Threat Management for Missions with Multiple Unmanned Aerial Systems operating in the U-space

Abstract

The number of Unmanned Aircraft Systems (UAS) operating in civil airspace is growing quite fast, mainly due to their recent technological advances and the wide spectrum of current applications for this type of vehicles. However, this increasing number of UAS ying together in a common urban airspace is also a challenge, as they need to be integrated with manned aircraft in a safe and automated manner. There exist initiatives for UAS Trafic Management (UTM) in the Very Low Level (VLL) airspace, i.e., below 150 meter of altitude. In particular, this thesis focuses on the U-space, which is a European ecosystem consisting of a set of new services relying on a high level of digitalisation and automation of functions and specific procedures designed to support safe, eficient and secure access to airspace for large numbers of UAS. This thesis addresses the problem of threat management in missions with multiple UAS operating in the U-space. This means the development of procedures to react to dangerous situations caused by unexpected events or con icts during operation. We analyze the most common types of threats in the U-space and how to select mitigation actions to minimize risks and resolve con icting ight plans. For that, we take three steps. First, we analyze the European regulatory framework and the U-space de nitions, in order to understand better the requirements of methodologies for operation risk assessment and threat management in multi-UAS scenarios. Second, we present a UTM system architecture for U-space services, focusing on the implementation of those related with real-time threat management during operation. Nonetheless, the architecture is modular and exible enough to be extended with more U-space services and functionalities in future implementations. Third, built upon this software architecture, we develop a methodology for autonomous decision-making to handle unexpected events in U-space operations with multiple UAS. The method is capable of handling a list of usual threats in UTM systems, and provide optimal mitigation actions in terms of cost and risk level. Finally, it is important to remark that all the results in the thesis have been validated through a realistic Hardware-In-The-Loop simulation environment and by means of field experiments with actual UAS. Moreover, all the software produced has been published as open source for the UAS community.

El número de sistemas aéreos no tripulados (UAS, en inglés) que operan en el espacio aéreo civil está creciendo de una manera bastante rápida, principalmente debido a los recientes avances tecnológicos y al amplio espectro de aplicaciones actuales de este tipo de vehículos. Sin embargo, este número creciente de UAS que vuelan juntos en un espacio aéreo urbano común es también un reto, ya que deben integrarse con las aeronaves tripuladas de forma segura y automatizada. Existen iniciativas para la gestión del tráfico de UAS (UTM, en inglés) en el espacio aéreo de muy bajo nivel (VLL, en inglés), es decir, por debajo de los 150 metros de altitud. En particular, esta tesis se enmarca en U-space, que es un ecosistema europeo que consiste en un conjunto de nuevos servicios que se basan en un alto nivel de digitalización y automatización de las funciones y procedimientos específicos diseñados para apoyar el acceso seguro, eficiente y protegido al espacio aéreo para un gran número de UAS. Esta tesis aborda el problema de la gestión de amenazas en misiones con múltiples UAS que operan en U-space. Esto significa el desarrollo de procedimientos para reaccionar ante situaciones peligrosas causadas por eventos inesperados o conflictos durante la operación. Analizamos los tipos de amenazas más comunes en U-space y cómo seleccionar las acciones de mitigación para minimizar los riesgos y resolver los planes de vuelo conflictivos. Para ello, damos tres pasos. En primer lugar, analizamos el marco normativo europeo y las definiciones del U-space, con el fin de comprender mejor los requisitos de las metodologías para la evaluación del riesgo de las operaciones y la gestión de las amenazas en escenarios multi-UAS. En segundo lugar, presentamos una arquitectura de sistema UTM para servicios U-space, centrándonos en la implementación de aquellos relacionados con la gestión de amenazas en tiempo real durante la operación. No obstante, la arquitectura es lo suficientemente modular y flexible como para ser ampliada con más servicios y funcionalidades U-space en futuras implementaciones. En tercer lugar, sobre la base de esta arquitectura software, desarrollamos una metodología para la toma de decisiones autónoma para manejar eventos inesperados en operaciones U-space con múltiples UAS. El método es capaz de manejar una lista de amenazas habituales en los sistemas UTM, y proporcionar acciones de mitigación óptimas en términos de coste y nivel de riesgo. Por último, es importante destacar que todos los resultados de la tesis han sido validados mediante un entorno de simulación realista Hardware-In-The-Loop y mediante experimentos de campo con UAS reales. Además, todo el software producido se ha publicado como código abierto para la comunidad de UAS.