Flight Rules (BFR) would cover manned flights that operate independently. They would be responsible for maintaining separation, routing, and safety. On the other hand, Managed Flight Rules (MFR) would cover operations that coordinate their path with a traffic management system and follow its separation guidance.

• 에어버스는 무인 운항을 수용할 수 있는 새로운 비행 규칙을 제안함
• 예를 들어, 기본 비행 규칙(Basic Flight Rules, BFR)은 독립적으로 운항하는 유인 비행에 적용됨
• 분리(separation), 경로 설정(routing), 안전 유지(safety)에 대한 책임이 있음
• 반면에 관리 비행 규정(Managed Flight Rules, MFR)은 교통 관리 시스템과 경로를 조정하고 분리 지침을 따르는 운항을 다룸

 

Real-time two-way communications report position and status so that traffic managers can coordinate with their aircraft. Around airports, ATM and UTM services work together. For example, they coordinate the direction of local traffic flows between fixed-wing aircraft and unmanned drones at local airports based on weather conditions. Traffic management services provide basic information to pilots and autopilots about conditions in the airspace, regulation, and nearby traffic. Managed aircraft use this information as input for tactical self-separation and collision avoidance.

• 실시간 양방향 통신(Real-time two-way communications)을 통해 위치와 상태를 보고하여 교통 관리자가 항공기와 조율(coordinate)할 수 있음
• 공항 주변에서는 ATM과 UTM 서비스가 함께 작동, 예를 들어, 기상 조건에 따라 지역 공항의 고정익 항공기와 무인 드론 간의 지역 교통 흐름 방향을 조정함
• 교통 관리 서비스(traffic management services)는 조종사와 자동 조종 장치에 공역의 상황, 규제 및 인근 교통에 대한 기본 정보를 제공함
• 관리되는(managed) 항공기는 이 정보를 전술적 자체 분리(tactical self-separation) 및 충돌 회피를 위한 입력으로 사용함

 

Aircraft will also need to meet navigation performance standards. Navigation may be assisted by GPS, ground-based beacons, or other technology (see Table 11). Aircraft may need to maintain precise navigation in areas like urban canyons, where multi-path effects degrade traditional navigation accuracy. With traffic management services maintaining separation for managed drones, detect and avoid is a backup. Simulations show that it works well in low-density regions, while strategic and tactical management works better at higher densities.

• 항공기는 내비게이션 성능 표준도 충족해야 함
• 내비게이션(Navigation)은 GPS, 지상 기반 비콘(ground-based beacons) 또는 기타 기술의 도움을 받을 수 있음 (표 11 참조)
• 항공기는 다중 경로 효과(multi-path effects)로 인해 기존 내비게이션 정확도가 저하되는 도시 협곡과 같은 지역에서 정밀한 내비게이션을 유지해야 할 수 있음
• 트래픽 관리 서비스(traffic management service)를 통해 관리되는 드론(managed drones)을 분리하여 감지하고 회피하는 것이 백업(backup)입니다.
• 시뮬레이션에 따르면 저밀도 지역에서는 이 기능이 잘 작동하는 반면, 밀도가 높은 지역에서는 전략 및 전술적 관리(strategic and tactical management)가 더 효과적임

 

4.2.3. Boeing

Boeing proposed a concept of free-flight, performance-based routes for low altitude trajectory operations [157]. These routes would be managed by a 4D trajectory-based separation management system that would maintain safety, including during approach and departure for operations around hubs and terminal locations.

• 보잉은 저고도 궤적 운항을 위한 자유 비행, 성능 기반 경로(performance-based routes) 개념을 제안했음
• 이러한 노선(routes)은 4D 궤적 기반 분리 관리 시스템(trajectory-based separation management system)에 의해 관리되며, 허브 및 터미널 위치 주변 운항을 위한 접근 및 출발을 포함하여 안전을 유지함

 

The technological requirements include onboard algorithms for realtime flight planning and in dense traffic environments. Traffic, weather, and other operational restrictions will be shared in real-time, and the aircraft will dynamically adjust its flight plan and route. Advanced detect-and-avoid systems will provide safety assurance and collision avoidance during the flight.

• 기술적 요구 사항에는 실시간 비행 계획과 교통 혼잡 환경(dense traffic environments)을 위한 온보드 알고리즘이 포함됨
• 교통, 날씨 및 기타 운항 제한 사항(other operational restrictions)이 실시간으로 공유되고 항공기는 비행 계획과 경로를 동적으로 조정(dynamically adjust)함
• 첨단 탐지 및 회피 시스템이 비행 중 안전을 보장하고 충돌을 방지함

 

4.2.4. Embraer-X

Fig. 25. UATM concept by Embraer-X [158].

Embraer-X proposed a concept called Urban Air Traffic Management (UATM) [158]. The UATM airspace is positioned between lower-level airspace reserved for small UAS (sUAS) operations, and traditional ATM airspace (Fig. 25). Within the UATM airspace, the aircraft use routes and corridors. Routes are linear trajectories defined by waypoints that accommodate a single vehicle, while corridors accommodate multiple vehicles. Given the complex mix of aircraft capabilities, routes and corridors are critical for managing traffic efficiently. Different rules apply to different structures and access to some corridors or routes may be restricted. The combination of layers and structures provides access to aircraft of different capability levels while maintaining safety.

