Projektowanie obszaru operacyjnego do lotów dronami w kategorii szczególnej

Wstęp

Wykonywanie lotów bezzałogowymi statkami powietrznymi w kategorii szczególnej wiąże się z koniecznością zaprojektowania przestrzeni operacyjnej. Dotyczy to zarówno scenariuszy standardowych STS, jak i operacji wymagających indywidualnej oceny ryzyka. Tę zaprojektowaną przestrzeń następnie należy zorganizować, a na końcu, gdy już zacznie się operacja lotnicza, należy ją także kontrolować.

W ramach tej przestrzeni wdraża się szereg procedur ograniczających ryzyko dla osób trzecich, mienia i innych użytkowników przestrzeni powietrznej.

Wymóg wyznaczenia przestrzeni operacyjnej w przypadku lotów w kategorii szczególnej, wynika ze wzrostu poziomu ryzyka jaki im towarzyszy w stosunku do lotów w kategorii otwartej.

Struktura Obaszru Operacyjnego

W ramach omawianego zagadnienia wyróznia się zestaw siedmiu pojęć na określenie powierzchni i woluminów wchodzących w skład obszaru operacyjnego.

• 1 – Obszar operacyjny lub Kontrolowany obszar naziemny (Operational Area / Controlled Groud Area) – rzut przestrzeni operacyjnej na ziemię wraz z buforem ryzyka naziemnego;
• 2 – Przestrzeń operacyjna (Operational Volume) – Przestrzeń Lotu + Przestrzeń Bezpieczeństwa;
• 3 – Bufor ryzyka naziemnego (Ground Risk Buffer) – obszar na ziemi otaczający Przestrzeń Operacyjną;
• 4 – Przestrzeń lotu (Flight Geography) – przestrzeń, w której planowane jest wykonywanie operacji w normalnych warunkach;
• 5 – Przestrzeń bezpieczeństwa (Contingency Volume) – przestrzeń poza przestrzenią lotu, w której stosuje się procedury na sytuacje awaryjne;
• 6 – Obszar przyległy (Adjacent Ground Area) – obszar naziemny przylegający do Bufora Ryzyka Naziemnego;
• 7 – Przestrzeń przyległa (Adjecent Volume) – przestrzeń powietrzna przylegająca do Przestrzeni Operacyjnej.

Definicje części składowych struktury

Powyższe, lakoniczne definicje mogą być niewystarczające, dlatego celem lepszego ich zrozumienia, należy je opisać obszerniej.

Ad 1. – Obszar Operacyjny składa się z Przestrzeni Operacyjnej oraz z Buforu Ryzyka Naziemnego. Nazwa „obszar” jest w tym przypadku nieadekwatna, gdyż w jego skład wchodzi zarówno przestrzeń (wolumin) jak i powierzchnia znajdująca się na zewnątrz od tej przestrzeni. Mamy więc do czynienia ze strukturą złożoną z elemntu dwu-, i trójwymiarowego.

Kontrolowany Obszar Naziemny oznacza obszar naziemny, na którym eksploatuje się bezzałogowy system powietrzny, i w którego granicach operator bezzałogowego systemu powietrznego jest w stanie zadbać o to, by znajdowały się na nim wyłącznie osoby zaangażowane w operację.

Ad 2. – Przestrzeń Operacyjna składa się z Przestrzeni Lotu i Przestrzeni Bezpieczeństwa. Jest to przestrzeń, wewnątrz której dozwolone jest operowanie dronem w powietrzu, bez konieczności uruchamiania awaryjnej procedury FTS (Flight Termination System) – czyli awaryjnego przerwania lotu BSP.

Ad 3 – Bufor Ryzyka Naziemnego to wyznaczony obszar na ziemi, przylegający bezpośrednio do Przestrzeni Bezpeiczeństwa. Jeśli BSP opuści Przestrzeń Bezpieczeństwa, zakłada się, że nastąpiła nad nim utrata kontroli i lot musi zostać przerwany. Skutkuje to bądź gwałtownym uderzeniem drona w ziemię, bądź łagodnym opadnięciem przy zastosowaniu spadochronu. Upadek ten musi nastąpić w granicach strefy Buforu Ryzyka Naziemnego.

