基于“5G+ATG”的飛行品質監控平臺的設計

劉少華

（中國民用航空飛行學院綿陽分院 四川綿陽 621000）

近年來，國內5G通信在我國最近一次科技浪潮中占據領先優勢，在未來的一段時間內，其必定作為帶動國內相關產業的重要因素而發揮巨大作用。航空業在配合多方面的政策部署后，也提出了《“十四五”民用航空發展規劃》（以下簡稱“規劃”），中國民用航空局也發布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》（以下簡稱“技術路線圖”）。“技術路線圖”提到了關于我國民航新一代航空寬帶通信技術應用的3 個階段，即近期、中期、遠期，更加明確了民航發展的前景，重點規劃“航空+5G”，致力于推動5G作為新一代通信技術融入并推進航空領域的通信技術的突破，實現機載寬帶通信在全流域的應用。“規劃”所提到的在近期的目標是更好地保障航空安全、高效運行，對全國全行業開展針對空管、航司、機場、低空空域等典型應用場景選取5G應用示范單位，逐步借助移動通信領域5G 設施大帶寬、高可靠、低時延及大規模通信的特點，開始構筑民航全域通信的航空5G平臺，并且廣泛應用于各個細分領域。

近些年來，中國民用航空業取得了進一步的發展，隨著疫情期間的航空培訓業務從國外全部轉向國內，導致國內的培訓量加大，所以飛行任務和訓練量都有所提升，飛行品質的實時監控和警戒重要性日益提升。針對發展的趨勢和訓練量上升的事實，航空飛行訓練的安全性需要通過新技術提升。中國民用航空飛行學院作為全球第一大飛行培訓學院，具有得天獨厚的優勢。將飛行品質監控作為內容、“5G+ATG”作為載體，在更好地提升飛行監控品質的基礎上，建設飛行試點工程，驗證技術可行性的同時，促進5G 向飛行培訓業務賦能。

1 民機空地互聯發展現狀

航空互聯網迄今為止實現有限的空中互聯主要分為兩種使用場景，以及在這兩種使用場景下的多種實現途徑，這兩種使用場景分別為機場場面區域及附近低空實現的互聯互通、飛行航路上的飛機與地面之間的互聯互通。

民航機場移動通信系統（Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS）作為ICAO唯一標準化的基于機場周邊及附近低空使用場景的通信形式［1］，現逐步應用在無線數據傳輸的基本應用場景中，并且逐步開展實驗驗證工作。在國內，該項技術正研究應用于機場場面航空器和車輛駕駛艙滑行引導輔助功能，在未來，有可能作為地面鏈接系統與北斗衛星系統進行技術結合，實現更為廣泛的高精度定位和數據傳輸功能。

飛行航路上的飛機與地面之間的互聯互通作為另一使用場景，主要有兩種通信方式，分別為基于衛星通信的主要聯絡方式和基于ATG地空寬帶通信方式［2］。

基于衛星通信的主要聯絡方式，現階段的通信波段為Ku 波段和Ka 波段，通信總量可以達到50Gbps 以上。但未來，隨著各國外太空空間資源的相互競爭，空間通信資源也將受到影響，其短板主要在于現有的機載設備尚不完善，大規模應用需要安裝Ku、Ka 雙模天線。

ATG地空寬帶通信方式基于地面基站向空中發射無線電信號，形成地空通信鏈路，隨后轉換成為艙內Wi-Fi信號，作為一種相對低成本的通信方式，可以普遍使用。而且，隨著我國5G 技術的發展，中興公司所應用研發的“5G+ATG”通信帶寬將會達到千兆，覆蓋范圍可達300km，上下行峰值速率為50Mbit/s 與800Mbit/s［3］，足以滿足商業運輸航空在陸地及近海沿岸航路上的通信。

目前，用于飛行品質監控的主要手段為QAR，國際上飛行品質監控項目廣泛應用的系統近20種［4］，大多數采錄的手段和介質為MO 光盤、PCMAIC 卡或磁帶，存在時延和繁瑣的操作，并且不能在飛行訓練的同時就飛行過程中產生的數據進行分析和預警。運用現代“5G+ATG”通信技術，可以有效提高數據的時效性，實時傳遞每架飛機的運行數據情況。