• Embraer-X는 도시 항공 교통 관리(Urban Air Traffic Management, UATM)라는 개념을 제안했음
• UATM 영공은 소형 UAS(small UAS, sUAS) 운항을 위해 예약된 저고도 영공과 기존 ATM 영공 사이에 위치함 (그림 25)
• UATM 공역 내에서 항공기는 경로(routes)와 통로(corridors)를 사용함
• 경로(routes)는 단일 차량을 수용하는 웨이포인트(waypoint)로 정의된 선형 궤적(linear trajectories)이며, 통로(corridors)는 여러 차량을 수용함
• 항공기 기능의 복잡한 조합을 고려할 때, 경로(routes)와 통로(corridors)는 교통량을 효율적으로 관리하는 데 매우 중요함
• 구조물(structures)마다 다른 규칙이 적용되며 일부 통로 또는 경로에 대한 접근이 제한될 수 있음
• 레이어와 구조(structures)의 조합(combination)은 안전을 유지하면서 다양한 기능 수준의 항공기에 대한 접근을 제공함

 

The operator files a flight plan to the central traffic management authority that authorizes the 4D trajectory and ensures it is deconflicted, and that the requested routes, corridors, and airspace will be available at the designated time slot. The traffic management system dynamically manages routes, corridors, and geofences based on traffic, weather conditions, emergencies, or other restrictions. Additionally, the system ensures that flights conform to the flight authorizations and assigned routes.

• 운항자(operator)는 중앙 교통 관리 기관(central traffic management authority)에 비행 계획을 제출하여 4D 궤적을 승인하고 충돌이 없는지, 요청된 경로, 통로 및 영공이 지정된 시간대에 이용 가능한지 확인함
• 교통 관리 시스템(traffic management system)은 교통량(traffic), 기상 조건, 비상 상황 또는 기타 제한 사항을 기반으로 경로, 통로, 지오펜스를 동적으로 관리함
• 또한 이 시스템은 항공편이 비행 허가(flights conform) 및 할당된 경로(assigned routes)를 준수하도록 보장함

 

To develop UATM, Embraer-X relies on the development of new technologies. For example, the report indicates that the foundation for surveillance will be GPS supported by a new technology that would serve as a redundancy in case of a GPS failure. However, as shown by NASA, GPS failure is not as big of a problem as GPS accuracy, which can be off by as much as 5 m [136]. Additionally, tracking will also depend on ADS-B-like devices that will have its benefits, and communication will be conducted on the 5G LTE network.

• UATM을 개발하기 위해 Embraer-X는 새로운 기술 개발에 의존하고 있음
• 예를 들어, 보고서에 따르면 감시의 기반은 GPS 장애 시 이중화(redundancy) 역할을 하는 새로운 기술로 지원되는 GPS가 될 것임
• 그러나 NASA에서 알 수 있듯이 GPS 오류는 최대 5m까지 오차가 발생할 수 있는 GPS 정확도만큼 큰 문제는 아님
• 또한 추적은 ADS-B와 유사한 장치에 따라 달라질 수 있으며, 통신은 5G LTE 네트워크에서 이루어질 것임

 

The report indicates that the positioning of routes and the design process must consider communities that will be affected by the negative externalities of air traffic. Well-designed airspace structures will reduce risks, maintain efficient traffic flow, and ensure community acceptance when traffic reaches high volumes, which is the reason why all stakeholders should be included in the design process as soon as possible [158].

• 이 보고서는 항공 교통의 부정적 외부효과(negative externalities)로 인해 영향을 받게 될 지역사회를 고려한 노선 배치와 설계 프로세스가 반드시 필요하다고 지적함
• 잘 설계된 공역 구조는 위험을 줄이고 효율적인 교통 흐름을 유지하며 교통량이 많을 때 지역사회의 수용(acceptance)을 보장하므로 모든 이해관계자(stakeholders)가 가능한 한 빨리 설계 프로세스에 포함되어야 함

 

4.2.5. Uber elevate

Uber took a more modest approach of integrating its on-demand VTOL operations into the existing framework of air traffic management. They don’t directly specify airspace structure but listed the recommendations for the successful operations of their on-demand VTOLs [15]. Although Uber’s proposal relies on the existing technologies and NASA UTM proposal, it does present a discussion about the principles of designing urban airspace, especially in terms of social acceptance, which is not odd given that Uber’s success relies on the positive acceptance of its users.

• Uber는 온디맨드(주문형) VTOL 운영을 기존 항공 교통 관리 프레임워크(existing framework of air traffic management)에 통합하는 보다 겸손한 접근 방식을 취하였음
• 그들은 공역 구조를 직접 지정하지는 않았지만 온디맨드 VTOL의 성공적인 운영을 위한 권장 사항(recommendations)을 나열하였음
• Uber의 제안은 기존 기술과 NASA의 UTM 제안에 의존하고 있지만, 특히 사회적 수용성(social acceptance) 측면에서 도시 공역 설계 원칙(principles of designing urban airspace)에 대한 논의를 제시하고 있으며, Uber의 성공이 사용자들의 긍정적인 수용(positive acceptance)에 달려 있다는 점을 감안하면 이상할 것이 없는 제안이라고 할 수 있음

 

The proposed safety level is twice that of driving a car based on the number of fatalities per passenger-mile. Using Part 135 operations as a proxy, Uber argues that the current safety level in air-taxi aviation is worse than driving (about 0.15 deaths per 100 million passenger miles).

