王興隆 王友杰

中國(guó)民航大學(xué)民航飛聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300300

引言

當(dāng)前，新一代通信和信息技術(shù)疊加倍增效應(yīng)凸顯，正在加快向各個(gè)行業(yè)滲透。大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新技術(shù)應(yīng)用改變了人類(lèi)交通需求及出行模式，如網(wǎng)約車(chē)、自動(dòng)駕駛等。黨中央、國(guó)務(wù)院提出了“人享其行、物暢其流”的美好遠(yuǎn)景。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始了飛聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究，2021年，Khan MA提出了一種高效安全的飛聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)控制與密鑰協(xié)議方案[1]；同年，Jun Zhang分析了航空移動(dòng)通信中窄帶至寬帶的演進(jìn)，并提出了基于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)理念的新一代航空寬帶通信系統(tǒng)的概念[2]。2022年，殷時(shí)軍對(duì)智慧民用航空運(yùn)輸系統(tǒng)的內(nèi)涵和特征進(jìn)行分析，建立了智慧民用航空運(yùn)輸系統(tǒng)的總體架構(gòu)[3]。與此同時(shí)，我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展的階段，2022年中國(guó)無(wú)人機(jī)約95.8萬(wàn)架，民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)443.58億元，預(yù)計(jì)到2027年我國(guó)工業(yè)無(wú)人機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3 138億元[4-5]。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)[6]、優(yōu)步(Uber)[7]、空客(Airbus)[8]、億航[9]等都對(duì)城市空中交通(UAM)概念進(jìn)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分區(qū)域的“最后一公里”的無(wú)人機(jī)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(dòng)垂直起降飛行器的研究[10]，2022年2月22日，中國(guó)民航局正式發(fā)布《億航EH216-S適航審定專(zhuān)用條件》[11]。據(jù)摩根士丹利預(yù)測(cè)，至2040年，eVTOL的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到一萬(wàn)億美元[12]。

針對(duì)未來(lái)大量航空器同時(shí)飛行，包括有人機(jī)、成千上萬(wàn)的無(wú)人機(jī)和eVTOL，現(xiàn)有系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)方式、管制指揮模式和安全監(jiān)管機(jī)制等方面已不能滿足需求，研究提出民航飛聯(lián)網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“飛聯(lián)網(wǎng)”)，以自主間隔、寬帶互聯(lián)、全息感知、通信安全技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)航空器與空域、服務(wù)設(shè)施系統(tǒng)、人員等全要素的寬帶互聯(lián)互通，賦能先進(jìn)航電系統(tǒng)、航空信息服務(wù)、空域資源治理、綜合交通協(xié)同的新業(yè)態(tài)，應(yīng)用于人類(lèi)便捷出行、交通智能管理、航空器精準(zhǔn)管控、場(chǎng)面高效協(xié)同和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)監(jiān)管為服務(wù)等場(chǎng)景，是eVTOL在低空安全、高效飛行的重要基礎(chǔ)保障。

本文分析了民航業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題，對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)的概念與體系架構(gòu)進(jìn)行剖析，重點(diǎn)討論飛聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，明確飛聯(lián)網(wǎng)在民航中的應(yīng)用領(lǐng)域和服務(wù)對(duì)象，并以eVTOL低空運(yùn)行為場(chǎng)景，探討飛聯(lián)網(wǎng)在eVTOL運(yùn)行中的應(yīng)用。

1 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

當(dāng)前民航業(yè)不安全事件多發(fā)，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(shí)間等系統(tǒng)性能接近極限，民航可持續(xù)、高安全、高效率發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。飛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是突破發(fā)展瓶頸的重要支撐，依托數(shù)智自主間隔技術(shù)、5G通信技術(shù)和全息感知技術(shù)等，可驅(qū)動(dòng)民航運(yùn)行模式的變革，低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展同樣依賴(lài)于這些高新技術(shù)在低空空域的結(jié)合。因此，民航飛聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)也必將促進(jìn)低空經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前民航業(yè)的發(fā)展存在著以下四點(diǎn)挑戰(zhàn)。