Ad 4. – Przestrzeń Lotu to objętość przestrzeni powietrznej, w której operator planuje wykonywać operację BSP zgodnie z normalnymi procedurami operacyjnymi. (Pojęcie „normalne procedury” to pojęcie w opzycji do procedur awaryjnych, czyli są to procedury nie awaryjne).

Ad 5. – Przestrzeń Bezpieczeństwa to przestrzeń znajdująca się bezpośrednio poza Przestrzenią Lotu. Przestrzeń ta całkowicie otacza Przestrzeń Lotu. W przypadku gdy BSP opuści Przestrzeń Lotu i znajdzie się w Przestrzeni Bezpieczeństwa, należy zastosować „procedury awaryjne”. Przyjmuje się, że w Przestrzeni Bezpieczeństwa BSP pozostaje pod kontrolą, jednak występuje sytuacja odbiegająca od normy.

Ad 6. – Obszar Przyległy to obszar naziemny przylegający do Bufora Ryzyka Naziemnego, w którym należy spodziewać się upadku BSP w przypadku utraty nad nim kontroli (tak zwane fly-away).

Ad 7. – Przestrzeń Przyległa to przestrzeń powietrzna granicząca z Przestrzenią Bezpieczeństwa od zewnątrz – zarówno w poziomie, jak i w pionie. Znajduje się ona bezpośrednio nad Obszarem Przyległym na ziemi. Jest to przestrzeń, w którą wleci BSP w przypadku wystąpienia zjawiska „fly-away” (niekontrolowanego oddalenia się drona), czyli sytuacji, w której nie można przeprowadzić procedury zakończenia lotu.

Analiza struktyry Obszaru Operacyjnego

Stopniowalność procedur awaryjnych

Gdy przetworzy się informacje zawarte w powyższych opisach, to można dostrzec sens procedury wyznaczania obszaru kontrolowanego. Wynika z nich, że kolejne przestrzenie nadbudowane na zewnątrz od Przestrzeni Lotu, wyznaczają konieczność zastosowania kolejnych procedur awaryjnych. I tak, w samej Przestrzeni Lotu obowiązują procedury normalne, na zewnątrz od niej obowiązują procedury awaryjne I stopnia, a na zewnątrz od Przestrzeni Bezpieczeństwa zaczynają się procedury awaryjne II stopnia. Te procedury I stopnia, to umowna nazwa na wszelkie czynności, które spowodują, że dron powróci do Przestrzeni Lotu. Procedury II stopnia natomiast, to czynności które doprowadzą do zakończenia lotu. Przestrzeń na zewnątrz od Przestrzeni Bezpieczeństwa, a więc Przestrzeń Przyległa, to przestrzeń w której należy spodziwać się drona w sytuacji, gdy zwiodą zarówno procedury awaryjne I, jak i II stopnia.

Reasumując: można w strukturze wróżnić 3 pierścienie rozgraniczające stopnie kontroli nad BSP:

• strefa pełnej kontroli – procedury normalne;
• strefa zagrożenia utratą kontroli – procedury awaryjne I stopnia;
• granica krytyczna, która oznacza utratę kontroli – procedury awaryjne II stopnia.

Ocena i mitygacja ryzyka

Pozostaje jeszcze wskazać celowość wyznaczania Obszaru Przyległego i Przestrzeni Przylegającej.

Definicja Kontrolowanego Obszaru Naziemnego mówi, że jest to obszar, który operator zabezpiecza przed wtargnięciem osób niezaangażowanych w operację lotniczą. Tym samym Obszar Przyległy już się do niego nie zalicza. Granicę bowiem obszaru zabezpieczonego przed wtargnięciem osób postronnych wyznacza Bufor Ryzyka Naziemnego. Stąd też nasuwa się pytanie: w jakim celu wyzanacza się Obszar Przyległy i Przestrzeń Przyległą?

