民航飛聯網智慧運行關鍵技術及典型應用

王興隆 王友杰

中國民航大學民航飛聯網重點實驗室 天津 300300

引言

當前，新一代通信和信息技術疊加倍增效應凸顯，正在加快向各個行業滲透。大數據、人工智能、5G等新技術應用改變了人類交通需求及出行模式，如網約車、自動駕駛等。黨中央、國務院提出了“人享其行、物暢其流”的美好遠景。國內外已開始了飛聯網相關技術研究，2021年，Khan MA提出了一種高效安全的飛聯網訪問控制與密鑰協議方案[1]；同年，Jun Zhang分析了航空移動通信中窄帶至寬帶的演進，并提出了基于空天地一體化網絡理念的新一代航空寬帶通信系統的概念[2]。2022年，殷時軍對智慧民用航空運輸系統的內涵和特征進行分析，建立了智慧民用航空運輸系統的總體架構[3]。與此同時，我國低空經濟正處于高速發展的階段，2022年中國無人機約95.8萬架，民用無人機市場規模已達443.58億元，預計到2027年我國工業無人機行業市場規模將達到3 138億元[4-5]。美國國家航空航天局(NASA)[6]、優步(Uber)[7]、空客(Airbus)[8]、億航[9]等都對城市空中交通(UAM)概念進行不同程度的探討。一方面，物流公司如京東、順豐、迅蟻等已經實現了部分區域的“最后一公里”的無人機配送；另一方面，億航、空客、谷歌等公司紛紛投入可載人的電動垂直起降飛行器的研究[10]，2022年2月22日，中國民航局正式發布《億航EH216-S適航審定專用條件》[11]。據摩根士丹利預測，至2040年，eVTOL的市場規模將達到一萬億美元[12]。

針對未來大量航空器同時飛行，包括有人機、成千上萬的無人機和eVTOL，現有系統通信聯網方式、管制指揮模式和安全監管機制等方面已不能滿足需求，研究提出民航飛聯網(簡稱“飛聯網”)，以自主間隔、寬帶互聯、全息感知、通信安全技術為核心，實現航空器與空域、服務設施系統、人員等全要素的寬帶互聯互通，賦能先進航電系統、航空信息服務、空域資源治理、綜合交通協同的新業態，應用于人類便捷出行、交通智能管理、航空器精準管控、場面高效協同和數據驅動監管為服務等場景，是eVTOL在低空安全、高效飛行的重要基礎保障。

本文分析了民航業發展面臨的問題，對飛聯網的概念與體系架構進行剖析，重點討論飛聯網運行的關鍵技術，明確飛聯網在民航中的應用領域和服務對象，并以eVTOL低空運行為場景，探討飛聯網在eVTOL運行中的應用。

1 問題與挑戰

當前民航業不安全事件多發，空域利用率較低，通信頻率、帶寬不足，保障架次、航班正常性、延誤時間等系統性能接近極限，民航可持續、高安全、高效率發展面臨挑戰。飛聯網技術是突破發展瓶頸的重要支撐，依托數智自主間隔技術、5G通信技術和全息感知技術等，可驅動民航運行模式的變革，低空經濟的發展同樣依賴于這些高新技術在低空空域的結合。因此，民航飛聯網的建設也必將促進低空經濟的可持續發展。當前民航業的發展存在著以下四點挑戰。

1)多主體隔離運行導致空域資源利用率低。根據ICAO等機構預測，在2050年之前空中交通流量將保持每10～15年翻一番的增長勢頭。當前運行模式下有人機/無人機、eVTOL隔離運行，導致空域利用率較低，若沿襲當前模式，未來城市低空空域會擁堵不堪，將會極大限制低空經濟的發展，亟需新的技術手段與運行模式。

2)全空域互聯仍未實現。2019年，全國6.6億人次累計不能上網時間約1 200萬小時，未能人享其行，無法滿足乘客空中網上沖浪的需求，且低空通信監視仍有覆蓋盲區，需要相關技術以提高eVTOL等航空器飛行的安全性。

