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(nèi)5G通信在我國最近一次科技浪潮中占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢，在未來的一段時間內(nèi)，其必定作為帶動國內(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》（以下簡稱“規(guī)劃”），中國民用航空局也發(fā)布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》（以下簡稱“技術(shù)路線圖”）?！凹夹g(shù)路線圖”提到了關(guān)于我國民航新一代航空寬帶通信技術(shù)應(yīng)用的3 個階段，即近期、中期、遠期，更加明確了民航發(fā)展的前景，重點規(guī)劃“航空+5G”，致力于推動5G作為新一代通信技術(shù)融入并推進航空領(lǐng)域的通信技術(shù)的突破，實現(xiàn)機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是更好地保障航空安全、高效運行，對全國全行業(yè)開展針對空管、航司、機場、低空空域等典型應(yīng)用場景選取5G應(yīng)用示范單位，逐步借助移動通信領(lǐng)域5G 設(shè)施大帶寬、高可靠、低時延及大規(guī)模通信的特點，開始構(gòu)筑民航全域通信的航空5G平臺，并且廣泛應(yīng)用于各個細分領(lǐng)域。

近些年來，中國民用航空業(yè)取得了進一步的發(fā)展，隨著疫情期間的航空培訓業(yè)務(wù)從國外全部轉(zhuǎn)向國內(nèi)，導致國內(nèi)的培訓量加大，所以飛行任務(wù)和訓練量都有所提升，飛行品質(zhì)的實時監(jiān)控和警戒重要性日益提升。針對發(fā)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(shù)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(yōu)勢。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)飛行試點工程，驗證技術(shù)可行性的同時，促進5G 向飛行培訓業(yè)務(wù)賦能。

1 民機空地互聯(lián)發(fā)展現(xiàn)狀

航空互聯(lián)網(wǎng)迄今為止實現(xiàn)有限的空中互聯(lián)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(xiàn)途徑，這兩種使用場景分別為機場場面區(qū)域及附近低空實現(xiàn)的互聯(lián)互通、飛行航路上的飛機與地面之間的互聯(lián)互通。

民航機場移動通信系統(tǒng)（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(xiàn)逐步應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緫?yīng)用場景中，并且逐步開展實驗驗證工作。在國內(nèi)，該項技術(shù)正研究應(yīng)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(tǒng)與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進行技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)更為廣泛的高精度定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。

飛行航路上的飛機與地面之間的互聯(lián)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(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(xiàn)有的機載設(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，形成地空通信鏈路，隨后轉(zhuǎn)換成為艙內(nèi)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(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(yè)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(zhì)監(jiān)控的主要手段為QAR，國際上飛行品質(zhì)監(jiān)控項目廣泛應(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(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析和預警。運用現(xiàn)代“5G+ATG”通信技術(shù)，可以有效提高數(shù)據(jù)的時效性，實時傳遞每架飛機的運行數(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)當具有統(tǒng)計和分析功能，并且這些功能應(yīng)當實現(xiàn)自動化操作，具體功能如下。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當具備數(shù)據(jù)預處理功能

飛行品質(zhì)監(jiān)控在飛行階段將會收集飛行產(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)當在真實的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)格式進行轉(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，而MA600航電系統(tǒng)則是Proline21，不同飛機的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換也是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當具備的功能［5］。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當對飛行的每個階段自主區(qū)分

針對不同的飛行階段，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當區(qū)分不同階段的超限時間，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)當對事件有自我分級功能

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當在對超裕度事件發(fā)生之后，可以依據(jù)當時的環(huán)境條件和飛機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，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、查閱等基礎(chǔ)功能

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當具備數(shù)據(jù)存儲、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)簡介

3.1 主要組成

“5G+ATG”系統(tǒng)包括地面部分和機載部分兩部分設(shè)備。地面設(shè)備主要由地面基站設(shè)備、傳輸設(shè)備、MEC（邊緣計算設(shè)備）和5GC 組成；機載端包括機載CPE 端機、機載天線、機載服務(wù)器和機上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(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(wǎng)的分類