Obydwa te elementy związane są z potencjalną lokalizacją BSP po pełnej utracie nad nim kontroli. Służą do oceny ryzyka planowanej operacji, i do zastosowania środków minimalizujących ryzyko. Obszar przyległy dotyczy ryzyka naziemnego. Przestrzeń przyległa dotyczy ryzyka powietrznego.

Ryzyko naziemne

Ocena ryzyka naziemnego wiąże się z koniecznością analizy gęstości zaludnienia, zabudowy, infrastruktury energetycznej, drogowej czy kolejowej środowiska operacyjnego.

Ryzyko powietrzne

Natomiast ocena ryzyka powietrznego sprowadza się do oceny prawdopodobieństwa kolizji z załogowym statkiem powietrznym, m.in. na podstawie charakterystyki ruchu lotniczego.

Efektem tych ocen ryzka, powinno być właśnie zastosowanie środków minimalizujących je – czyli tzw mitygacji.

Etapy projektowania

Obszar Operacyjny wyznacza się od jego wnętrza, a więc od Przestrzeni Lotu, po przez Przestrzeń Bezpieczeństwa, Bufor Ryzyka Naziemnego, skończywszy na Obrzarze Przyległym i Przestrzeni Przyległej.

Poniżej opisane etapy wyznaczania kolejnych elementów Obszaru Operacyjnego zobrazowane są na przykładzie planów operacji BSP w środowisku zurbanizowanym, w ciasnych przestrzeniach pośród wysokich wieżowców.

Przestrzeń lotu

W pierwszej kolejności określa się Przestrzeń Lotu, czyli przestrzeń, w której planowane jest wykonywanie operacji zgodnie z przyjętymi procedurami. To właśnie tutaj odbywa się właściwa część operacji, dlatego jej wielkość i kształt powinny wynikać z planowanego sposobu wykonywania lotu, wykorzystywanego BSP oraz warunków prowadzenia operacji.

Projektowanie można prowadzić od środka na zewnątrz – najpierw określając przestrzeń niezbędną do wykonania planowanej operacji, a następnie uwzględniając kolejne elementy związane z bezpieczeństwem. Nie zawsze jednak operator ma możliwość swobodnego wyznaczenia takiej przestrzeni. Jeżeli operacja musi zostać wykonana w ograniczonym lub z góry określonym obszarze, Przestrzeń Lotu należy dostosować do istniejących ograniczeń. W takim przypadku to nie przestrzeń jest powiększana do potrzeb operacji, lecz sposób wykonania operacji musi zostać zaplanowany tak, aby mieścił się w dostępnej przestrzeni i nadal spełniał wymagania bezpieczeństwa.

Oznacza to, że już na tym etapie należy sprawdzić, czy dostępny teren i przestrzeń powietrzna pozwalają na wykonanie planowanego lotu oraz czy możliwe jest wyznaczenie pozostałych elementów obszaru operacyjnego.

Przestrezeń bezpieczeństwa

Jest to przestrzeń przeznaczona na sytuacje, w których przebieg operacji odbiega od założonego planu i konieczne jest zastosowanie procedur awaryjnych. Dzięki niej pilot ma określoną przestrzeń, w której może zareagować na sytuację nieprawidłową i doprowadzić do powrotu BSP do Przestrzeni Lotu, ewentualnie do bezpiecznego wylądowania dronem.

Gabaryty Przestrzeni Bezpieczeństwa wyznacza się poprzez podstawienie do odpowiednich wzorów wartości liczbowych. Te warości liczbowe dotczą uprzednio wyznaczonej Przestrzeni Lotu, oraz zestawu pewnych współczynników. Te współczynniki mają na celu uwzględnić występowanie błedów pomiarowych różnych systemów wspomagania lotu, tak, żeby końcowy wynik zawierał margines bezpiewczeństwa. Chodzi tu m.in. takie czynniki jak błąd pomiaru wysokościomierza, błąd pozycjonowania GPS, czy inercja drona.