3)空中飛行模式已不能滿足安全與可持續發展需求。當前空中飛行不安全事件多發，態勢感知不精準、效率低，無法完成飛行環境精準感知或者航班實時信息交互與精準放行，大量eVTOL、無人機等低空運行時，如果不能對航空器運行環境及周邊其他活動目標進行全面、透徹感知和評估，會影響eVTOL等航空器的運行安全。

4)通信、電磁和數據安全需要保障。飛聯網中的通信、電磁和數據安全問題也是一項重要挑戰。飛聯網引入了新的數據源、通信鏈路和機載航電設備，這帶來新的數據風險和電磁風險。需要保護乘客乘坐eVTOL等航空器時的數據安全，防止數據泄露，以免對乘客信息安全造成威脅。

2 飛聯網體系架構

縱觀民航運輸系統發展歷史，經歷了防迷航、防相撞、防擁堵三個階段，對應的聯網方式分別為點對點、星型和網狀型，支撐了目視、程序和雷達管制模式的實施。未來新一代航空寬帶通信技術下民航全域聯網自主運行，強智慧、高質效是其主要目標。以飛聯網為代表，形成空天地全連通的網絡結構，將是未來主要的發展方向。

飛聯網的體系架構如圖1 所示。在高空層面由通信衛星、北斗衛星等組成，為航空器提供全球覆蓋的通信導航監視資源；中低空層面由民航運輸航班、通航航班、eVTOL等組成，通過航空器之間互聯互通與通信中繼，實現自主間隔保持與運行狀態全息感知；在地面由5G基站、5G ATG基站、服務平臺組成，其中5G基站、5G ATG、地基系統等為飛聯網提供飛行控制管理、通信導航監視服務，相關服務平臺包括5G網聯無人機云平臺、飛聯網服務平臺、天地網云平臺等保障了飛聯網提供管控飛行、運行監測、機群調度、安全監管等能力。

圖1 飛聯網體系架示意圖

3 飛聯網運行關鍵技術

3.1 數智自主間隔技術

飛聯網的飛行間隔技術正從靜態的、固定的、雷達間隔向動態尾流間隔發展，將在基于激光雷達的尾流探測反演、動態間隔標準擬定與安全評估等技術的支持下最終演進至數智自主間隔。根據ICAO、IATA和ACI等機構預測，在2050年之前空中交通流量將保持每10～15年翻一番的增長勢頭。如果沿襲當前的技術手段與運行模式，未來空中交通的擁堵程度將不堪設想。以“數智間隔”為主線，構建安全穩、效率高、智慧強、協同好的現代空中交通管理系統，是破解空域瓶頸限制、支撐民航高質量發展的金鑰匙。空中交通數智間隔整體運行流程如圖2所示。

圖2 空中交通數智間隔運行示意圖

數智間隔技術簇主要包括動態尾流間隔、數智管制員、自主間隔運行等核心技術。

3.1.1 管制間隔新標準——動態尾流間隔

碰撞間隔和尾流間隔是空管安全的兩大屏障。近年來，隨著技術的發展以及RVSM的實施，水平間隔和垂直間隔都得到大幅縮小。而現行尾流間隔形成于20世紀60年代末，一直變化較小，已逐步凸顯為空域容量的限制瓶頸。

2019年，中國民航局發布了中國民航航空器尾流重新分類方法與間隔標準(RECAT-CN)，在廣州白云機場、深圳寶安機場開展的RECAT-CN管制實驗運行中，空客A350、波音787等中型飛機前后機尾流間隔從7.4公里縮減到5.6公里。

未來將研究解決氣象要素演變態勢的全息感知、飛機尾流危害包絡的時空推演、基于激光雷達的尾流探測反演、動態間隔標準擬定與安全評估等關鍵技術，以進一步實現對尾流間隔的靜態優化與動態縮減。

3.1.2 間隔調配新手段——數智管制員

在管制意圖的實現方式上，國內外目前主要采用“以扇區為單元”“以人為中心”“以語音為手段”的間隔調配模式。隨著空中交通規模不斷擴大、復雜度不斷提升，從調沖突到管航跡的轉變迫在眉睫。

