《On Integrating Unmanned Aircraft Systems into the National Air...》第二版

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《On Integrating Unmanned Aircraft Systems into the National Airspace System: Issues, Challenges, Operational Restrictions, Certification, and Recommendations》第二版
无人机融入国家空域系统
作者：
Konstantinos Dalamagkidis
Technische Universität München

Kimon P. Valavanis
University of Denver
Dept. Electrical & Computer Engineering

Dr. Les A. Piegl
Dept. Computer Science & Engineering
University of South Florida
出版社：Springer
出版时间：2012年

《On Integrating Unmanned Aircraft Systems into the National Airspace System: Issues, Challenges, Op ...

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目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 What’s in a name . . . UAV or UAS?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation and Rationale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 On Regulating Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Book Objectives and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Aviation History and Unmanned Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Precursors of Flight and Unmanned Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 1916–1944 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 The Machines of the Cold War . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Modern Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Current Manned Aviation Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Airworthiness Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 Type Certificate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 Standard Certificates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3 Special Certificates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Special Aircraft Categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 R/C Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Pilot Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 FAR Operation Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 Flight Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.2 Emergency Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.3 Maintenance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Airspace Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7 Regulation Development Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
xvii
xviii Contents
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Unmanned Aircraft Systems Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 International Civil Aviation Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 United States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1 RTCA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.2 ASTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.3 SAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.4 Current Certification Paths and Operational Guidelines . . . . . 64
4.4 Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.1 EASA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.2 EUROCONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.3 EUROCAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.4 Other European Union Activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.5 National Activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5 Australia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.6 Canada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.7 Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.8 International UAS Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9 Light and Small UAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9.1 United States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9.2 Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.10 Military Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.10.1 United States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.10.2 Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.10.3 NATO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 UAS Safety Assessment and Functional Requirements . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1 Equivalent Level of Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.1 Manned Aviation Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.2 Derivation of an ELOS for UAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 UAS Accident Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Ground Impact Fatality Risk Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.1 Ground Impact ELOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.2 Exposure to Ground Impact Accidents . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.3 Probability of Fatality of Exposed Persons . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3.4 Frequency of Ground Impact Accidents . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.4 Mid-air Collision Fatality Risk Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.1 Mid-air Collision ELOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.2 Exposure and Risk of Fatality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.3 Conflicting Trajectory Expectation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.4 Collision Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5 Model Choice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Contents xix
5.6 Translating an Accident TLS to System Reliability Requirements . . 115
5.7 Risk Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7 Thoughts and Recommendations on a UAS Integration Roadmap . . . 161
7.1 Regulation Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.1.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1.2 Flight Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1.3 Sacrificability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1.4 Pilot Physically Removed from Cockpit . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.1.5 UAS as Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.1.6 Take-offWeight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.1.7 Passengers and Cargo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.1.8 Payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.1.9 Operational Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.2 Operational Risk Reference System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3 UAS Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.1 Classification Based on Ground Impact Risk . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.2 Classification Based on Mid-air Collision Risk . . . . . . . . . . . 173
7.3.3 Classification Based on Autonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.3.4 Other Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4 Certification Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.5 Equipment Certification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.6 Operator Training and Certification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.7 Technology Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.7.1 Collision Avoidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7.2 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.7.3 Communications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.7.4 Power and Propulsion Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.7.5 Launch, Recovery and Flight Termination Systems . . . . . . . . 187
7.8 Technology Testing and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8 Epilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.1 Why UAS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.2 UAS for Military Applications and Related Challenges . . . . . . . . . . . 194
8.3 UAS for Civilian Applications: Challenges and Issues . . . . . . . . . . . . 196
8.4 Challenges, Enabling Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.5 The Road Ahead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
xx Contents
A Human Vulnerability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
A.1 Injury Types and Severity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
A.2 Vulnerability Modeling Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.3 Vulnerability Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
A.3.1 Vulnerability Thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
A.3.2 Log-normal Vulnerability Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
A.3.3 The Viscous Criterion (VC) and the Blunt Criterion (BC) . . . 219
A.3.4 Penetrating Injuries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
B Ground fatality probability model sensitivity analysis . . . . . . . . . . . . . . 225
B.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
B.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
B.2.1 Kinetic Energy at Impact Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
B.2.2 Parameter α Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
B.2.3 Sheltering Factor Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
B.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
C UAS Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

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