• 제안된 안전 수준은 승객-마일당 사망자 수를 기준으로 자동차를 운전하는 것의 두 배에 해당함
• Uber는 파트 135 운항을 예로 들어 현재 항공택시(air-taxi)의 안전 수준이 자동차보다 더 나쁘다고 주장함 (1억 승객-마일당 사망자 수 약 0.15명)

 

In the initial phases, the existing technologies such as ADS-B and radio-based voice communication will be used for operations of VTOLs with a human pilot onboard. However, to achieve a higher density of operations, new technologies, specifically developed for low-level airspace, will need to be developed. The white-paper calls for the extension of NASA’s UTM above 500 feet to accommodate intended VTOL operations and create seamless integration with airports and terminal areas. Additional technologies needed are 1) digital air traffic control communication, 2) a UTM system expanded to higher altitudes that can manage a mix of VTOLs and General Aviation aircraft, and 3) traffic management system that can integrate VTOLs and airline approaches and departures near airports.

• 초기 단계에서는 ADS-B 및 무선 기반 음성 통신과 같은 기존 기술이 조종사가 탑승한 VTOL의 운영에 사용될 것임
• 그러나 더 높은 밀도의 운영(higher density of operations)을 달성하기 위해서는 저고도 공역용으로 특별히 개발된 새로운 기술 개발이 필요함
• 백서(white-paper)에서는 의도된 VTOL 운항을 수용하고 공항 및 터미널 구역과의 원활한 통합을 위해 NASA의 UTM을 500ft(150m) 이상으로 확장할 것을 요구함
• 추가로 필요한 기술 아래와 같이 3가지임:
  • 1) 디지털 항공 교통 관제 통신 (digital air traffic control communication)
  • 2) VTOL과 일반 항공기를 혼합하여 관리할 수 있는 더 높은 고도까지 확장된 UTM 시스템
  • 3) 공항 인근에서 VTOL과 항공편들의 접근(approaches) 및 출발(departures)을 통합할 수 있는 교통 관리 시스템 (traffic management system)

 

Uber argues that stringent standards for reducing noise should be adopted, including noise objectives for vehicles, long-term and short-term annoyance. Using these metrics, and real-time tracking of site noise as inputs, the minimum-noise flight path should be selected.

• Uber는 차량의 소음 목표, 장기 및 단기 성가심도(annoyance) 등 소음을 줄이기 위한 엄격한 기준을 채택해야 한다고 주장함
• 이러한 지표와 현장 소음의 실시간 추적을 입력으로 사용하여 소음이 가장 적은 비행 경로를 선택해야 함

 

4.3. Assessment of urban airspace concepts

The summary of the proposed concepts is presented in Table 12 and Table 13. Each concept is evaluated according to the dimensions presented in Section 3: safety, social, system, and vehicle factors. Most concepts focused on the limited notion of safety, which includes avoidance of physical objects, but less on safety impacts of weather or wind. The most frequent, sometimes unstated assumption is that the technology required to support UAM operations exists and is ready for implementation. However, technologies such as detect-and-avoid, advanced communication, navigation, and surveillance are still inadequate to facilitate safe operations.

• 제안된 개념의 요약은 표 12와 표 13에 나와 있음
• 각 개념은 섹션 3에 제시된 안전(safety), 사회적(social), 시스템(system), 차량(vehicle) 요인에 따라 평가됨
• 대부분의 개념은 물리적 물체를 피하는(avoidance) 등 안전에 대한 제한된 개념에 초점을 맞추었고 날씨나 바람의 안전 영향에 대해서는 덜 언급하였음
• 가장 빈번하게(most frequent), 때로는 명시되지 않은 가정은 UAM 운영을 지원하는 데 필요한 기술이 존재하고 구현할 준비가 되어 있다는 것임
• 그러나 탐지 및 회피(detect-and-avoid), 첨단 통신(advanced communication), 항법(navigation), 감시와 같은 기술은 안전한 운항을 촉진하기에 아직 충분하지 않음

 

Social factors are largely ignored, which is not uncommon in the initial phases of developing new engineering solutions. While the abstraction of the physical nature of a city into a mathematical network is a useful tool for the ideation of possible solutions, the customer (i.e., the public) should be introduced into the process sooner rather than later.

• 새로운 엔지니어링 솔루션을 개발하는 초기 단계에서는 사회적 요인이 대부분 무시되는데, 이는 흔함 (not uncommon)
• 도시의 물리적 특성을 수학적 네트워크로 추상화(abstraction)하는 것은 가능한 솔루션을 구상하는 데 유용한 도구이지만, 고객, 대중(customer, public)을 이 과정에 더 늦기 전에 조속히 참여시켜야 함

 

It is noticeable that private companies are promoting airspace concepts that do not require centralized air traffic control or management system. While this approach might seem quicker, it increases complexity, which might ultimately reduce the trust and safety of air mobility.