2 飛行品質監控需求分析

飛行品質監控作為飛行中的可以監控飛行員操作水平的方式，系統應當具有統計和分析功能，并且這些功能應當實現自動化操作，具體功能如下。

2.1 監控系統應當具備數據預處理功能

飛行品質監控在飛行階段將會收集飛行產生的大量數據，這些數據作為飛行品質監控的原始數據，應當在真實的基礎上，通過濾波、降噪等方式進行預處理。在必要的情況下，還需要將數據格式進行轉換，以適應不同的傳輸介質的使用需求，例如，Garmin1000航電系統的是CSV格式的文件以SD卡的形式存儲，而MA600航電系統則是Proline21，不同飛機的數據格式轉換也是監控系統應當具備的功能［5］。

2.2 監控系統應當對飛行的每個階段自主區分

針對不同的飛行階段，監控系統應當區分不同階段的超限時間，幫助飛行品質監控系統做出超裕度的警戒。

2.3 監控系統應當對事件有自我分級功能

監控系統應當在對超裕度事件發生之后，可以依據當時的環境條件和飛機所處的地面高度等條件，具體區分現在所發生事件的不安全等級，給監控人員提供參考。

2.4 監控系統應提供數據存儲、查閱等基礎功能

監控系統應當具備數據存儲、查閱、傳輸等功能，作為事件后調查的有力手段。

3 “5G+ATG”技術簡介

3.1 主要組成

“5G+ATG”系統包括地面部分和機載部分兩部分設備。地面設備主要由地面基站設備、傳輸設備、MEC（邊緣計算設備）和5GC 組成；機載端包括機載CPE 端機、機載天線、機載服務器和機上Wi-Fi等設備［6］。

3.2 覆蓋面積及系統性能

最大半徑300km，最大支持1200km/h移動性，覆蓋高度最大為13km。組網及覆蓋形態如圖1所示。最大下行帶寬為800Mbit/s（100MHz BW），最大上行帶寬為120Mbit/s（100MHz BW）。

圖1 5G+ATG 基站設計帶寬覆蓋范圍

3.3 面臨主要難題

針對飛行學院所需的航空訓練飛行品質監控所要完成的低空數據鏈通信，需要解決的主要問題有：第一，根據飛行訓練的航路，需要解決基站對空的覆蓋問題，也要考慮航路更改的可能性和基站利用率相匹配的問題；第二，ATG 基站、機載CPE 與外界的相互干擾問題。

3.4 5G專網的分類

組網形式主要分為3種：物理獨享專網、獨享型虛擬專網、共享型虛擬專網。這3 種形式的組網有各自的使用場景。

（1）物理獨享專網：該種專網類型為完全封閉獨有式專網，與5G 公網完全隔離，可以確保飛行過程中的監控獨立自主，外部侵入的風險低，并且適用于小型區域的覆蓋，因成本的原因，也不適用于遠距離地組網。

（2）獨享型虛擬專網：擁有獨立的統一數據管理功能、用戶平面功能、應用層功能，但是與公網使用共同的5G基站單元。該種方法節約了部署和運行的成本，并且可以實現遠距離地組網。

（3）共享型虛擬專網：一切資源均使用公共資源，數據安全性依靠網絡切片技術，相對于物理專項獨立組網的安全性，則有一定缺陷。

4 飛行品質監控主要內容

飛行品質監控（Flight Operation Quality Assurance，FOQA）是行業內最能夠反映飛行過程中飛行員飛行狀態的主要手段［7］，從20世紀90年代以來，就被納入運輸航空的安全管理體系，相比于傳統的人工方式，這種方式不但效率高，而且準確度高。具體優點主要表現在以下方面。