W przypadku operacji prowadzonych w ograniczonej przestrzeni, np. pomiędzy budynkami, wyznaczenie Przestrzeni Bezpieczeństwa może być trudne, czy po prostu niemozliwe. Dlatego należy sprawdzić, czy możliwe jest zachowanie wymaganej przestrzeni na wykonanie procedur awaryjnych.

Przestrzeń Lotu wraz z Przestrzenią Bezpieczeństwa tworzą Przestrzeń Operacyjną. Dopiero po określeniu tych dwóch elementów można przejść do kolejnego etapu, czyli wyznaczenia Bufora Ryzyka Naziemnego.

Wyznaczanie Bufora Ryzyka Naziemnego

Bufor Ryzyka Naziemnego to obszar wyznaczony wokół Przestrzeni Operacyjnej, w którym może dojść do upadku BSP w przypadku konieczności przerwania lotu lub wystąpienia sytuacji awaryjnej. Obszar ten należy odpowiednio zabezpieczyć, tak aby w czasie wykonywania operacji nie znajdowały się w nim osoby postronne.

Są różne metody wyznaczania wielkości buforu. Chodzi tutaj konkretnie o odległość pomiędzy jego skrajem a Przestrzenią Bezpieczeństwa, bo właśnie ta odległość jest wyznacznikiem jego rozmiaru.

Metoda „1:1”

W najprostszym i tradycyjnym podejściu stosuje się zasadę 1:1. Oznacza ona, że szerokość Bufora Ryzyka Naziemnego odpowiada co najmniej wysokości Przestrzeni Bezpieczeństwa. Zasada 1:1 stanowi punkt wyjścia do określenia Buforu Ryzyka Naziemnego, a w określonych przypadkach możliwe jest zastosowanie innych metod.

Metoda balistyczna

Jedną z nich jest metoda balistyczna, która może być stosowana tylko w przypadku dronów – wirnikowców (helikopterów lub wielowirnikowców). Wówczas, oprócz wysokości Przestrzeni Operacyjnej, wielkość buforu jest także pochodną prędkości drona. Metoda ta pozwala wyznaczyć bufor z uwzględnieniem bardziej stromej trajektorii upadku drona.

Metoda dla dronów ze spadochronem

Wraz z pojawieniem się nowych konstrukcji BSP, w tym dronów klas C5 i C6 wyposażonych w systemy spadochronowe, możliwe jest również zastosowanie metody wyznaczania Bufora Ryzyka Naziemnego uwzględniającej działanie takiego systemu. W przypadku takim przypadku uwzględnia się m.in. czas zadziałania systemu, prędkość opadania BSP oraz warunki wiatrowe.

Metoda dla dronów – płatowców

W przypadku płatowców (fixed-wing) możliwe jest wyznaczenie Bufora Ryzyka Naziemnego z uwzględnieniem ich zdolności do szybowania po wyłączeniu napędu. W takim przypadku wymiar bufora zależy przede wszystkim od wysokości Przestrzeni Bezpieczeństwa oraz doskonałości szybowania płatowca, określanej jako stosunek siły nośnej do oporu aerodynamicznego. Im lepsze właściwości szybowania i im większa wysokość, z której płatowiec rozpoczyna szybowanie, tym większą odległość może pokonać przed osiągnięciem ziemi, a tym samym większy może być wymagany Bufor Ryzyka Naziemnego. Jeżeli konstrukcja lub sposób zakończenia lotu uniemożliwia szybowanie, można zastosować uproszczoną metodę 1:1.

Wyznaczanie Obszaru Przyległego

Jest to obszar terenu znajdujący się poza Buforem Ryzyka Naziemnego, w którym należy uwzględnić możliwość znalezienia się BSP w przypadku utraty kontroli.