1)多主體隔離運(yùn)行導(dǎo)致空域資源利用率低。根據(jù)ICAO等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在2050年之前空中交通流量將保持每10～15年翻一番的增長(zhǎng)勢(shì)頭。當(dāng)前運(yùn)行模式下有人機(jī)/無(wú)人機(jī)、eVTOL隔離運(yùn)行，導(dǎo)致空域利用率較低，若沿襲當(dāng)前模式，未來(lái)城市低空空域會(huì)擁堵不堪，將會(huì)極大限制低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，亟需新的技術(shù)手段與運(yùn)行模式。

2)全空域互聯(lián)仍未實(shí)現(xiàn)。2019年，全國(guó)6.6億人次累計(jì)不能上網(wǎng)時(shí)間約1 200萬(wàn)小時(shí)，未能人享其行，無(wú)法滿足乘客空中網(wǎng)上沖浪的需求，且低空通信監(jiān)視仍有覆蓋盲區(qū)，需要相關(guān)技術(shù)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(xù)發(fā)展需求。當(dāng)前空中飛行不安全事件多發(fā)，態(tài)勢(shì)感知不精準(zhǔn)、效率低，無(wú)法完成飛行環(huán)境精準(zhǔn)感知或者航班實(shí)時(shí)信息交互與精準(zhǔn)放行，大量eVTOL、無(wú)人機(jī)等低空運(yùn)行時(shí)，如果不能對(duì)航空器運(yùn)行環(huán)境及周邊其他活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行全面、透徹感知和評(píng)估，會(huì)影響eVTOL等航空器的運(yùn)行安全。

4)通信、電磁和數(shù)據(jù)安全需要保障。飛聯(lián)網(wǎng)中的通信、電磁和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。飛聯(lián)網(wǎng)引入了新的數(shù)據(jù)源、通信鏈路和機(jī)載航電設(shè)備，這帶來(lái)新的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和電磁風(fēng)險(xiǎn)。需要保護(hù)乘客乘坐eVTOL等航空器時(shí)的數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)泄露，以免對(duì)乘客信息安全造成威脅。

2 飛聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

縱觀民航運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展歷史，經(jīng)歷了防迷航、防相撞、防擁堵三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的聯(lián)網(wǎng)方式分別為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型和網(wǎng)狀型，支撐了目視、程序和雷達(dá)管制模式的實(shí)施。未來(lái)新一代航空寬帶通信技術(shù)下民航全域聯(lián)網(wǎng)自主運(yùn)行，強(qiáng)智慧、高質(zhì)效是其主要目標(biāo)。以飛聯(lián)網(wǎng)為代表，形成空天地全連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將是未來(lái)主要的發(fā)展方向。

飛聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)如圖1 所示。在高空層面由通信衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等組成，為航空器提供全球覆蓋的通信導(dǎo)航監(jiān)視資源；中低空層面由民航運(yùn)輸航班、通航航班、eVTOL等組成，通過(guò)航空器之間互聯(lián)互通與通信中繼，實(shí)現(xiàn)自主間隔保持與運(yùn)行狀態(tài)全息感知；在地面由5G基站、5G ATG基站、服務(wù)平臺(tái)組成，其中5G基站、5G ATG、地基系統(tǒng)等為飛聯(lián)網(wǎng)提供飛行控制管理、通信導(dǎo)航監(jiān)視服務(wù)，相關(guān)服務(wù)平臺(tái)包括5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)云平臺(tái)、飛聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)、天地網(wǎng)云平臺(tái)等保障了飛聯(lián)網(wǎng)提供管控飛行、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、機(jī)群調(diào)度、安全監(jiān)管等能力。

圖1 飛聯(lián)網(wǎng)體系架示意圖

3 飛聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)智自主間隔技術(shù)