4.1 可以盡早發現安全隱患

飛行參數可以記錄飛機各個系統運行的歷史參數，長時間的參數積累可以在遇到故障時根據以往經驗高效排故。

4.2 可以提高飛行員操縱水平

通過飛行品質監控，可以及時發覺飛行過程中的不足，從而避免事故并且提高駕駛水平。

4.3 完善飛行訓練過程中的技能水平考核標準

將其與書面考核項目結合，將完善飛行員培訓的全方面考核標準。

飛行監控參數包括：計劃的飛行航路、速度、發動機工作狀態、姿態、下降速度、形態、機組準備情況、無線電高度、操縱桿位等。監控的飛行階段主要包括：滑行階段、起飛階段、初始爬升階段、巡航階段、進近階段、著陸階段等。結合超限模型，可以針對飛行階段和飛行的構成要素（飛行員、飛機、環境），建立超限裕度模型，通過數據分析，提供警告和評估標準，健全飛行品質監控體系。

5 飛行品質監控5G專網的部署

綜合考慮關于飛行訓練航路的規劃特點和5G 專網部署的特點，采用5G 物理獨享專網的形式，能夠比較好地兼顧安全性和效率；采取5G獨享型虛擬專網的形式，可以充分地滿足安全和效率的組網需求。這種部署方式下，需要部署專用的統一數據管理UDM、5G通信控制處理機CCP、用戶面功能UPF、邊緣計算網絡MEC，5G基站與公網共享，其中的核心站點（通常是各分院的品質監控中心）部署專用的UDM、5GCCP、UPF、MEC，各雷達或甚高頻臺站部署專用的UPF、MEC，從而實現屬于專網的飛行監控數據流傳送到專網UPF，并通過運營商的共享基站與其他站點互聯，數據保留在機構專網內部，而航管中心的工作人員可以通過航管中心的設備監控飛行數據，也可以通過其他終端來接入核心網實現監控，如圖2所示。

圖2 飛行品質監控網絡示意圖

通過對不同業務的分割和分離，切片技術可以充分利用5G網絡的優勢。現下的5G網絡切片技術主要分為eMBB切片、uRLLC切片、mMTC切片，其中，eMBB利用新型多址大規模MIMO和波束賦形等技術實現高帶寬，mMTC 利用邊緣計算和物聯網可以實現面向傳感器和數據采集為對象的應用場景，uRLLC 切片則利用通過引入更小的時間資源單位和支持異步過程等新技術實現低時延的用戶面應用。

5G 通信技術所擁有的高速率、大容量、低時延可以對應運用于各個類別飛行監控數據［8］，雷達、甚高頻、ADS-B、VoIP 語音等對低時延要求極高的核心業務都可以接入uRLLC 切片網絡。在高可靠度、低時延的特點之下，能夠更有效地利用帶寬，安防監控、視頻通信等業務可以接入eMBB切片，增強移動寬帶業務，可以在現有基礎上提高帶寬，解決大帶寬使用場景下的傳輸問題。運用于飛行品質監控的數據，如飛行速度、飛行姿態、飛行階段、操作桿位、油門數據等需要海量傳輸的數據則可以接入mMTC 切片，該切片時效性雖沒有uRLLC 切片強，但是運用其海量數據傳輸優勢，可以大大提高網絡效率。具體如圖3所示。

圖3 切片功能分布

經過一定時間積累的運行數據可以引入大數據處理的能力，構建成安全運行的裕度模型。此類安全裕度模型可以運用人工神經網絡、模糊數學等方法處理，得到在各種環境的安全裕度模型后，可以將平時監控所得到的歷史數據進行評價。評價方法可以使用主成分分析法、層次分析法、熵權法及這幾種方法的混合使用或其他演化方法。

通過數據可視化技術，可以實現對飛行質量評估的可視化分析［9］；在實現數據可視化的同時，利用三維建模和VR技術，可以實現虛擬現實的高質量數據可視化；再利用MYSQL 數據庫等數據庫技術，可以將歷史數據與場景生成法結合應用，就可以實現全景圖技術與虛擬現實平臺的結合運用。翻查歷史飛行數據的過程中，可以實現全息動態圖，利于在飛行質量評估和如若發生不安全事件后翻查原因。

6 結語

綜上所述，應用5G 通信技術、虛擬現實等高新技術，可以顯著提高通信質量，拓寬信息獲取渠道，在實現信息監控的同時，探索飛行培訓新業態。飛行質量控制的水平和實時監測水平可作為飛行訓練業務的發展短期目標，增加飛行訓練安全裕度，為建設民航強國的目標奠定堅實的基礎。