基于航跡的運行(TBO)應運而生。TBO打破了現有分時、分段、分頭管理模式，實現空中交通從“扇區”到“全域”、從“戰術”到“戰略”、從“管制”到“管理”、從微觀防相撞到宏觀態勢掌控的根本性轉變。2019年3月底，中國民航在天津與廣州之間成功完成了中國和亞太地區的首次初始四維航跡(i-4D)演示驗證，實現了飛行中該架空客A320neo飛機的飛行軌跡全程與地面保持同步。

3.1.3 空地協同新模式——自主間隔運行

現行的管制間隔空地協同鏈路包括獲取飛機位置、推算飛行趨勢、擬定管制指令、語音交互意圖、飛行員操作、飛機響應等環節。受限于人的經驗和技能、相對低下的空地信息交互能力，致使存在一定的延時和不確定性，不得不通過加大安全裕度來確保飛行安全。

為縮短管制間隔的空地協同鏈路，FAA和Euro-Control在上世紀90年代開始推行“目視間隔與目視進近”，中國民航局空管局從2008年開始在大型機場推行此技術。但在雙目運行中，空中交通整體運行態勢依賴于飛行員的經驗、技能和偏好，總體比較脆弱。2017年5月，中國民航局組織實施了中國民航首次基于ADS-B IN技術的目視間隔進近(VSA)演示飛行，取得圓滿成功。未來通過推進機載ADS-B IN技術應用實施，增強駕駛艙態勢顯示能力，提升目視間隔運行效果，優化飛機進近著陸的間隔管理，實現航空器自主間隔保持運行。

3.2 空地寬帶互聯技術

空地寬帶互聯技術是民航飛聯網應用的基石，當前通信方式正在從窄帶向寬帶演進，飛聯網將依托新一代寬帶通信技術，由航空器之間、航空器與地面網狀形的窄帶數據鏈發展至航空器自組網、航空器與地面全連通的寬帶數據鏈。民航飛聯網寬帶互聯的主要應用包括：以安全運行為核心的機載數據空地互聯、以智慧協同為核心的運行數據泛在互聯和以乘客體驗為核心的服務數據高速互聯。當前，民航飛聯網寬帶互聯的技術方案主要有三種，一種是5G網聯蜂窩通信，一種是5G ATG寬帶通信，另一種是高通量衛星通信，兩者互補構成飛聯網的主要網聯通信方式。空地寬帶互聯技術及應用如圖3所示。

圖3 空地寬帶互聯技術及應用

3.2.1 5G網聯蜂窩通信技術

5G具備大帶寬、高可靠、低時延、廣覆蓋、大連接等特性，結合網絡切片、邊緣計算等技術，可以更好地支撐5G網聯無人機應用，使能5G網聯低空通信。

5G無線網絡傳輸速率峰值是4G的30倍，在空口時延方面可達到1ms，能廣泛應用于時延敏感網絡。5G網聯無人機采用5G移動通信蜂窩網絡替代傳統無人機自建通信和控制鏈路，通過平臺超視距遠程飛行控制，實現數據實時采集，實時回傳，實時分析，用于各行各業。5G網聯無人機網絡架構主要包括機載終端、低空網絡、5G網聯無人機云平臺三部分。

3.2.2 5G ATG寬帶通信技術

ATG技術緣起于3G技術，先期在美國得到了商業應用，之后在4G ATG階段主要以商業實驗為主，包括美國和澳洲的商用實驗以及歐洲航空網絡(EAN)。隨著5G建設展開，目前歐美的4G ATG運營商考慮向5G ATG升級演進，國內電信運營商希望利用5G+相控陣天線技術，實現天地同頻部署。ATG服務使用地面信號塔與飛機通信，其主要優勢在于它可以以較低的價格提供通信服務，并且需要的設備較輕。整個系統分為機載端、地面網和云平臺。