飛聯(lián)網(wǎng)的飛行間隔技術(shù)正從靜態(tài)的、固定的、雷達(dá)間隔向動(dòng)態(tài)尾流間隔發(fā)展，將在基于激光雷達(dá)的尾流探測(cè)反演、動(dòng)態(tài)間隔標(biāo)準(zhǔn)擬定與安全評(píng)估等技術(shù)的支持下最終演進(jìn)至數(shù)智自主間隔。根據(jù)ICAO、IATA和ACI等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在2050年之前空中交通流量將保持每10～15年翻一番的增長(zhǎng)勢(shì)頭。如果沿襲當(dāng)前的技術(shù)手段與運(yùn)行模式，未來(lái)空中交通的擁堵程度將不堪設(shè)想。以“數(shù)智間隔”為主線，構(gòu)建安全穩(wěn)、效率高、智慧強(qiáng)、協(xié)同好的現(xiàn)代空中交通管理系統(tǒng)，是破解空域瓶頸限制、支撐民航高質(zhì)量發(fā)展的金鑰匙?？罩薪煌〝?shù)智間隔整體運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 空中交通數(shù)智間隔運(yùn)行示意圖

數(shù)智間隔技術(shù)簇主要包括動(dòng)態(tài)尾流間隔、數(shù)智管制員、自主間隔運(yùn)行等核心技術(shù)。

3.1.1 管制間隔新標(biāo)準(zhǔn)——?jiǎng)討B(tài)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(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展以及RVSM的實(shí)施，水平間隔和垂直間隔都得到大幅縮小。而現(xiàn)行尾流間隔形成于20世紀(jì)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(guó)民航局發(fā)布了中國(guó)民航航空器尾流重新分類(lèi)方法與間隔標(biāo)準(zhǔn)(RECAT-CN)，在廣州白云機(jī)場(chǎng)、深圳寶安機(jī)場(chǎng)開(kāi)展的RECAT-CN管制實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，空客A350、波音787等中型飛機(jī)前后機(jī)尾流間隔從7.4公里縮減到5.6公里。

未來(lái)將研究解決氣象要素演變態(tài)勢(shì)的全息感知、飛機(jī)尾流危害包絡(luò)的時(shí)空推演、基于激光雷達(dá)的尾流探測(cè)反演、動(dòng)態(tài)間隔標(biāo)準(zhǔn)擬定與安全評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)尾流間隔的靜態(tài)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)縮減。

3.1.2 間隔調(diào)配新手段——數(shù)智管制員

在管制意圖的實(shí)現(xiàn)方式上，國(guó)內(nèi)外目前主要采用“以扇區(qū)為單元”“以人為中心”“以語(yǔ)音為手段”的間隔調(diào)配模式。隨著空中交通規(guī)模不斷擴(kuò)大、復(fù)雜度不斷提升，從調(diào)沖突到管航跡的轉(zhuǎn)變迫在眉睫。

基于航跡的運(yùn)行(TBO)應(yīng)運(yùn)而生。TBO打破了現(xiàn)有分時(shí)、分段、分頭管理模式，實(shí)現(xiàn)空中交通從“扇區(qū)”到“全域”、從“戰(zhàn)術(shù)”到“戰(zhàn)略”、從“管制”到“管理”、從微觀防相撞到宏觀態(tài)勢(shì)掌控的根本性轉(zhuǎn)變。2019年3月底，中國(guó)民航在天津與廣州之間成功完成了中國(guó)和亞太地區(qū)的首次初始四維航跡(i-4D)演示驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了飛行中該架空客A320neo飛機(jī)的飛行軌跡全程與地面保持同步。

3.1.3 空地協(xié)同新模式——自主間隔運(yùn)行

現(xiàn)行的管制間隔空地協(xié)同鏈路包括獲取飛機(jī)位置、推算飛行趨勢(shì)、擬定管制指令、語(yǔ)音交互意圖、飛行員操作、飛機(jī)響應(yīng)等環(huán)節(jié)。受限于人的經(jīng)驗(yàn)和技能、相對(duì)低下的空地信息交互能力，致使存在一定的延時(shí)和不確定性，不得不通過(guò)加大安全裕度來(lái)確保飛行安全。