• 민간 기업들이 중앙집중식(centralized) 항공 교통 관제(ATC)나 관리 시스템(management system)이 필요 없는 공역 개념을 추진하고 있는 것이 눈에 띔
• 이러한 접근 방식은 더 빠른 것처럼 보일 수 있지만(seem quicker) 복잡성(complexity)이 증가하여 궁극적으로 UAM의 신뢰와 안전성을 감소시킬 수 있음

 

Overall, the proposed concepts can roughly be divided into three groups. The first group includes the most realistic proposals that rely on the existing technologies, and that could be implemented today. These are the proposals by NASA, FAA, SESAR U-Space and to a measure, DLR U-Space. Under these proposals, drones fly in G Class airspace, below the altitude of 400 ft and leverage the existing air traffic management system, which provides identity registration, as well as weather and obstacle (geofence) data. The pilots are required to fly the drones in the line of sight and maintain separation from the other traffic according to the existing airspace rules. The operations are kept separate from the controlled airspace. If there is a need to go through controlled airspace, UAV operator can use segregated corridors with the permission of air traffic control. Although future phases require more advanced technologies, the first phase could be implemented today.

• 전반적으로 제안된 개념은 크게 세 가지 그룹으로 나눌 수 있음
• 첫 번째 그룹에는 이미 존재하는 기존 기술(existing technologies)에 의존하고 현재 구현할 수 있는 가장 현실적인 제안(realistic proposals)이 포함되어 있음
• NASA, FAA, SESAR U-Space, 그리고 DLR U-Space의 제안이 여기에 해당됨
• 이 제안에 따르면 드론은 고도 400ft 이하의 Class G 영공에서 비행하며 신원 등록(identity registration)과 날씨 및 장애물(지오펜스) 데이터를 제공하는 기존 항공 교통 관리 시스템(ATMS)을 활용
• 조종사는 기존 공역 규칙에 따라 가시선(line of sight) 내에서 드론을 비행하고 다른 교통체와 거리를 유지해야 함
• 운항은 통제 공역(controlled airspace)과 분리되어 유지됨
• 통제 공역을 통과해야 하는 경우, 드론 운영자는 항공 교통 관제소(ATC)의 허가(permission)를 받아 분리된 경로(segregated corridors)를 이용할 수 있음
• 향후 단계에서는 더 발전된 기술이 필요하지만, 첫 번째 단계는 현재 구현할 수 있는 수준임

 

The second group of airspace concepts proposes dedicated UAM traffic control and the creation of airspace structures, such as layers, tubes, lanes, etc. This group includes the majority of proposals, including UTFC, MITRE, METROPOLIS, ONERA, Singapore UTM, Airbus, and Embraer-X. To properly function, these concepts require improvement of several technologies, most importantly, improvement in high-capacity communication networks, and improvement in the precision of surveillance systems which would enable remote path planning and conflict resolution. These concepts propose static separation requirements and may or may not be complemented by advanced sense and avoid systems.

• 두 번째 공역 개념 그룹은 UAM 전용 교통 관제(dedicated UAM traffic control) 및 레이어(layers), 튜브(tubes), 차선(lanes) 등의 공역 구조 생성을 제안
• 이 그룹에는 UTFC, MITRE, METROPOLIS, ONERA, 싱가포르 UTM, Airbus, Embraer-X 등 대부분의 제안이 포함됨
• 이러한 개념이 제대로 작동하려면 여러 기술의 개선이 필요하며, 가장 중요한 것은 고용량 통신 네트워크(high-capacity communication network)의 개선과 원격 경로 계획(remote path planning) 및 충돌 해결(conflict resolution)을 가능하게 하는 감시 시스템(surveillance systems)의 정밀도(precision) 개선임
• 이러한 개념은 정적 분리 요구 사항(static separation requirements)을 제안하며 고급 탐지-회피(sense-and-avoid) 시스템으로 보완될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있음

 

The third group of concepts, such as those from Amazon and Boeing, rely on the development of technologies that would enable UAVs to be highly independent of any air traffic control. The vehicles are expected to carry high-quality cameras, LIDAR, and some version of RADAR, and have the potential to collect, process, and transmit large volumes of data. The UAVs will have the capability to sustain this heavy payload while not jeopardizing endurance and range, which implies improvement in battery technology. The concepts rely on advanced sense-and-avoid systems.

• 아마존과 보잉의 개념과 같은 세 번째 그룹은 UAV가 항공 교통 관제(ATC)에서 고도로 독립할 수 있도록 하는 기술 개발에 의존함
• 이 차량은 고품질 카메라, LiDAR 및 일부 버전의 레이더(Radar)를 탑재하고 대량의 데이터를 수집(collect), 처리(process) 및 전송할 수 있는 잠재력(potential)을 가지고 있을 것으로 예상됨
• 이러한 무인 항공기들은 내구성(endurance)과 항속 거리(range)를 위협하지 않으면서도 무거운 탑재물(heavy payload)을 견딜 수 있는 능력을 갖추게 될 것이며, 이는 배터리 기술의 향상을 의미함
• 이 컨셉은 첨단 탐지-회피(sense-and-avoid) 시스템에 의존함

 

5. Discussion

Fig. 26. Airspace structure and design concepts.

