劉少華

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院綿陽分院 四川綿陽 621000）

近年來，國(guó)內(nèi)5G通信在我國(guó)最近一次科技浪潮中占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，其必定作為帶動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重要因素而發(fā)揮巨大作用。航空業(yè)在配合多方面的政策部署后，也提出了《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)劃”），中國(guó)民用航空局也發(fā)布了《中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》（以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)路線圖”）?！凹夹g(shù)路線圖”提到了關(guān)于我國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)應(yīng)用的3 個(gè)階段，即近期、中期、遠(yuǎn)期，更加明確了民航發(fā)展的前景，重點(diǎn)規(guī)劃“航空+5G”，致力于推動(dòng)5G作為新一代通信技術(shù)融入并推進(jìn)航空領(lǐng)域的通信技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)機(jī)載寬帶通信在全流域的應(yīng)用?！耙?guī)劃”所提到的在近期的目標(biāo)是更好地保障航空安全、高效運(yùn)行，對(duì)全國(guó)全行業(yè)開展針對(duì)空管、航司、機(jī)場(chǎng)、低空空域等典型應(yīng)用場(chǎng)景選取5G應(yīng)用示范單位，逐步借助移動(dòng)通信領(lǐng)域5G 設(shè)施大帶寬、高可靠、低時(shí)延及大規(guī)模通信的特點(diǎn)，開始構(gòu)筑民航全域通信的航空5G平臺(tái)，并且廣泛應(yīng)用于各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。

近些年來，中國(guó)民用航空業(yè)取得了進(jìn)一步的發(fā)展，隨著疫情期間的航空培訓(xùn)業(yè)務(wù)從國(guó)外全部轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的培訓(xùn)量加大，所以飛行任務(wù)和訓(xùn)練量都有所提升，飛行品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和警戒重要性日益提升。針對(duì)發(fā)展的趨勢(shì)和訓(xùn)練量上升的事實(shí)，航空飛行訓(xùn)練的安全性需要通過新技術(shù)提升。中國(guó)民用航空飛行學(xué)院作為全球第一大飛行培訓(xùn)學(xué)院，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。將飛行品質(zhì)監(jiān)控作為內(nèi)容、“5G+ATG”作為載體，在更好地提升飛行監(jiān)控品質(zhì)的基礎(chǔ)上，建設(shè)飛行試點(diǎn)工程，驗(yàn)證技術(shù)可行性的同時(shí)，促進(jìn)5G 向飛行培訓(xùn)業(yè)務(wù)賦能。

1 民機(jī)空地互聯(lián)發(fā)展現(xiàn)狀

航空互聯(lián)網(wǎng)迄今為止實(shí)現(xiàn)有限的空中互聯(lián)主要分為兩種使用場(chǎng)景，以及在這兩種使用場(chǎng)景下的多種實(shí)現(xiàn)途徑，這兩種使用場(chǎng)景分別為機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面區(qū)域及附近低空實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)互通、飛行航路上的飛機(jī)與地面之間的互聯(lián)互通。

民航機(jī)場(chǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)（Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS）作為ICAO唯一標(biāo)準(zhǔn)化的基于機(jī)場(chǎng)周邊及附近低空使用場(chǎng)景的通信形式［1］，現(xiàn)逐步應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緫?yīng)用場(chǎng)景中，并且逐步開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。在國(guó)內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)正研究應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面航空器和車輛駕駛艙滑行引導(dǎo)輔助功能，在未來，有可能作為地面鏈接系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更為廣泛的高精度定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。

飛行航路上的飛機(jī)與地面之間的互聯(lián)互通作為另一使用場(chǎng)景，主要有兩種通信方式，分別為基于衛(wèi)星通信的主要聯(lián)絡(luò)方式和基于ATG地空寬帶通信方式［2］。

基于衛(wèi)星通信的主要聯(lián)絡(luò)方式，現(xiàn)階段的通信波段為Ku 波段和Ka 波段，通信總量可以達(dá)到50Gbps 以上。但未來，隨著各國(guó)外太空空間資源的相互競(jìng)爭(zhēng)，空間通信資源也將受到影響，其短板主要在于現(xiàn)有的機(jī)載設(shè)備尚不完善，大規(guī)模應(yīng)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(fā)射無線電信號(hào)，形成地空通信鏈路，隨后轉(zhuǎn)換成為艙內(nèi)Wi-Fi信號(hào)，作為一種相對(duì)低成本的通信方式，可以普遍使用。而且，隨著我國(guó)5G 技術(shù)的發(fā)展，中興公司所應(yīng)用研發(fā)的“5G+ATG”通信帶寬將會(huì)達(dá)到千兆，覆蓋范圍可達(dá)300km，上下行峰值速率為50Mbit/s 與800Mbit/s［3］，足以滿足商業(yè)運(yùn)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(zhì)監(jiān)控的主要手段為QAR，國(guó)際上飛行品質(zhì)監(jiān)控項(xiàng)目廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)近20種［4］，大多數(shù)采錄的手段和介質(zhì)為MO 光盤、PCMAIC 卡或磁帶，存在時(shí)延和繁瑣的操作，并且不能在飛行訓(xùn)練的同時(shí)就飛行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警。運(yùn)用現(xiàn)代“5G+ATG”通信技術(shù)，可以有效提高數(shù)據(jù)的時(shí)效性，實(shí)時(shí)傳遞每架飛機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)情況。