為縮短管制間隔的空地協(xié)同鏈路，F(xiàn)AA和Euro-Control在上世紀(jì)90年代開(kāi)始推行“目視間隔與目視進(jìn)近”，中國(guó)民航局空管局從2008年開(kāi)始在大型機(jī)場(chǎng)推行此技術(shù)。但在雙目運(yùn)行中，空中交通整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)依賴(lài)于飛行員的經(jīng)驗(yàn)、技能和偏好，總體比較脆弱。2017年5月，中國(guó)民航局組織實(shí)施了中國(guó)民航首次基于ADS-B IN技術(shù)的目視間隔進(jìn)近(VSA)演示飛行，取得圓滿成功。未來(lái)通過(guò)推進(jìn)機(jī)載ADS-B IN技術(shù)應(yīng)用實(shí)施，增強(qiáng)駕駛艙態(tài)勢(shì)顯示能力，提升目視間隔運(yùn)行效果，優(yōu)化飛機(jī)進(jìn)近著陸的間隔管理，實(shí)現(xiàn)航空器自主間隔保持運(yùn)行。

3.2 空地寬帶互聯(lián)技術(shù)

空地寬帶互聯(lián)技術(shù)是民航飛聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基石，當(dāng)前通信方式正在從窄帶向?qū)拵а葸M(jìn)，飛聯(lián)網(wǎng)將依托新一代寬帶通信技術(shù)，由航空器之間、航空器與地面網(wǎng)狀形的窄帶數(shù)據(jù)鏈發(fā)展至航空器自組網(wǎng)、航空器與地面全連通的寬帶數(shù)據(jù)鏈。民航飛聯(lián)網(wǎng)寬帶互聯(lián)的主要應(yīng)用包括：以安全運(yùn)行為核心的機(jī)載數(shù)據(jù)空地互聯(lián)、以智慧協(xié)同為核心的運(yùn)行數(shù)據(jù)泛在互聯(lián)和以乘客體驗(yàn)為核心的服務(wù)數(shù)據(jù)高速互聯(lián)。當(dāng)前，民航飛聯(lián)網(wǎng)寬帶互聯(lián)的技術(shù)方案主要有三種，一種是5G網(wǎng)聯(lián)蜂窩通信，一種是5G ATG寬帶通信，另一種是高通量衛(wèi)星通信，兩者互補(bǔ)構(gòu)成飛聯(lián)網(wǎng)的主要網(wǎng)聯(lián)通信方式?？盏貙拵Щヂ?lián)技術(shù)及應(yīng)用如圖3所示。

圖3 空地寬帶互聯(lián)技術(shù)及應(yīng)用

3.2.1 5G網(wǎng)聯(lián)蜂窩通信技術(shù)

5G具備大帶寬、高可靠、低時(shí)延、廣覆蓋、大連接等特性，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)，可以更好地支撐5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)應(yīng)用，使能5G網(wǎng)聯(lián)低空通信。

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率峰值是4G的30倍，在空口時(shí)延方面可達(dá)到1ms，能廣泛應(yīng)用于時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)采用5G移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)自建通信和控制鏈路，通過(guò)平臺(tái)超視距遠(yuǎn)程飛行控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)回傳，實(shí)時(shí)分析，用于各行各業(yè)。5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括機(jī)載終端、低空網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)云平臺(tái)三部分。

3.2.2 5G ATG寬帶通信技術(shù)

ATG技術(shù)緣起于3G技術(shù)，先期在美國(guó)得到了商業(yè)應(yīng)用，之后在4G ATG階段主要以商業(yè)實(shí)驗(yàn)為主，包括美國(guó)和澳洲的商用實(shí)驗(yàn)以及歐洲航空網(wǎng)絡(luò)(EAN)。隨著5G建設(shè)展開(kāi)，目前歐美的4G ATG運(yùn)營(yíng)商考慮向5G ATG升級(jí)演進(jìn)，國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商希望利用5G+相控陣天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天地同頻部署。ATG服務(wù)使用地面信號(hào)塔與飛機(jī)通信，其主要優(yōu)勢(shì)在于它可以以較低的價(jià)格提供通信服務(wù)，并且需要的設(shè)備較輕。整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)載端、地面網(wǎng)和云平臺(tái)。

3.2.3 高通量衛(wèi)星通信技術(shù)