The first step in the process of designing airspace is to determine its structure. Air vehicles in less structured airspace have more degrees of freedom and can freely choose their position, altitude, heading, and speed, which allows them to fly cost-effective routes. However, these concepts, although least prohibitive, require high technological capabilities, including advanced detect-and-avoid systems, vehicle-to-vehicle communication, and more advanced ADS-B and GPS services. On the other side of the spectrum (Fig. 26), concepts with the most structure can accommodate various levels of equipage but require strict rules and route following to ensure safety.

• 공역 설계 과정의 첫 단계는 그것의 구조를 결정하는 것임
• 덜 구조화된 공역에 있는 비행체들은 더 많은 자유도를 가지고 있고, 그들의 위치, 고도, 방향(heading), 그리고 속도를 자유롭게 선택할 수 있어서 비용 효율적인(cost-effective) 경로로 비행할 수 있음
• 그러나, 비록 덜 금지적이지만(least prohibitive), 이러한 개념들은 고도의 탐지-회피 시스템, 차량 대 차량(vehicle-to-vehicle) 통신, 그리고 더 발전된 ADS-B와 GPS 서비스를 포함한 높은 기술 능력을 요구함
• 스펙트럼의 다른 면에서, 가장 구조가 많은 개념들은 다양한 수준의 장비를 수용할 수 있지만, 안전을 보장하기 위해 엄격한 규칙과 경로를 따라야 함

 

Fig. 27. Performance vs. Airspace structure.

Less structured airspace has been shown to allow for higher traffic densities by reducing traffic flow constraints and structure. Here, aircraft can fly user-preferred (often direct) routes, while separation responsibility is delegated to individual aircraft using onboard conflict resolution technologies [24,157]. Energy consumption is lower due to more efficient routes. However, free flight is possible only if vehicles are autonomous, and the concept is not inclusive of aircraft with lesser technological capabilities. Free flight concepts usually do not consider social factors in selecting their routes, as this would require higher levels of coordination and structure. The collision risk is high since the detect-and-avoid system is the only barrier that prevents an accident, and flights can have multiple collision points along their trajectories. Third-party risk is also high since user-selected routes might be located above high-density neighborhoods. These findings are supported by the Metropolis study (Table 9) and the Altiscope study that showed that increasing disorder in airspace leads to lower safety levels [159]. The concept of free flight is popular as it does not require a centralized traffic management system; it is achievable solely by developing higher-level autonomy. However, it can only be implemented in limited, constrained geographic areas where there is little chance of contact with other aircraft or objects. The performance of these different factors for free flight, as well as for the other more complex structures, is qualitatively presented in Fig. 27.

• 덜 구조화된 영공은 트래픽 흐름 제약과 구조를 줄임으로써 더 높은 트래픽 밀도를 허용하는 것으로 나타났음
• 여기서 항공기는 사용자가 선호하는(종종 직접) 경로를 비행할 수 있는 반면, 분리 책임은 탑재된 충돌 해결(onboard conflict resolution) 기술을 사용하는 개별 항공기에 위임됨
• 더 효율적인 경로로 인해 에너지 소비가 낮음
• 그러나, 자유 비행은 차량이 자율주행이 가능(autonomous)해야 하며, 이 개념은 기술적 능력이 덜한 항공기에는 포함되지 않음
• 자유 비행 개념은 일반적으로 경로 선택 시 사회적 요인을 고려하지 않는데, 이는 더 높은 수준의 조정(coordination)과 구조가 필요하기 때문
• 탐지 및 회피 시스템이 사고를 방지하는 유일한 장벽(barrier)이고 비행은 그 궤적을 따라 여러 충돌 지점을 가질 수 있기 때문에 충돌 위험이 높음
• 사용자가 선택한 경로가 인구 밀도가 높은 동네 위에 위치할 수 있기 때문에 제3자 위험도 높음
• 이러한 연구 결과는 공역에서 무질서(disorder)가 증가하면 안전 수준(safety level)이 낮아진다는 것을 보여준 Metropolis 연구(표 9)와 Altiscope 연구에 의해 뒷받침됨
• 자유 비행 개념은 중앙집중식(centralized) 교통 관리 시스템(traffic management system)이 필요하지 않기 때문에 인기가 많음
• 그러나 다른 항공기나 물체와의 접촉 가능성이 거의 없는 제한(limited)되고 제약된(constrained) 지리적 영역(geographic areas)에서만 구현할 수 있음
• 자유 비행을 위한 이러한 다양한 요인과 다른 더 복잡한 구조의 성능은 그림 27에 정성적으로 제시되어 있음

 

Other concepts aim at changing the airspace structure specifically for integrating small UAS, for example, by introducing specialized UAS traffic management (UTM). One step further is to segregate aircraft of different capabilities into different layers. The study [160] has shown that layers reduce the probability of a collision in three ways: by creating vertical separation between operations, by segregating flights according to the direction and speed, which reduces the number of conflict points, and by separating according to the aircraft capabilities. The concept of layers also performs well in terms of capacity [160], third-party risk [147], and inclusivity [156].

