日本JAXA研究提出通过操作体积约束VFR飞行以整合低空空域

近一个世纪以来，天空一直被划分为两种运行方式：目视飞行规则（VFR）飞行由飞行员目视观察并避让其他交通；仪表飞行规则（IFR）飞行则由空中交通管制员负责间隔。如今，小型无人机和电动垂直起降航空器（即eVTOL航空器）正进入低空空域，其高度约低于3,000英尺，而直升机和通用航空长期以来一直在这一区域自由运行；这种二分体系已经显露出过时之处。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的一项新研究认为，未来方向既不是增加VFR，也不是增加IFR，而是一种混合方式：在经过精心设计的四维运行区域内限制目视飞行运行，既让飞行员保有灵活性，也让其他各方能够预判飞行情况。

这项研究由JAXA航空一体化创新中心的Adriana Andreeva-Mori撰写，发表于《航空航天工程前沿》，探讨了先进空中交通概念日趋成熟之际变得紧迫的问题。VFR飞行出了名地难以预测。VFR飞行计划几乎不包含空间或时间细节；在美国等国家，通常甚至不要求提交飞行计划。飞行员自行选择航线、高度和速度，并可因天气、景色或交通情况自由改变计划。正是这种灵活性使VFR不适合拥挤空域，也因此VFR历来仅用于交通稀少的天空、低空和小型航空器。相比之下，IFR高度结构化：详细的飞行计划便于开展战略规划并支持密集运行，但代价是飞行员灵活性降低，且设备要求昂贵。

Andreeva-Mori指出，VFR任务并不像表面看起来那么随意。旋翼航空器执行的大多数低空VFR飞行都有明确任务目标，例如灾害侦察、航空摄影、消防、医疗后送和媒体报道。本研究考察的灾害侦察任务中，飞行员通常沿着高速公路、河流或海岸线等地标飞行，并目视追踪地标；航空器后舱的机组人员则评估损毁情况并搜寻待疏散人员。对经验丰富的灾害响应飞行员进行访谈后发现，他们会将相对于地标的视角大致保持在37度，在恒定的离地高度飞行，为后舱机组人员提供稳定的平台，并以约65节的目标地速飞行，在转弯时减速。这些参数使侦察轨迹能够建模为一系列直线段和圆弧。

为将这一模型转化为空域管理工具，研究提出为每架VFR航空器设置地理围栏，将其限制在一个运行区域内；其思路类似于根据无人机交通管理概念管理小型无人机运行。每个区域都是一个四维空间形状，在横向、垂直方向和时间上进行定义，包围预测轨迹并留有安全缓冲区。缓冲区考虑了地形、地标曲率以及飞行中可能发生的高度变化。起飞前，将预测轨迹和运行区域加载至便携式态势感知工具；当航空器偏离指定区域时，偏离告警会提醒飞行员。其目标是实现隔离：让低空VFR飞行安全避开无人机、eVTOL航空器及其他交通，同时不迫使飞行员遵循完整IFR程序的严格限制。

测试这一概念需要实际飞行，而非模拟。JAXA使用其BK117C-2研究直升机开展了两轮飞行测试。该机型为中型双发直升机，广泛用于灾害响应。第一轮测试包括九次飞行，时间从一月下旬至2022年2月月中旬；第二轮包括在2022年8月进行的四次飞行。每次飞行约持续两小时，从东京西部的调布机场起飞；在15至-20分钟的转场飞行之后，有70至90分钟可用于按侦察任务建模的飞行航段。研究选取了三个测试区域：富士山附近的山区，那里有一条作为地标的高速公路且海拔起伏显著；房总半岛较平缓的山区，那里有一段更长的高速公路；以及三浦半岛，其中一次飞行依次沿高速公路、河流和海岸线飞行。

机载技术为D-PAS，这是一套完全便携式系统，作为日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）D-NET灾害应对研究的一部分开发，现已部署于日本所有消防直升机上。系统由卫星传输单元、通过吸盘固定在挡风玻璃上的数字天线，以及内置地图的触摸屏显示器组成。显示器以一系列点显示离散化的预测轨迹，以紫色显示相关运行空域，并以红色箭头显示航空器的实际位置。遥测数据通过铱星卫星链路传至地面，因此研究人员能够实时跟踪飞行符合情况。研究比较了两种告警方式：首次试验中，直升机偏离预测的四维位置时发出告警；第二次试验中，航空器离开指定空域时发出告警。