3.2.3 高通量衛星通信技術

高通量衛星網絡能夠滿足商業航班的實時數據傳輸，支撐豐富的航空互聯網信息服務應用，為航空業的數字化轉型賦能。基于前后艙融合的高通量衛星通信網絡系統可支持前艙飛行數據和后艙乘客上網應用數據的協同傳輸，該系統由綜合信息服務平臺、高通量衛星通信網絡、Ka機載衛星終端、后艙Wi-Fi系統以及前艙傳輸設備組成。

總體而言，ATG技術發展較早，并且通信價格較低、所需設備較輕，但是無法滿足跨洋航班需求。高能量衛星通信帶寬能力更強、通信覆蓋范圍更廣，但是建設成本較高，機載設備較重。如何將5G ATG技術與高能量衛星通信技術有效融合，實現兩種方案的優勢互補協同工作，將是未來飛聯網發展的關鍵技術之一。

3.3 全息感知技術

飛聯網的感知技術正在由獨立感知向全息感知轉變，將城市精細化空域氣象信息和通信導航監視(CNS)等融合，對航空器自身、航空運行環境及周邊其他活動目標進行全面、透徹感知和評估，實現多源觀測、綜合感知。全息感知技術融合先進航電技術、星網技術、5G ATG通信及定位、通感算一體化等賦能技術，面向航空器運行全過程態勢實時精準感知，具備多模態信息融合功能，可實現航空器運行過程中信息的全息獲取、多維感知、協同互用等功能，進而使航空器信息流具備智能實時交互與處理及廣域智能協作的能力，運行概念如圖4所示。

圖4 飛聯網全息感知技術運行概念圖

飛聯網全息感知技術可有效解決空中交通運行中航空器形態多樣、周邊環境威脅多變、態勢感知方法持續升級壓力大、多應用場景態勢感知信息需求等問題，主要涵蓋航空空域環境全要素感知技術、航空器周邊活動目標感知技術、航空器狀態透徹感知與評估技術、機載星空地集成通感算一體化云匣子技術。

3.3.1 航空空域環境全要素感知技術

依托飛聯網構建集氣象、通信、導航及監視的航空空域環境全要素感知技術，為航空器運行提供持續更新的空域空間動態信息，通過飛聯網傳感器探測網絡對空域運行要素進行態勢表征，提升航空器所處環境中的態勢感知能力。航空空域環境全要素感知技術主要包括兩部分：綜合氣象信息感知以及空域CNS屬性感知。

3.3.2 航空器周邊活動目標感知技術

依托北斗、5G/6G、人工智能、天地網等自主可控賦能技術，重點解決空域運行中的民用航空器、機場飛行區車輛、航空從業人員、飛行區無動力設備、其他非合作航空器等活動目標的實時精準感知問題。主要包括多元活動目標感知技術和多源監視數據融合技術。

3.3.3 航空器狀態透徹感知與評估技術

針對飛聯網運行場景需求多樣，遭遇環境復雜多變，航空器狀態和數據可靠性易發生改變等問題，通過航空器狀態全息感知、航空器狀態數據質量評估以及航空器健康監測評估預警等技術研究，構建航空器透徹狀態感知與評估模型。

3.3.4 機載星空地集成通感算一體化云匣子技術

面向當前航空器跨域、多場景持續安全運行及事故快速調查的需求，賦能面向業務邏輯的機載星空地集成通感算一體化關鍵技術、低軌道衛星以及機載通信感知應用體制。主要有星空地網關鍵數據感知及融合技術、機載星空地多模網絡路由與安全傳輸技術和機載星空地集成通聯小型化與存儲技術。

3.4 通信安全技術

飛聯網通信包括移動通信網絡、計算機通信網絡、衛星通信網絡、無人機通信網絡等，是涉及民航行業安全的通信新技術應用。飛聯網通信安全技術可以構建可靠的飛聯網系統安全接入架構，以便各飛聯網設備之間可以高效可靠地確立信任、識別敵我，實現接入的安全性。未來將著眼于安全接入認證技術，從高可靠資源動態接入算法和輕量化多方快速認證兩個方面設計開放飛聯網系統環境下的安全接入策略，提高計算能力與抗干擾性，有效保障通信安全。