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

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

（2）獨享型虛擬專網(wǎng)：擁有獨立的統(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)約了部署和運行的成本，并且可以實現(xiàn)遠距離地組網(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)，相對于物理專項獨立組網(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(tǒng)的人工方式，這種方式不但效率高，而且準確度高。具體優(yōu)點主要表現(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)可以記錄飛機各個系統(tǒng)運行的歷史參數(shù)，長時間的參數(shù)積累可以在遇到故障時根據(jù)以往經(jīng)驗高效排故。

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 完善飛行訓練過程中的技能水平考核標準

將其與書面考核項目結(jié)合，將完善飛行員培訓的全方面考核標準。

飛行監(jiān)控參數(shù)包括：計劃的飛行航路、速度、發(fā)動機工作狀態(tài)、姿態(tài)、下降速度、形態(tài)、機組準備情況、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、進近階段、著陸階段等。結(jié)合超限模型，可以針對飛行階段和飛行的構(gòu)成要素（飛行員、飛機、環(huán)境），建立超限裕度模型，通過數(shù)據(jù)分析，提供警告和評估標準，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)于飛行訓練航路的規(guī)劃特點和5G 專網(wǎng)部署的特點，采用5G 物理獨享專網(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CCP、用戶面功能UPF、邊緣計算網(wǎng)絡(luò)MEC，5G基站與公網(wǎng)共享，其中的核心站點（通常是各分院的品質(zhì)監(jiān)控中心）部署專用的UDM、5GCCP、UPF、MEC，各雷達或甚高頻臺站部署專用的UPF、MEC，從而實現(xiàn)屬于專網(wǎng)的飛行監(jiān)控數(shù)據(jù)流傳送到專網(wǎng)UPF，并通過運營商的共享基站與其他站點互聯(lián)，數(shù)據(jù)保留在機構(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?，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)實現(xiàn)高帶寬，mMTC 利用邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)面向傳感器和數(shù)據(jù)采集為對象的應(yīng)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(shù)實現(xiàn)低時延的用戶面應(yīng)用。

5G 通信技術(shù)所擁有的高速率、大容量、低時延可以對應(yīng)運用于各個類別飛行監(jiān)控數(shù)據(jù)［8］，雷達、甚高頻、ADS-B、VoIP 語音等對低時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、低時延的特點之下，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，增強移動寬帶業(yè)務(wù)，可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高帶寬，解決大帶寬使用場景下的傳輸問題。運用于飛行品質(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，該切片時效性雖沒有uRLLC 切片強，但是運用其海量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，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)過一定時間積累的運行數(shù)據(jù)可以引入大數(shù)據(jù)處理的能力，構(gòu)建成安全運行的裕度模型。此類安全裕度模型可以運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學等方法處理，得到在各種環(huán)境的安全裕度模型后，可以將平時監(jiān)控所得到的歷史數(shù)據(jù)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(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)，可以實現(xiàn)對飛行質(zhì)量評估的可視化分析［9］；在實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的同時，利用三維建模和VR技術(shù)，可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的高質(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)與場景生成法結(jié)合應(yīng)用，就可以實現(xiàn)全景圖技術(shù)與虛擬現(xiàn)實平臺的結(jié)合運用。翻查歷史飛行數(shù)據(jù)的過程中，可以實現(xiàn)全息動態(tài)圖，利于在飛行質(zhì)量評估和如若發(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，在實現(xiàn)信息監(jiān)控的同時，探索飛行培訓新業(yè)態(tài)。飛行質(zhì)量控制的水平和實時監(jiān)測水平可作為飛行訓練業(yè)務(wù)的發(fā)展短期目標，增加飛行訓練安全裕度，為建設(shè)民航強國的目標奠定堅實的基礎(chǔ)。