高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠滿足商業(yè)航班的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，支撐豐富的航空互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)應(yīng)用，為航空業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能?；谇昂笈撊诤系母咄啃l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可支持前艙飛行數(shù)據(jù)和后艙乘客上網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的協(xié)同傳輸，該系統(tǒng)由綜合信息服務(wù)平臺(tái)、高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、Ka機(jī)載衛(wèi)星終端、后艙Wi-Fi系統(tǒng)以及前艙傳輸設(shè)備組成。

總體而言，ATG技術(shù)發(fā)展較早，并且通信價(jià)格較低、所需設(shè)備較輕，但是無(wú)法滿足跨洋航班需求。高能量衛(wèi)星通信帶寬能力更強(qiáng)、通信覆蓋范圍更廣，但是建設(shè)成本較高，機(jī)載設(shè)備較重。如何將5G ATG技術(shù)與高能量衛(wèi)星通信技術(shù)有效融合，實(shí)現(xiàn)兩種方案的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同工作，將是未來(lái)飛聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3 全息感知技術(shù)

飛聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)正在由獨(dú)立感知向全息感知轉(zhuǎn)變，將城市精細(xì)化空域氣象信息和通信導(dǎo)航監(jiān)視(CNS)等融合，對(duì)航空器自身、航空運(yùn)行環(huán)境及周邊其他活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行全面、透徹感知和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)多源觀測(cè)、綜合感知。全息感知技術(shù)融合先進(jìn)航電技術(shù)、星網(wǎng)技術(shù)、5G ATG通信及定位、通感算一體化等賦能技術(shù)，面向航空器運(yùn)行全過(guò)程態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知，具備多模態(tài)信息融合功能，可實(shí)現(xiàn)航空器運(yùn)行過(guò)程中信息的全息獲取、多維感知、協(xié)同互用等功能，進(jìn)而使航空器信息流具備智能實(shí)時(shí)交互與處理及廣域智能協(xié)作的能力，運(yùn)行概念如圖4所示。

圖4 飛聯(lián)網(wǎng)全息感知技術(shù)運(yùn)行概念圖

飛聯(lián)網(wǎng)全息感知技術(shù)可有效解決空中交通運(yùn)行中航空器形態(tài)多樣、周邊環(huán)境威脅多變、態(tài)勢(shì)感知方法持續(xù)升級(jí)壓力大、多應(yīng)用場(chǎng)景態(tài)勢(shì)感知信息需求等問(wèn)題，主要涵蓋航空空域環(huán)境全要素感知技術(shù)、航空器周邊活動(dòng)目標(biāo)感知技術(shù)、航空器狀態(tài)透徹感知與評(píng)估技術(shù)、機(jī)載星空地集成通感算一體化云匣子技術(shù)。

3.3.1 航空空域環(huán)境全要素感知技術(shù)

依托飛聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建集氣象、通信、導(dǎo)航及監(jiān)視的航空空域環(huán)境全要素感知技術(shù)，為航空器運(yùn)行提供持續(xù)更新的空域空間動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)飛聯(lián)網(wǎng)傳感器探測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)空域運(yùn)行要素進(jìn)行態(tài)勢(shì)表征，提升航空器所處環(huán)境中的態(tài)勢(shì)感知能力。航空空域環(huán)境全要素感知技術(shù)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(dòng)目標(biāo)感知技術(shù)

依托北斗、5G/6G、人工智能、天地網(wǎng)等自主可控賦能技術(shù)，重點(diǎn)解決空域運(yùn)行中的民用航空器、機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)車(chē)輛、航空從業(yè)人員、飛行區(qū)無(wú)動(dòng)力設(shè)備、其他非合作航空器等活動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知問(wèn)題。主要包括多元活動(dòng)目標(biāo)感知技術(shù)和多源監(jiān)視數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

3.3.3 航空器狀態(tài)透徹感知與評(píng)估技術(shù)

針對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景需求多樣，遭遇環(huán)境復(fù)雜多變，航空器狀態(tài)和數(shù)據(jù)可靠性易發(fā)生改變等問(wèn)題，通過(guò)航空器狀態(tài)全息感知、航空器狀態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估以及航空器健康監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警等技術(shù)研究，構(gòu)建航空器透徹狀態(tài)感知與評(píng)估模型。