3.4.1 高可靠資源動態接入算法

飛聯網設備之間主要通過無線信道訪問資源，如此開放式的接入模式對于飛聯網系統的攻擊將直接影響各民航網絡信息系統的穩定運行；同時飛聯網系統使用的無線信道面臨著來自多方的復雜多變的安全攻擊，如虛假感知信息攻擊、控制信道惡意攻擊等，嚴重影響資源接入的效能。針對飛聯網系統規模大、動態交互復雜等特性，研究平均場博弈的高可靠資源動態接入算法，實現大量個體在一個開放環境中選擇最優資源接入決策的博弈，確保所有通信設備公平性的同時，資源安全可靠地接入。

3.4.2 輕量化多方快速認證

針對惡意節點接入飛聯網系統，以及“偽基站”接收節點欺騙等問題，飛聯網系統需要進行多方認證，以保證系統的安全可靠。考慮到飛聯網系統計算資源受限的特點，研究基于流密碼加密的輕量化方案，在沒有高額計算量和通信開銷的情況下，對待接入的設備進行身份認證，保護飛聯網系統的接入安全；并研究隨機標簽的飛聯網接入設備安全認證模型，通過不可逆的哈希對應地產生難以破譯的標簽，實現飛聯網系統的快速可靠驗證。

4 飛聯網在eVTOL中的應用

飛聯網在空中飛行安全、數字化空域融合運行模式、智能交通管理以及空中接入互聯網等多方面都可以得到應用。航空器智能化、空天寬帶互聯、運行新模式是其關鍵要素。本節聚焦未來城市低空載具——電動垂直起降飛行器eVTOL，對飛聯網在eVTOL運行中的應用進行分析。

eVTOL是一種采用電力驅動航空器，可以實現垂直起降、分布式推進、空中懸停等特點，并且相較于直升機，eVTOL有著綠色能源、結構簡單、噪聲污染小和全自動飛行等優點[13-15]。未來eVTOL將會逐步由貨運走向客運，由結構化空域運行走向自由飛行，預計將在2030年開展無人駕駛客運eVTOL建設[16]。客運方面，其運輸模式主要有三種：1)具有公共交通性質，服務于通勤人員等按照一定規律人口流動的定期班車大巴；2)由平臺統一管理運營，按需響應(On-Demand)，類似嘀嘀打車的空中出租(Air Taxi)；3)所有權屬于個人，可在城市空中自由飛行[10,17]。目前，國內的eVTOL制造企業億航所設計的運行模式是結合前兩種，但更接近城市公共交通的模式，所有的eVTOL都將登記注冊并由平臺統一運營，eVTOL只可以在固定的起降點起降，乘客可以通過APP等方式預約乘坐時間并選擇起降點[9]。

飛聯網可以全面應用到eVTOL的運行模式，在飛聯網體系的支撐下，eVTOL將依托天空地一體化通信技術與飛聯網的通信感知計算技術，高效安全地獲取飛行路線的導航數據、氣象信息，同時將飛行數據實時傳輸給地面，完成與其他航空器、地面控制中心等進行互聯互通，進而實現eVTOL的透明飛、無感聯、智運行、安全網。接下來以億航設計的運行模式為例，對乘客便捷出行、飛行精準管控、交通智能管理和安全監管與告警這四個主要服務應用場景進行分析。

4.1 乘客便捷出行

服務乘客智慧出行，不同于地面打車出行，eVTOL由電池提供動力，每一次出行前都應確保航空器具有所需的能量及良好的狀態。eVTOL的能源情況、機身狀態、所處位置等都將通過航空器狀態透徹感知與評估技術進行感知評估，并通過空地寬帶互聯技術實時集中到后臺指揮調度中心，當乘客在相關交互軟件上在線下單選擇目的地后，迅速分配適合的eVTOL。

在飛行途中，借助飛聯網技術，融合5G ATG寬帶技術和高通量衛星通信技術，打通航空器與互聯網之間的聯系，營造高速率、低時延、低成本的空中上網體驗，乘客可以在飛行過程中進行影音娛樂、電子商務、遠程辦公、在線學習、醫療問診等各類業務。