时间维度的结果尤为令人鼓舞。在未提供时间提示时，飞行员始终比计划更早完成航段，飞行速度略高于65节的参考速度，显然是为了提高信息收集效率。在首次试验中提供偏差提示后，时间可预测性显著提高，所有飞行均在富士山区域预测的11分钟航段时间前后一分钟内完成。值得注意的是，第二次试验中，资深飞行员熟悉参考速度后，即使没有提示也保持了时间符合性。飞行员报告称，通过告警管理符合性，而非严格按航路点飞越时间执行，并未显著增加工作负荷；他们建议设置相当于约5节速度差异的时间缓冲。由于提前完成比延误更常见，缓冲应采用不对称设置，提前一侧留出更大的余量。研究还发现一个需要注意的问题：飞行员对地标的感知会随高度变化，视野也会扩大，因此高度可能发生变化时，时间缓冲应相应增加，飞行速度也会更快。

横向符合性证明了轨迹模型的核心假设具有稳健性。在富士山公路航段的24次飞行中，当目标高度与计划的离地高度1,000英尺相符时，各条轨迹都紧密聚集在预测值附近，验证了37度的恒定视角。飞行员之间确有差异：一名飞行员比预测位置更靠近地标约200米，对应的视角约陡40度；这一差异可追溯至座椅高度和坐姿。研究人员对首次试验的数据采用高斯过程回归，因其适合小型数据集。将两名飞行员的数据合并考量后，所得95%置信区间涵盖约负220米至290米的偏差范围，支持设置300米的横向缓冲。第二次试验中，富士山航段周围空域采用300米缓冲，其他区域则采用500米缓冲。即使非计划的高度增加使名义轨迹向外偏移，飞行员也会根据提示进行修正，并保持在空域范围内。最大横向偏差出现在意外来机迎头接近时，飞行员被迫短暂采取避让机动。飞行员表示，预留空域可以防止此类干扰，同时降低驾驶舱工作负荷。

垂直维度最难处理。飞行员会尝试保持相对地面的恒定高度，但在山区，地面本身起伏不平。在富士山航段沿线的三座山丘上，飞行员跟随的是GPS高度，而非恒定的离地高度，偏差达到500英尺。即使在地形较平缓的区域，也出现了200至460英尺的突变。研究认为，在当前简化的轨迹模型下，100英尺的垂直缓冲仅适用于平坦地形；即便地面高程变化不大，目标高度上下至少也需要200英尺的缓冲。有人驾驶航空器与无人航空器之间的间隔往往会首先通过垂直方向实现，因为无人机通常飞得较低。预测性最低的这一维度，给空域整合带来了最严峻的挑战。共同的高度基准仍未解决：直升机驾驶舱仪表使用气压高度表和无线电高度表，而大多数小型无人机仅依靠GPS高度。研究人员正通过ICARUS等项目解决这一基准不一致的问题。

研究结果指向了目视飞行规则（VFR）飞行计划和共享方式的具体改进。受空域范围约束的运行，其飞行计划可包含任务类型、目标地标、目标高度和速度，以及态势感知设备信息；这些信息既有助于设计运行空域，也能让其他空域用户避开指定空域。安德烈耶娃-森认为，可以指定默认采用空域范围约束的VFR运行空域，并优先安排持有预先确定计划的用户，以此激励飞行员共享意图。实施方面仍有挑战，包括将地标坐标数据整合进运行系统、开发近期位置预测告警以便在飞行员离开空域前而非离开后发出提醒，以及调整培训和认证内容。目前的培训和认证尚未涵盖VFR飞行员所需的仪表相关技能。作者建议从灾害应对领域着手，因为D-NET技术已投入实际使用，相关经验可为未来标准提供参考。如果这一方法能够推广，目视飞行的自由度与仪表飞行的结构化管理之间长期存在的权衡或许终于能够解决，从而安全地向等待进入的无人机和空中出租车开放低空空域。

研究主题：低空空域整合

文章标题：通过低空空域中受运行空域约束的目视飞行规则运行，平衡可预测性与灵活性

文章参考文献：安德烈耶娃-森，A.（2024）。《通过低空空域中受运行空域约束的目视飞行规则运行，平衡可预测性与灵活性》。《航空航天工程前沿》，3，文章1338388。https://doi.org/10.3389/fpace.2024.1338388

图片来源：人工智能生成

数字对象标识符： 10.3389/fpace.2024.1338388

关键词：平衡、可预测性、灵活性、运行、容量受限、目视、飞行、规则、运行、高度、空域、科学研究