3.3.4 機(jī)載星空地集成通感算一體化云匣子技術(shù)

面向當(dāng)前航空器跨域、多場(chǎng)景持續(xù)安全運(yùn)行及事故快速調(diào)查的需求，賦能面向業(yè)務(wù)邏輯的機(jī)載星空地集成通感算一體化關(guān)鍵技術(shù)、低軌道衛(wèi)星以及機(jī)載通信感知應(yīng)用體制。主要有星空地網(wǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)感知及融合技術(shù)、機(jī)載星空地多模網(wǎng)絡(luò)路由與安全傳輸技術(shù)和機(jī)載星空地集成通聯(lián)小型化與存儲(chǔ)技術(shù)。

3.4 通信安全技術(shù)

飛聯(lián)網(wǎng)通信包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等，是涉及民航行業(yè)安全的通信新技術(shù)應(yīng)用。飛聯(lián)網(wǎng)通信安全技術(shù)可以構(gòu)建可靠的飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全接入架構(gòu)，以便各飛聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可以高效可靠地確立信任、識(shí)別敵我，實(shí)現(xiàn)接入的安全性。未來(lái)將著眼于安全接入認(rèn)證技術(shù)，從高可靠資源動(dòng)態(tài)接入算法和輕量化多方快速認(rèn)證兩個(gè)方面設(shè)計(jì)開(kāi)放飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境下的安全接入策略，提高計(jì)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(dòng)態(tài)接入算法

飛聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間主要通過(guò)無(wú)線信道訪問(wèn)資源，如此開(kāi)放式的接入模式對(duì)于飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的攻擊將直接影響各民航網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用的無(wú)線信道面臨著來(lái)自多方的復(fù)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(yán)重影響資源接入的效能。針對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模大、動(dòng)態(tài)交互復(fù)雜等特性，研究平均場(chǎng)博弈的高可靠資源動(dòng)態(tài)接入算法，實(shí)現(xiàn)大量個(gè)體在一個(gè)開(kāi)放環(huán)境中選擇最優(yōu)資源接入決策的博弈，確保所有通信設(shè)備公平性的同時(shí)，資源安全可靠地接入。

3.4.2 輕量化多方快速認(rèn)證

針對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)接入飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以及“偽基站”接收節(jié)點(diǎn)欺騙等問(wèn)題，飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要進(jìn)行多方認(rèn)證，以保證系統(tǒng)的安全可靠。考慮到飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算資源受限的特點(diǎn)，研究基于流密碼加密的輕量化方案，在沒(méi)有高額計(jì)算量和通信開(kāi)銷(xiāo)的情況下，對(duì)待接入的設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證，保護(hù)飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接入安全；并研究隨機(jī)標(biāo)簽的飛聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備安全認(rèn)證模型，通過(guò)不可逆的哈希對(duì)應(yīng)地產(chǎn)生難以破譯的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)飛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的快速可靠驗(yàn)證。

4 飛聯(lián)網(wǎng)在eVTOL中的應(yīng)用

飛聯(lián)網(wǎng)在空中飛行安全、數(shù)字化空域融合運(yùn)行模式、智能交通管理以及空中接入互聯(lián)網(wǎng)等多方面都可以得到應(yīng)用。航空器智能化、空天寬帶互聯(lián)、運(yùn)行新模式是其關(guān)鍵要素。本節(jié)聚焦未來(lái)城市低空載具——電動(dòng)垂直起降飛行器eVTOL，對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)在eVTOL運(yùn)行中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