• 다른 개념은 예를 들어 특수한 UAS 트래픽 관리(UTM)를 도입하여 소규모 UAS를 통합하기 위해 공역 구조를 변경하는 것을 목표로 함
• 한 단계 더 나아가 다른 기능의 항공기를 다른 계층(layers)으로 분리하는 것
• 연구 [160]는 계층(layer)이 세 가지 방법으로 충돌 확률을 감소시킨다는 것을 보여주었음
  • 운영 간 수직 분리를 생성 (creating vertical separation between operations)
  • 충돌 지점 개수를 줄일 수 있는 방향과 속도에 따른 항공편 분리 (segregating flights according to the direction and speed)
  • 항공기 능력(aircraft capabilities)에 따른 분리
• 계층(layers)의 개념은 용량(capacity), 제3자 위험(third-party risk) 및 포괄성(inclusivity) 측면에서도 잘 수행되었음

 

Some structures can be beneficial in terms of traffic separation, but too much structure only reduces performance. As flight paths become constrained, capacity, efficiency, and safety decrease. Since multiple aircraft are guided to the preset waypoints or structures, the number of potential conflicts increases, compared even with free flight [147]. Highly structured airspace has an advantage in that it can accept aircraft of different technological capabilities, i.e., it is inclusive.

• 일부 구조물(structures)은 교통 분리 측면에서 득이 될 수 있지만 너무 많은 구조물은 성능이 저하시킬 뿐임
• 비행 경로가 제약됨에 따라 용량, 효율성 및 안전성이 저하됨
• 여러 대의 항공기가 미리 설정(preset)된 웨이포인트(waypoint)나 구조물로 유도되기 때문에 자유로운 비행과 비교하여 잠재적 충돌(potential conflicts)의 수가 증가함
• 고도로 구조화된 영공은 다른 기술적 능력의 항공기를 수용할 수 있다는 장점, 즉 포괄적(inclusive)임

 

The structure comes from the need to separate operations without imposing too many technological requirements. Rotorcraft wake vortex propagates downward and does not create the same issues as wake vortices in traditional aviation [22]. Therefore, the horizontal separation for rotary-wing UASs is only influenced by the need to avoid conflict, which means that the separation standards mainly depend on a vehicle’s speed, maneuverability, sensor system technology, and autonomous decision-making capability.

• 이 구조는 너무 많은 기술 요구 사항을 부과하지 않고 작업을 분리해야 하는 필요성에서 비롯됨
• 회전익 항공기(rotorcraft) 웨이크 소용돌이(wake vortex)는 아래로 전파되며 기존 항공의 웨이크 소용돌이와 동일한 문제를 일으키지 않음
• 따라서 회전익(rotary-wing) UAS의 수평 분리(horizontal separation)는 충돌을 피하기 위한 요구(need)에 의해서만 영향을 받는데, 이는 분리 기준이 주로 차량의 속도, 기동성(maneuverability), 센서 시스템 기술 및 자율 의사 결정 능력(autonomous decision-making capability)에 의존한다는 것을 의미함

 

The technology required to provide such capabilities is still not sophisticated enough. For example, although advances in detect-and- avoid systems have been made, it cannot be relied upon for safety assurance [161]. The GPS can provide accuracy up to 5m, which is not adequate for high-precision navigation in unstructured airspace [111]. ADS-B, required for tracking and surveillance, lacks frequency bandwidth to support high-density UAM traffic [115] and should be replaced with more advanced surveillance systems [116]. For these reasons, it is reasonable to predict that in the short-and-mid-term, more segregated airspace will be developed.

• 이러한 기능을 제공하는 데 필요한 기술은 여전히 충분히 정교(sophisticated)하지 않음
• 예를 들어, 탐지 및 회피 시스템의 발전이 이루어졌지만 안전 보증(safety assurance)에는 의존할 수 없음
• GPS는 5m까지 정확도를 제공할 수 있으므로 비정형 공역(unstructured airspace)에서의 고정밀 항법에는 적합하지 않음
• 추적(tracking) 및 감시에 필요한 ADS-B는 고밀도 UAM 트래픽을 지원하기 위한 주파수 대역폭이 부족하며 보다 발전된 감시 시스템으로 대체되어야 함
• 이러한 이유로 단기 및 중기적(short-and-mid-term)으로 더 분리된(more segregated) 공역이 개발될 것으로 예측하는 것이 합리적임

 

Finally, the collection of these concepts shows that social factors usually come as an afterthought, which is a mistake since noise is one of the most severe capacity-limiting factors [162]. The focus of the research efforts presented in this article is placed on the trade-off between safety and capacity. However, the assumptions for these concepts are based on an abstract network, with a particular emphasis on efficiency over other outcomes. Idealized networks usually ignore risks such as bird strikes and realities on the ground.