在出行前后的延伸服務主要將定位與支付相結合，通過飛聯網技術整合現有網絡資源，可進一步實現eVTOL與高鐵、飛機之間的聯運，使乘客出行更加方便快捷。

4.2 飛行精準管控

為保障空中飛行安全，由平臺統一調度的運行模式需要更高的對全空域水平的態勢感知能力。通過飛聯網傳感器探測網絡對空域運行要素進行態勢表征，掌握城市低空空域精細化氣象信息、航路的尾流信息。當乘客選定目的地后，如有天氣等因素導致無法正常行駛，可以及時通知乘客相關信息，并給出預計達到目的地時間。

當eVTOL運行時周圍出現其它非網聯的航空器，如正在作業的通航飛機、熱氣球等，依托北斗差分增強和5G定位與通信等自主可控技術，融合航管雷達、場面監視雷達、ADS-B、多點定位、基于GPS/北斗差分增強定位等監視數據，可以加強eVTOL運行時周邊活動目標感知的精度以及可靠性，保障eVTOL運行時的安全。

4.3 交通智能管理

對eVTOL運行需求，圍繞行程全過程，構建全鏈條智能化管理。億航制造的EH216-S型eVTOL采用無人自動駕駛技術，多架eVTOL航空器同時按照預定的航線進行安全準確的無人駕駛。這需要采用基于航跡的運行(TBO)技術，掌控空域宏觀態勢、全空域流量信息，進而實現空中實際運行軌跡與模擬軌跡完全一致。

當空域中eVTOL數量較多、密度較大時，為提高空域利用率，要求有更加合理的安全間隔。采用基于時間的尾流間隔(TBS)、動態尾流間隔(DWS)等技術可以有效縮減尾流間隔，減少不必要的間隔余量，提升空中交通運行效率。在飛聯網技術支撐下，eVTOL航空器運行可以實現全階段數字化管制、安全自主運行。

4.4 安全監管與告警

建立基于數字孿生的飛聯網體系仿真試驗平臺，采用基于數據—模型雙驅動的航空運行風險場景推演仿真技術，進行重大隱患識別、重大風險研判。圍繞安全監管全鏈條，從安全、效率、協同和綠色等角度，開展空中eVTOL全流程運行態勢實時監控和演變趨勢準確預判，同時對不安全事件、運行數據深度挖掘，支撐監管精準化。

當空中飛行的eVTOL出現故障時，通過5G網絡全空域告警，eVTOL之間能夠彼此感知位置及意圖，及時發現和通報運行偏差和危險信息，始終保持航空器之間、航空器與空域邊界、航空器與地面障礙物之間的安全間隔。通過集成現有廣播式自動相關監視接收(ADS-B IN)、空中防撞系統(TCAS)，與自主運行智能駕駛系統一起構建空中防護網。

5 結語

本文探討了飛聯網發展的主要問題，對飛聯網的基本架構進行介紹，并討論飛聯網的四個核心技術：自主間隔、寬帶互聯、全息感知、通信安全技術，對相關技術進行了簡要的解釋；接著針對飛聯網的典型應用場景，以未來城市空中交通工具eVTOL為例，對飛聯網在eVTOL運行過程中的應用進行描述，包括乘客便捷出行、飛行精準管控、交通智能管理和安全監管與告警。未來將通過研究體系安全，建立由自主體、類腦體和通信體組成主動安全網；通過研究新一代航空寬帶通信技術，實現航班、各個保障主體、旅客之間的泛在無感聯；通過研究縮減間隔和網聯運行，實現精準透明飛。

飛聯網將朝著自動化、智能化、高效化和可持續化的方向發展，在低空經濟領域，飛聯網可以為物流配送提供創新的解決方案，如使用eVTOL進行貨物配送；可以應用于城市交通領域，例如使用eVTOL開展商業飛行出租車業務；可以為旅游業和娛樂業提供新的體驗和服務，如乘坐eVTOL空中參觀游覽、進行空中表演等。飛聯網將廣泛應用于物流配送、城市交通、旅游和娛樂等領域，為人們的生活和工作帶來更多便利和創新。