安擎科技在上一篇《波音和Wisk公布城市空中交通（UAM）的运行概念》分享该行业重磅消息之后，将陆续推出系列文章。
本文作为详细介绍运行概念系列文章的第一篇，将着眼于UAM运行环境中的空域。
UAM飞机运行旨在最大限度地利用现有的航空运输系统。但是，如本系列文章所述，现有系统的基础设施和支持服务还需要继续演进和提高才能很好地支持运行概念（ConOps）。该运行概念利用了UAM利益相关者已经开发实现的概念（例如FAA NextGen、TSP（第三方服务提供商）等）和技术（例如ADS-BIn应用程序）。它建立在目前美国国家空域系统（NAS）的基础上，利用NextGen部署的全新运行能力，然后增加了新的第三方服务和垂直港管理等重要组成部分。
空域
UAM运行将会把一些特定于无人操作的新组件整合到现有的空域结构、已发布的程序和操作规则中。本文探讨了对美国国家空域系统四个关键领域的充分利用和变更的需求。
1. 空域划分
下图显示了美国的空域分类。如图所示，UAM飞机将在不受管制（G类）和受管制（B、C、D和E类）空域中起飞、运行和降落。
图片来源：波音城市空中交通运行概念——美国空域分类
目前，IFR（仪表飞行规则）的运作以及相关的ATC（空中交通管制）服务都可在所有空域级别运行。现在已发布的程序中提供了可以穿过繁忙空域的无冲突路径，这可以有助于最大限度减少交通冲突。同时交通流量管理可以在预测条件下，用可用容量来平衡需求。此外，监控和语音通信会被用来进行交通控制。
2. 飞行规则
配备了IFR的飞机可以使用公布的航线和IFP来避免通路中的大多数冲突。这不仅取决于航线和程序的结构和组织，还取决于飞机飞行所在空域的CNS（通信、导航和监视）基础设施。好处是，就管制员的工作量来说，ATC分离交通服务是非常高效的。
本文中的运行概念采用了在14CFR（美国联邦法规）第91部B小节背景范围内的IFR结构，同时补充调整了针对UAM无人机运行的部分。这些调整的产生来自于对现有规则变更的实施，它通过一系列弃权声明、豁免和协议书（LOA），使无人机系统能在目前的NAS（美国国家空域系统）中运行。FAA部署的NextGen数字化基础设施，将推动法规的修改，这可以实现在空中交通管制员与UAM无人机监督员之间几乎没有交互的情况下进行运行。
以下NextGen属性将组成操作程序的基础，允许MVS（多飞行器监督员）充当最多三架飞机的PIC（机长）。
及时的空域情报
为管制员提供自动决策支持
数据通信
飞行预测精度
操作员的自动航班追踪
其它的数字信息功能
在此基础上，人因（human factors）研究也会广泛开展，以确定这些技术进步以及UAM飞机上的自动化，可以使MVS能够安全地操作飞机，确保其效果等同于或优于机载或远程飞行员的操作。
在该运行概念的中期时间框架内，UAM无人机的初始操作将会按照和目前IFR操作非常相似的方式参与ATC的分离服务：
按照目前正在执行的方式，ATC将在受管制空域提供交通分离服务。
UAM操作员将向ATC提交飞行计划。这些计划都将是高精度的，可以进行高效的流量管理，将能够准确预测相对较短飞行（30分钟或更短）的飞行路径和地面速度。
UAM操作员将运用智能路由功能和一些新技术——例如保证飞机在时间和距离上的间隔，使得ATC工作量保持在一个非常低的程度。
在飞行规则和操作运行方面的主要改进如下：
起飞和着陆：UAM无人机将使用能够在垂直引导的初始和最终航段实现全自动起飞和着陆的程序。
ATC通信：
ATC和MVS之间的双向语音通信将由VHF（30~300 MHz）中继通过飞行器的C2链路提供，或者在可用的情况下，通过低延迟、共用线路互联网语音协议（VoIP）网络通信提供。
ATC管制员切换和通信检查将会自发进行。
能源储备要求：强大的突发事件和应急管理能力，包括对飞行期间能源状态和消耗的高精度监控，将实现与传统IFR储备概念相当的安全水平，同时减少给定飞行所需的多余能源。
3. 仪表飞行程序
在可用的情况下，UAM无人机将使用当前FAA批准的航线、SID（标准仪表离场）和IAP（仪表进近程序），包括复飞航段（以及适用的进场程序）。这些仪表飞行程序将为着陆和起飞提供3D（横向和垂直）引导（例如，具有垂直制导的横向精确性能，横向导航和垂直导航，以及仪表着陆系统（鉴于巡航高度较低，除了进近程序外，无人机操作可能不需要使用到达程序。UAM飞机将按照IFP（仪表飞行程序）遵从RNP（所需导航性能），即使在GPS不可用的区域（这已被确定是当前一些垂直机场的问题）。