2 飛行品質(zhì)監(jiān)控需求分析

飛行品質(zhì)監(jiān)控作為飛行中的可以監(jiān)控飛行員操作水平的方式，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有統(tǒng)計(jì)和分析功能，并且這些功能應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，具體功能如下。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)預(yù)處理功能

飛行品質(zhì)監(jiān)控在飛行階段將會(huì)收集飛行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為飛行品質(zhì)監(jiān)控的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)在真實(shí)的基礎(chǔ)上，通過濾波、降噪等方式進(jìn)行預(yù)處理。在必要的情況下，還需要將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的傳輸介質(zhì)的使用需求，例如，Garmin1000航電系統(tǒng)的是CSV格式的文件以SD卡的形式存儲(chǔ)，而MA600航電系統(tǒng)則是Proline21，不同飛機(jī)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換也是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備的功能［5］。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)飛行的每個(gè)階段自主區(qū)分

針對(duì)不同的飛行階段，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)區(qū)分不同階段的超限時(shí)間，幫助飛行品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)做出超裕度的警戒。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)事件有自我分級(jí)功能

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在對(duì)超裕度事件發(fā)生之后，可以依據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件和飛機(jī)所處的地面高度等條件，具體區(qū)分現(xiàn)在所發(fā)生事件的不安全等級(jí)，給監(jiān)控人員提供參考。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查閱等基礎(chǔ)功能

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查閱、傳輸?shù)裙δ?，作為事件后調(diào)查的有力手段。

3 “5G+ATG”技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 主要組成

“5G+ATG”系統(tǒng)包括地面部分和機(jī)載部分兩部分設(shè)備。地面設(shè)備主要由地面基站設(shè)備、傳輸設(shè)備、MEC（邊緣計(jì)算設(shè)備）和5GC 組成；機(jī)載端包括機(jī)載CPE 端機(jī)、機(jī)載天線、機(jī)載服務(wù)器和機(jī)上Wi-Fi等設(shè)備［6］。

3.2 覆蓋面積及系統(tǒng)性能

最大半徑300km，最大支持1200km/h移動(dòng)性，覆蓋高度最大為13km。組網(wǎng)及覆蓋形態(tài)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(shè)計(jì)帶寬覆蓋范圍

3.3 面臨主要難題

針對(duì)飛行學(xué)院所需的航空訓(xùn)練飛行品質(zhì)監(jiān)控所要完成的低空數(shù)據(jù)鏈通信，需要解決的主要問題有：第一，根據(jù)飛行訓(xùn)練的航路，需要解決基站對(duì)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(jī)載CPE 與外界的相互干擾問題。

3.4 5G專網(wǎng)的分類

組網(wǎng)形式主要分為3種：物理獨(dú)享專網(wǎng)、獨(dú)享型虛擬專網(wǎng)、共享型虛擬專網(wǎng)。這3 種形式的組網(wǎng)有各自的使用場(chǎng)景。

（1）物理獨(dú)享專網(wǎng)：該種專網(wǎng)類型為完全封閉獨(dú)有式專網(wǎng)，與5G 公網(wǎng)完全隔離，可以確保飛行過程中的監(jiān)控獨(dú)立自主，外部侵入的風(fēng)險(xiǎn)低，并且適用于小型區(qū)域的覆蓋，因成本的原因，也不適用于遠(yuǎn)距離地組網(wǎng)。

（2）獨(dú)享型虛擬專網(wǎng)：擁有獨(dú)立的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能、用戶平面功能、應(yīng)用層功能，但是與公網(wǎng)使用共同的5G基站單元。該種方法節(jié)約了部署和運(yùn)行的成本，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地組網(wǎng)。

（3）共享型虛擬專網(wǎng)：一切資源均使用公共資源，數(shù)據(jù)安全性依靠網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，相對(duì)于物理專項(xiàng)獨(dú)立組網(wǎng)的安全性，則有一定缺陷。

4 飛行品質(zhì)監(jiān)控主要內(nèi)容

飛行品質(zhì)監(jiān)控（Flight Operation Quality Assurance，F(xiàn)OQA）是行業(yè)內(nèi)最能夠反映飛行過程中飛行員飛行狀態(tài)的主要手段［7］，從20世紀(jì)90年代以來，就被納入運(yùn)輸航空的安全管理體系，相比于傳統(tǒng)的人工方式，這種方式不但效率高，而且準(zhǔn)確度高。具體優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面。

4.1 可以盡早發(fā)現(xiàn)安全隱患

飛行參數(shù)可以記錄飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史參數(shù)，長(zhǎng)時(shí)間的參數(shù)積累可以在遇到故障時(shí)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)高效排故。

4.2 可以提高飛行員操縱水平

通過飛行品質(zhì)監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)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(xùn)練過程中的技能水平考核標(biāo)準(zhǔn)