• 마지막으로, 이러한 개념을 종합해 보면 소음(noise)이 가장 심각한 용량 제한 요인 중 하나이기 때문에 사회적 요인(social factors)은 대개 나중에 고려하는 것으로 나타났는데, 이는 잘못된 생각임
• 이 아티클에서 제시된 연구 노력의 초점(focus)은 안전(safety)과 용량(capacity) 사이의 상충(trade-off) 관계에 있음
• 그러나 이러한 개념의 가정은 추상적인 네트워크(abstract network)를 기반으로 하며, 특히 다른 결과보다 효율성(efficiency)에 중점을 두고 있음
• 이상화된 네트워크(idealized network)는 일반적으로 조류 충돌(bird strike)과 같은 위험과 지상의 현실을 무시

 

Urban air mobility, as a new mode of transportation, is there to serve the public. But currently, there is a little public debate over what UAM should look like, and the average city resident seems to be unfamiliar with the concept of UAM. Urban air has been seen as a common good, with a little contestation over rights to it. However, as the privatization of the air proceeds, it is naïve to expect that it will simply be appropriated by the aviation industry without pushback from state and local legislatures, private citizens, communities, and other interests. Traditionally, areas around airports were the only areas affected, and the wider population had no contact with air traffic operations, mainly because air transportation networks do not have physical manifestation on the ground. Aviation and the cities were able to coexist without much contact. However, urban aviation is manifesting itself on the ground, by physically changing the built environment and altering the living environment, which impacts the interests of communities, real-estate developers, politicians, citizens, and interest groups.

• UAM는 새로운 교통수단(transportation)으로서 대중에게 서비스를 제공하기 위해 존재함
• 하지만 현재 UAM이 어떤 모습이어야 하는지에 대한 대중적 논의가 거의 이루어지지 않고 있으며, 일반 도시 거주자들은 UAM의 개념에 익숙하지 않은 것으로 보임
• 도시의 하늘은 공공재로 여겨져 왔으며 이에 대한 권리를 놓고 약간의 다툼이 있었음, 그러나 항공 민영화(privatization)가 진행됨에 따라 주 및 지방 의회, 민간인, 지역사회 및 기타 이해관계자(stakeholders)의 반발 없이 항공 산업에 의해 단순히 수용(appropriated)될 것이라고 기대하는 것은 순진한 생각임
• 전통적으로 공항 주변 지역만이 항공에 영향을 받는 지역이었으며, 항공 교통망(air transportation networks)은 지상에 물리적으로 드러나지 않기 때문에 더 많은 인구가 항공 교통 운영(air traffic operations)과 접촉하지 못했기 때문에 항공과 도시는 큰 접촉 없이 공존할 수 있었음
• 그러나 도심 항공(urban aviation)은 건축 환경을 물리적으로 변화(physically changing)시키고 생활 환경을 변화시켜 지역 사회, 부동산 개발업자, 정치인, 시민, 이익 단체의 이해관계에 영향을 미치는 등 지상에서 그 모습을 드러낼 수 밖에 없음

 

Even a policy taken for granted by researchers, such as drone identification, poses challenges when implemented in the real world. Remote Identification of Unmanned Aircraft Systems Rule [163] is a proposed rule that would require all drones to have remote identification capabilities. However, the proposal has faced an uproar by the hobby model aviation community, claiming that the new rules would effectively wipe out the community and the supporting $1 billion industry. A simple piece of legislation is facing serious opposition. The issues such as air rights, land appropriation, land use, and zoning will be much harder to solve.

• 드론 신원 확인(drone identification)과 같이 연구자들에 의해 당연시되는 정책조차도 현실에서 시행될 때 어려움을 제기할 수 있음
• 무인 항공기 시스템의 원격 신원 확인 규칙(Remote Identification of Unmanned Aircraft Systems Rule)은 모든 드론이 원격 신원 확인 기능을 가져야 하는 제안된 규칙임
• 그러나 이 제안은 새로운 규칙이 지역 사회와 10억 달러의 산업을 전멸시킬 것이라고 주장하며 취미 모델 항공 커뮤니티(hobby model aviation community)에 의해 논란에 직면했음
• 간단한 법안은 심각한 반대에 직면해 있으며 항공 권리, 토지 할당(land appropriation), 토지 사용(use) 및 구역 설정(zoning)과 같은 문제는 해결하기가 훨씬 더 어려울 것으

 

The UAM is in the “honeymoon” phase, similar to where autonomous vehicles were in the early 2010s. New aircraft prototypes are here, and the industry is enthusiastic. However, there is still a long way to go in terms of technology, regulation, and public conversation. The ramifications of rolling out too quickly, especially in passenger transportation, are severe. By rushing to start UAM passenger transport, the unexpected safety issues and public opposition might stop the UAM development and force cities to ban UAM. Traditional aviation has been dealing with public opposition for over five decades, mainly due to aircraft noise imposed on communities near airports. However, most commercial airports are currently located in the suburbs, whereas vertiports will mostly be located in more densely populated areas. Since commercial airports developed mechanisms for dealing with public concerns in suburban environments, these same mechanisms may not fully apply to vertiport and city environments.