特别是对于无人驾驶的UAM操作，提供地面指导的附加仪表部分将补充当前程序并取代当前操作中的视觉部分（例如从决断高度到地面）。
为了更广泛地部署UAM运行，需要开发新的垂直港（包括机场里的垂直起降场），并采用新的进近和离港程序，这可能是UAM无人机运行所独有的。随着这些技术和相应的方法设计标准的成熟，进出地面的指导都会被包含在内。
UAM无人机操作员和利益相关者将共同努力建立新的航线和IFP。这一切都将连接整个体系中的垂直港，并建立一个完整的UAM航线网络，提供尽可能直接的飞行路径。这些RNP航线网络将实现高效的UAM运行，同时最大限度地减少对策略冲突管理的需求，因为根据设计，它们不会干扰现有航线，也不会互相干扰。
4. ATC服务
ATC将负责分隔UAM无人机运行的大部分空域的交通（ATC需要在受控空域的IFR下运行的飞机之间，以及在B和C类空域的IFR和VFR（目视飞行规则）下运行的飞机之间提供分离服务。ATC不需要为其他空域的VFR提供分离服务，尽管他们可以提供交通咨询）。空中交通管制员将接受适当的培训，并具备掌握UAM无人机独特性能特征的资格。他们将了解这些被设计出来用于与其他空域使用者保持隔离的UAM特定路线。
虽然在正常运行中不太可能会发生，但MVS将能够响应ATC雷达矢量，并指导UAM飞机执行并获得许可，以及执行其它IFR交通管理指令。
4.1 利用四维航迹
由于机载能源存储的限制，UAM飞机将需要高水平的运行效率和可预测性。这些无人机将在其任务所特有的路线上运行；为了尽量减少任务差异，这些路线的规划将尽量减少与其他交通的接触。因此，在起飞前提交（或更新）的飞行计划应该代表整个飞行全貌的高精度预测。根据设计，UAM交通应该只需要很少的战术干预，并且基本上可以通过例外情况进行管理。此外，ATC交通流量管理将通过调节交通流量来平衡需求和预测条件的可用容量，从而进一步减少潜在的交通事故。
UAM运行也将受益于将四维航迹预测运用在飞行计划里。UAM任务将使用单一、全面的四维航迹，其中包括通过计划航路点的预计时隙和适当的时间容差。虽然时间维度不会用于消除交通冲突，但它将通知交通流管理，从而确保到达交通序列的可行性（过于严格的交通冲突解决时间要么因固有的不确定性而受到限制，要么成为一项具有规定性的必须在狭小范围内满足的契约。后一种方法可能会将脆性引入交通流中，或由于过度约束轨迹而导致运行效率低下）。
四维航迹的第二个重要原因是它们提供的可重复性和可预测性，这反过来将极大地帮助FOC（机队运行中心）和ATC实现实际自主一致性监控。这对于减少工作量和维护安全至关重要，因为人类并不擅长简单的监控功能。当自主一致性监控检测到与计划的航路点穿越时间的偏差大到足以影响交通流量（由飞行计划中为航路点时隙指定的时间容差设置）时，它将能够提醒MVS飞行途中可能需要重新计划。例如，如果风向与路线预测的风向有很大差异，就会发生这种情况。
4.2 数据通信
向MVS提供电子许可以及ATC和MVS之间的数字通信（如当前的管制员飞行员数据链路通信），将用于许可已提交的飞行计划以及在起飞前更改飞行计划。虽然有时会通过ATC塔台，但这些消息会来自航路ATC（例如，空中航线交通管制），其中IFR飞行计划会被处理以实现需求和容量平衡以及流量管理。目前，数据通信网络服务能够通过地面网络而不是VHF（30~300 MHz）数据链路发送这些类型的消息。
4.3 语音通讯
目前全球空中导航服务提供商已实施能够通过VoIP进行通信的空中交通管理系统。通过该系统，FOC（机队运行中心）可以通过地面网络而不是模拟VHF无线电广播与ATC进行通信。在VoIP尚不可用的情况下，MVS将通过飞机上的VHF无线电，通过C2数据链路上的中继与ATC进行双向语音通信。
由于UAM任务可能都主要发生在人口密集处，因此它们运行的空域可能是与附近主要机场相关的终端空域（B类或C类空域，B类分层下方，或C类veil（Mode C veil，是指目前环绕美国境内所有主要B类机场的一种空域）内）。因此，在UAM飞行期间，MVS最常与终端ATC通信（例如终端雷达进近控制在进行进近或离场控制），而不是航路ATC。
对于受控空域中的常规UAM操作，UAM操作员会为其建立不需要常规ATC语音通信的程序和路线。起飞前获得的完整飞行许可将支持管制员之间的自动切换，并使MVS（多飞行器监督员能够发挥监督作用。在这样的运行概念下，ATC语音通信并不常见，它的发生主要是对飞行路径的策略调整，用来消除与非UAM飞机交通的冲突。