Wymiar Obszaru Przyległego mierzy się od Przestrzeni Bezpieczeństwa do jego granicy zewnętrznej. Wartość tę wyznacza się wyliczając odległość jaką dron może przebyć z maksymalną prędkością w ciągu 3 minut. Jednocześnie zakłada się, że minimalna wartość jaką można określić to 5 km, a maksymalna to 35 km.

Według starszej, uproszczonej metody, była to po prostu odległość jaką dron może przebyć z maksymalną prędkością operacyjną w ciągu 2 minut. Bez dodatkowych progów.

Wyznaczanie Przestrzeni Przyległej

Wymiar poziomy (boczny) – odpowida wymiarowi Obszaru Przyległego.

Wymiar pionowy (wysokość) – wyznacza się dodając do najwyższej wysokości Przestrzeni Operacyjnej wysokość, na jaką dron wzniesie się w ciągu 3 minut ze swoją maksymalną prędkością pionową. Za minimalną wartość, przyjmuje się 500m powyżej wysokości pułapu Przestrzeni Operacyjnej. Dodatkowo, jeżeli dolna granica Przestrzeni Operacyjnej nie sięga do ziemi, to cała przestrzeń pod nią też jest traktowana jako przestrzeń przyległa.

Według starej szkoły, wysokość Przestrzeni Przyległej wyznaczało się po prostu po przez dodanie nie mniej niż 150 m do najwyższej wysokości Przestrzeni Operacyjnej (Przestrzeni Bezpieczeństwa).

Podsumowanie

Opisanych zostało w sumie siedem pojęć, z czego dwa stanowią pojęcia nadrzędne. Oznaczają one struktury złożone, w których skład wchodzą pozostałe, bardziej podstawowe elementy.

Przestrzeń Operacyjna składa się z:

• Przestrzeni Lotu (Flight Geography)
• Przestrzeni Bezpieczeństwa (Contingency Volume)

Obszar Operacyjny (Kontrolowany Obszar Naziemny) składa się z:

• rzutu Przestrzeni Operacyjnej na ziemię
• Buforu Ryzyka Naziemnego (Ground Risk Buffer)

Pozostałe dwa pojęcia – Obszar Przyległy i Przestrzeń Przyległa – leżą już poza tak zdefiniowanym Obszarem Operacyjnym.

Zatem mamy pięć elementów podstawowych, które w terminologii angielskiej (SORA / EASA / JARUS) mają przypisane następujące terminy:

• Flight Geography (Przestrzeń Lotu)
• Contingency Volume (Przestrzeń Bezpieczeństwa)
• Ground Risk Buffer (Bufor Ryzyka Naziemnego)
• Adjacent Ground Area (Obszar Przyległy)
• Adjacent Airspace / Adjacent Volume (Przestrzeń Przyległa)

Pozostałe dwa określenia – „Przestrzeń Operacyjna” (Operational Area) i „Obszar Operacyjny” (Operational Volume) – są jedynie złożeniami.

Projektowanie i wyznaczanie tych elementów wykonuje się w ramach planowania misji BSP. Jest to jeden z etapów przygotowania operacji w kategorii szczególnej. Po zaprojektowaniu obszaru należy go następnie zorganizować – czyli fizycznie zabezpieczyć jego wnętrze przed obecnością osób postronnych.

Obszar Przyległy i Przestrzeń Przyległa leżą już poza tak zdefiniowanym Obszarem Operacyjnym. Służą one wyłącznie do oceny ryzyka naziemnego i powietrznego oraz do doboru odpowiednich środków mitygujących. Temat ten zostanie omówiony w kolejnym artykule.

Firma Dron-Rekon oferuje usługi projektowania Wydzielonego Obszaru Kontrolowanego na potrzeby wykonywania lotów SBSP w kategorii szczególnej (STS oraz operacje wymagające indywidualnej oceny ryzyka SORA).

Więcej informacji: https://uslugadronempomorskie.pl