• UAM은 2010년대 초 자율주행 자동차가 그랬듯이 "honeymoon" 단계에 있으며, 새로운 항공기 프로토타입이 등장했고 업계는 열광적(enthusiastic)임
• 그러나 기술, 규제 및 대중과의 대화(public conversation) 측면에서는 아직 갈 길이 멀었음
• 특히 여객 운송(passenger transportation)에서 너무 빨리 출시되면 심각한 파급 영향(ramifications)을 미칠 수 있음, UAM 여객 운송을 서둘러 시작함으로써 예기치 않은 안전 문제와 대중의 반대로 인해 UAM 개발이 중단되고 도시들이 UAM을 금지할 수 있기 때문임
• 전통적인 항공업계는 주로 공항 근처 지역사회에 발생하는 항공기 소음 문제 때문에 50년 넘게 대중의 반대에 대처해 왔음
• 그러나 대부분의 상업 공항(commercial airports)은 현재 교외(suburbs)에 위치하는 반면 버티포트(vertiport)은 인구 밀도가 더 높은 지역에 대부분 위치할 것임
• 상업 공항은 교외 환경에서 공공 문제를 처리하는 메커니즘을 개발했기 때문에 수직항과 도시 환경에 완전히 적용되지 않을 수 있습니다.

 

The aviation agencies around the world will likely have more difficulties in enacting their solutions in the space where there are so many stakeholders and will need to reach out to a wider audience than today.

• 전 세계 항공 기관들은 이해관계자(stakeholders)들이 매우 많은 공간에서 해결책을 제정(enacting their solutions)하는 데 더 많은 어려움을 겪을 것이며, 현재보다 더 많은 청중들(audience)에게 다가가야 함

 

6. Conclusion

This study presents a review of urban airspace design concepts and creates a framework that can be used to assess the proposed concepts. We define four groups of factors that impact the physical structure of airspace: safety, social, system, and vehicle factors and then analyze airspace proposals based on these factors. The analysis shows that most proposals 1) focus on the limited notion of safety, 2) rely on technologies that are still not available, and 3) do not address social factors adequately.

• 본 연구는 도시 공역 설계 개념에 대한 검토를 제시하고 제안된 개념을 평가하는 데 사용할 수 있는 프레임워크를 만듦
• 공역의 물리적 구조에 영향을 미치는 요인을 안전(safety), 사회(social), 시스템(system), 차량(vehicle) 요인의 네 가지 그룹으로 정의한 다음 이를 기반으로 공역 제안을 분석
• 분석에 따르면 대부분의 제안은
  • 1) 안전에 대한 제한된 개념(limited notion of safety)에 초점을 맞추고
  • 2) 여전히 사용할 수 없는(still not available) 기술에 의존하며
  • 3) 사회적 요인을 적절하게 다루지 않습니다.

 

Additionally, we find that the structure and restrictiveness of airspace can influence capacity, safety, and efficiency. Less structured airspace, such as the concept of Free flight, allows greater capacity and route efficiency but requires greater technological capabilities and reduces safety. On the other hand, more restrictive structures, such as tubes and lanes, enable the operations of less-equipped aircraft but increase delays.

• 추가적으로, 우리는 공역의 구조와 제한성(restrictiveness)이 용량(capacity), 안전(safety), 그리고 효율성(efficiency)에 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하였음
• 자유 비행의 개념과 같은 덜 구조화된 공역은 더 큰 용량과 경로 효율성을 허용하지만 더 큰 기술적 능력을 요구하고 안전을 감소시킴
• 반면, 튜브(tubes)와 차선(lanes)과 같은 더 제한적인 구조는 덜 장착된(less-equipped) 항공기의 운항을 가능하게 하지만 지연을 증가시킴

 

Recommendations for further research on the topic of urban airspace include:

• 도시 공역 주제에 대한 추가 연구를 위한 권장 사항은 다음과 같음:

 

Research of risk, including accident scenario planning, bird strike risk, loss of control, and risk due to wind gusts.

• 사고 시나리오 계획, 조류 충돌 사고(bird strike) 위험, 통제력 상실, 돌풍에 의한 위험을 포함한 위험(risk)에 대한 연구

 

Research and discussion about data usage, rights, anonymization, and de-identification of data collected by aircraft in the urban environment.

• 도시 환경에서 항공기가 수집한 데이터의 데이터 사용, 권리, 익명화(anonymization) 및 비식별화(de-identification)에 대한 연구와 논의

 

Research on new technologies, especially ADS-B, detect-and-avoid, technology for taking over control if the geofence is breached, and a safety protocol under which new tech can be inspected.

• 신기술에 대한 연구, 특히 ADS-B, 탐지 및 회피, 지오펜스(geofence)가 침해될 경우 제어권(control)을 장악하는 기술, 신기술을 검사할 수 있는 안전 프로토콜(safety protocol)

 

Research into psychoacoustic effects of drone noise on humans and airspace concept development that has noise at the core of its design.

• 드론 소음이 인간에게 미치는 정신음향적 영향(psychoacoustic effects)에 대한 연구, 소음을 설계의 핵심으로 하는 공역 개념 개발

 

Research of community input and design, including visual pollution and privacy concerns.

• 시각적 오염(visual pollution) 및 프라이버시를 포함한 커뮤니티 입력(input) 및 설계 연구.

 

Research on the impact of ground infrastructure on urban planning, including landing and take-off sites, real estate, zoning, planning issues, inequalities, and air rights.

• 지상 인프라(ground infrastructure)가 도시계획에 미치는 영향에 관한 연구: 이착륙지, 부동산, 구역설정, 계획 문제, 불평등, 항공 권리(air rights) 등