With the rapid adoption of operational concepts of Unmanned Aerial Systems (UAS) and Urban Air Mobility (UAM), low-altitude urban airspace has garnered greater attention from governments and industries. This low-altitude airspace contains an existing environment of people and surrounding structures that are inevitably exposed to the risks posed by emerging operations. In such environment, particular parts of airspace may not be available for operational use, in order to provide an acceptable level of safety. This thesis proposes a framework to assess available airspace in which vehicles can safely operate in highly urbanized areas, while incorporating the level of protection to infrastructure as well as operational requirements of vehicles. We define and identify free and available airspace by applying two types of geofencing. In Chapter 2, a significant reduction in the amount of available airspace was observed, even with small geofence parameters. It was also found that urban airspace consists of small and large segments connected to each other. In Chapter 3, we introduce a compact and robust data structure, skeletal graphs, to represent the 3D airspace of complicated geometry. Using skeletal graphs, we examine the topological properties of airspace, including horizontal and vertical connectedness of and among the segments. Topological analysis allows to identify airspace segments that are vulnerable to capacity loss when traffic is concentrated. The proposed skeletal structure can be also utilized for constructing air corridors in which traffic information can be stored and updated, as discussed in Chapter 4. The proposed framework not only is capable of evaluating airspace availability in an adaptive and intelligent manner but also can be adopted to identify departure/arrival locations and assess the capacity of urban airspace.
전 세계적으로 UAS (Unmanned Aerial Systems) 및 UAM (Urban Air Mobility)의 운영 개념이 빠르게 채택되면서 도심 공역은 그 어느때 보다 정부와 산업계의 관심을 받고 있습니다. 이 저고도 도심 공역은 사람과 구조물로 구성된 기존 도심환경과 밀접하게 맞닿아있어, UAS 및 UAM 운영으로 인한 리스크에 불가피하게 노출되어 있습니다. 기존 도심환경에 적절한 수준의 안전을 제공하기 위해 가장 먼저 필요한 것은 허용 가능한 위험 수준 내에서 비행체가 이동할 수 있는 공간을 식별하는 것입니다. 본 논문의 목표는 공역 수용량을 정의, 식별 및 평가하기위한 프레임 워크를 제안하는 것이고, 이에 있어 비행체 운영 요구 수준 뿐만 아니라 인프라에 대한 보호 수준을 적용합니다. 제 2 장은 운용가능 공역을 두 가지 유형의 지오 펜싱을 고려하여 정의하고 식별합니다. 제 3 장에서는 기하 및 위상 골격화를 통해 도심 공역의 위상학적 특징을 압축된 방식으로 효과적으로 표현할 수 있는 데이터 구조를 소개합니다. 해당 데이터 구조를 활용하여 공역의 연결 형태와 같은 위상학적 공간 특성을 분석하고, 교통량이 집중 될 때 수용량이 급격하게 떨어지는 공역 세그먼트를 식별합니다. 제안된 데이터 구조는 경로탐색에 활용될 수 있으며, 이는 제 4 장에 서술되어 있습니다. 본 도심 공역 평가 프레임워크는 UAS 및 UAM 운영을 위한 출도착 위치 설계 및 공역 용량 분석에 활용될 수 있습니다.