eVTOL是一種采用電力驅(qū)動(dòng)航空器，可以實(shí)現(xiàn)垂直起降、分布式推進(jìn)、空中懸停等特點(diǎn)，并且相較于直升機(jī)，eVTOL有著綠色能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲污染小和全自動(dòng)飛行等優(yōu)點(diǎn)[13-15]。未來(lái)eVTOL將會(huì)逐步由貨運(yùn)走向客運(yùn)，由結(jié)構(gòu)化空域運(yùn)行走向自由飛行，預(yù)計(jì)將在2030年開(kāi)展無(wú)人駕駛客運(yùn)eVTOL建設(shè)[16]。客運(yùn)方面，其運(yùn)輸模式主要有三種：1)具有公共交通性質(zhì)，服務(wù)于通勤人員等按照一定規(guī)律人口流動(dòng)的定期班車(chē)大巴；2)由平臺(tái)統(tǒng)一管理運(yùn)營(yíng)，按需響應(yīng)(On-Demand)，類(lèi)似嘀嘀打車(chē)的空中出租(Air Taxi)；3)所有權(quán)屬于個(gè)人，可在城市空中自由飛行[10,17]。目前，國(guó)內(nèi)的eVTOL制造企業(yè)億航所設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式是結(jié)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(cè)并由平臺(tái)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，eVTOL只可以在固定的起降點(diǎn)起降，乘客可以通過(guò)APP等方式預(yù)約乘坐時(shí)間并選擇起降點(diǎn)[9]。

飛聯(lián)網(wǎng)可以全面應(yīng)用到eVTOL的運(yùn)行模式，在飛聯(lián)網(wǎng)體系的支撐下，eVTOL將依托天空地一體化通信技術(shù)與飛聯(lián)網(wǎng)的通信感知計(jì)算技術(shù)，高效安全地獲取飛行路線的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象信息，同時(shí)將飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面，完成與其他航空器、地面控制中心等進(jìn)行互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)eVTOL的透明飛、無(wú)感聯(lián)、智運(yùn)行、安全網(wǎng)。接下來(lái)以?xún)|航設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式為例，對(duì)乘客便捷出行、飛行精準(zhǔn)管控、交通智能管理和安全監(jiān)管與告警這四個(gè)主要服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。

4.1 乘客便捷出行

服務(wù)乘客智慧出行，不同于地面打車(chē)出行，eVTOL由電池提供動(dòng)力，每一次出行前都應(yīng)確保航空器具有所需的能量及良好的狀態(tài)。eVTOL的能源情況、機(jī)身狀態(tài)、所處位置等都將通過(guò)航空器狀態(tài)透徹感知與評(píng)估技術(shù)進(jìn)行感知評(píng)估，并通過(guò)空地寬帶互聯(lián)技術(shù)實(shí)時(shí)集中到后臺(tái)指揮調(diào)度中心，當(dāng)乘客在相關(guān)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合5G ATG寬帶技術(shù)和高通量衛(wèi)星通信技術(shù)，打通航空器與互聯(lián)網(wǎng)之間的聯(lián)系，營(yíng)造高速率、低時(shí)延、低成本的空中上網(wǎng)體驗(yàn)，乘客可以在飛行過(guò)程中進(jìn)行影音娛樂(lè)、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程辦公、在線學(xué)習(xí)、醫(yī)療問(wèn)診等各類(lèi)業(yè)務(wù)。

在出行前后的延伸服務(wù)主要將定位與支付相結(jié)合，通過(guò)飛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)eVTOL與高鐵、飛機(jī)之間的聯(lián)運(yùn)，使乘客出行更加方便快捷。

4.2 飛行精準(zhǔn)管控

為保障空中飛行安全，由平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度的運(yùn)行模式需要更高的對(duì)全空域水平的態(tài)勢(shì)感知能力。通過(guò)飛聯(lián)網(wǎng)傳感器探測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)空域運(yùn)行要素進(jìn)行態(tài)勢(shì)表征，掌握城市低空空域精細(xì)化氣象信息、航路的尾流信息。當(dāng)乘客選定目的地后，如有天氣等因素導(dǎo)致無(wú)法正常行駛，可以及時(shí)通知乘客相關(guān)信息，并給出預(yù)計(jì)達(dá)到目的地時(shí)間。

當(dāng)eVTOL運(yùn)行時(shí)周?chē)霈F(xiàn)其它非網(wǎng)聯(lián)的航空器，如正在作業(yè)的通航飛機(jī)、熱氣球等，依托北斗差分增強(qiáng)和5G定位與通信等自主可控技術(shù)，融合航管雷達(dá)、場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B、多點(diǎn)定位、基于GPS/北斗差分增強(qiáng)定位等監(jiān)視數(shù)據(jù)，可以加強(qiáng)eVTOL運(yùn)行時(shí)周邊活動(dòng)目標(biāo)感知的精度以及可靠性，保障eVTOL運(yùn)行時(shí)的安全。