將其與書面考核項(xiàng)目結(jié)合，將完善飛行員培訓(xùn)的全方面考核標(biāo)準(zhǔn)。

飛行監(jiān)控參數(shù)包括：計(jì)劃的飛行航路、速度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、姿態(tài)、下降速度、形態(tài)、機(jī)組準(zhǔn)備情況、無線電高度、操縱桿位等。監(jiān)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(jìn)近階段、著陸階段等。結(jié)合超限模型，可以針對(duì)飛行階段和飛行的構(gòu)成要素（飛行員、飛機(jī)、環(huán)境），建立超限裕度模型，通過數(shù)據(jù)分析，提供警告和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，健全飛行品質(zhì)監(jiān)控體系。

5 飛行品質(zhì)監(jiān)控5G專網(wǎng)的部署

綜合考慮關(guān)于飛行訓(xùn)練航路的規(guī)劃特點(diǎn)和5G 專網(wǎng)部署的特點(diǎn)，采用5G 物理獨(dú)享專網(wǎng)的形式，能夠比較好地兼顧安全性和效率；采取5G獨(dú)享型虛擬專網(wǎng)的形式，可以充分地滿足安全和效率的組網(wǎng)需求。這種部署方式下，需要部署專用的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理UDM、5G通信控制處理機(jī)CCP、用戶面功能UPF、邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)MEC，5G基站與公網(wǎng)共享，其中的核心站點(diǎn)（通常是各分院的品質(zhì)監(jiān)控中心）部署專用的UDM、5GCCP、UPF、MEC，各雷達(dá)或甚高頻臺(tái)站部署專用的UPF、MEC，從而實(shí)現(xiàn)屬于專網(wǎng)的飛行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流傳送到專網(wǎng)UPF，并通過運(yùn)營(yíng)商的共享基站與其他站點(diǎn)互聯(lián)，數(shù)據(jù)保留在機(jī)構(gòu)專網(wǎng)內(nèi)部，而航管中心的工作人員可以通過航管中心的設(shè)備監(jiān)控飛行數(shù)據(jù)，也可以通過其他終端來接入核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，如圖2所示。

圖2 飛行品質(zhì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖

通過對(duì)不同業(yè)務(wù)的分割和分離，切片技術(shù)可以充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)下的5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)主要分為eMBB切片、uRLLC切片、mMTC切片，其中，eMBB利用新型多址大規(guī)模MIMO和波束賦形等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高帶寬，mMTC 利用邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)面向傳感器和數(shù)據(jù)采集為對(duì)象的應(yīng)用場(chǎng)景，uRLLC 切片則利用通過引入更小的時(shí)間資源單位和支持異步過程等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的用戶面應(yīng)用。

5G 通信技術(shù)所擁有的高速率、大容量、低時(shí)延可以對(duì)應(yīng)運(yùn)用于各個(gè)類別飛行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)［8］，雷達(dá)、甚高頻、ADS-B、VoIP 語音等對(duì)低時(shí)延要求極高的核心業(yè)務(wù)都可以接入uRLLC 切片網(wǎng)絡(luò)。在高可靠度、低時(shí)延的特點(diǎn)之下，能夠更有效地利用帶寬，安防監(jiān)控、視頻通信等業(yè)務(wù)可以接入eMBB切片，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高帶寬，解決大帶寬使用場(chǎng)景下的傳輸問題。運(yùn)用于飛行品質(zhì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，如飛行速度、飛行姿態(tài)、飛行階段、操作桿位、油門數(shù)據(jù)等需要海量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則可以接入mMTC 切片，該切片時(shí)效性雖沒有uRLLC 切片強(qiáng)，但是運(yùn)用其海量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)效率。具體如圖3所示。

圖3 切片功能分布

經(jīng)過一定時(shí)間積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以引入大數(shù)據(jù)處理的能力，構(gòu)建成安全運(yùn)行的裕度模型。此類安全裕度模型可以運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等方法處理，得到在各種環(huán)境的安全裕度模型后，可以將平時(shí)監(jiān)控所得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法可以使用主成分分析法、層次分析法、熵權(quán)法及這幾種方法的混合使用或其他演化方法。

通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行質(zhì)量評(píng)估的可視化分析［9］；在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的同時(shí)，利用三維建模和VR技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化；再利用MYSQL 數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可以將歷史數(shù)據(jù)與場(chǎng)景生成法結(jié)合應(yīng)用，就可以實(shí)現(xiàn)全景圖技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的結(jié)合運(yùn)用。翻查歷史飛行數(shù)據(jù)的過程中，可以實(shí)現(xiàn)全息動(dòng)態(tài)圖，利于在飛行質(zhì)量評(píng)估和如若發(fā)生不安全事件后翻查原因。

6 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用5G 通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高新技術(shù)，可以顯著提高通信質(zhì)量，拓寬信息獲取渠道，在實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)控的同時(shí)，探索飛行培訓(xùn)新業(yè)態(tài)。飛行質(zhì)量控制的水平和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水平可作為飛行訓(xùn)練業(yè)務(wù)的發(fā)展短期目標(biāo)，增加飛行訓(xùn)練安全裕度，為建設(shè)民航強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。