4.3 交通智能管理

對(duì)eVTOL運(yùn)行需求，圍繞行程全過(guò)程，構(gòu)建全鏈條智能化管理。億航制造的EH216-S型eVTOL采用無(wú)人自動(dòng)駕駛技術(shù)，多架eVTOL航空器同時(shí)按照預(yù)定的航線進(jìn)行安全準(zhǔn)確的無(wú)人駕駛。這需要采用基于航跡的運(yùn)行(TBO)技術(shù)，掌控空域宏觀態(tài)勢(shì)、全空域流量信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空中實(shí)際運(yùn)行軌跡與模擬軌跡完全一致。

當(dāng)空域中eVTOL數(shù)量較多、密度較大時(shí)，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(shí)間的尾流間隔(TBS)、動(dòng)態(tài)尾流間隔(DWS)等技術(shù)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(yùn)行效率。在飛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下，eVTOL航空器運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)全階段數(shù)字化管制、安全自主運(yùn)行。

4.4 安全監(jiān)管與告警

建立基于數(shù)字孿生的飛聯(lián)網(wǎng)體系仿真試驗(yàn)平臺(tái)，采用基于數(shù)據(jù)—模型雙驅(qū)動(dòng)的航空運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景推演仿真技術(shù)，進(jìn)行重大隱患識(shí)別、重大風(fēng)險(xiǎn)研判。圍繞安全監(jiān)管全鏈條，從安全、效率、協(xié)同和綠色等角度，開(kāi)展空中eVTOL全流程運(yùn)行態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控和演變趨勢(shì)準(zhǔn)確預(yù)判，同時(shí)對(duì)不安全事件、運(yùn)行數(shù)據(jù)深度挖掘，支撐監(jiān)管精準(zhǔn)化。

當(dāng)空中飛行的eVTOL出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)全空域告警，eVTOL之間能夠彼此感知位置及意圖，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和通報(bào)運(yùn)行偏差和危險(xiǎn)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(guò)集成現(xiàn)有廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視接收(ADS-B IN)、空中防撞系統(tǒng)(TCAS)，與自主運(yùn)行智能駕駛系統(tǒng)一起構(gòu)建空中防護(hù)網(wǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了飛聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要問(wèn)題，對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)進(jìn)行介紹，并討論飛聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)核心技術(shù)：自主間隔、寬帶互聯(lián)、全息感知、通信安全技術(shù)，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的解釋?zhuān)唤又槍?duì)飛聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，以未來(lái)城市空中交通工具eVTOL為例，對(duì)飛聯(lián)網(wǎng)在eVTOL運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行描述，包括乘客便捷出行、飛行精準(zhǔn)管控、交通智能管理和安全監(jiān)管與告警。未來(lái)將通過(guò)研究體系安全，建立由自主體、類(lèi)腦體和通信體組成主動(dòng)安全網(wǎng)；通過(guò)研究新一代航空寬帶通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航班、各個(gè)保障主體、旅客之間的泛在無(wú)感聯(lián)；通過(guò)研究縮減間隔和網(wǎng)聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)透明飛。

飛聯(lián)網(wǎng)將朝著自動(dòng)化、智能化、高效化和可持續(xù)化的方向發(fā)展，在低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，飛聯(lián)網(wǎng)可以為物流配送提供創(chuàng)新的解決方案，如使用eVTOL進(jìn)行貨物配送；可以應(yīng)用于城市交通領(lǐng)域，例如使用eVTOL開(kāi)展商業(yè)飛行出租車(chē)業(yè)務(wù)；可以為旅游業(yè)和娛樂(lè)業(yè)提供新的體驗(yàn)和服務(wù)，如乘坐eVTOL空中參觀游覽、進(jìn)行空中表演等。飛聯(lián)網(wǎng)將廣泛應(yīng)用于物流配送、城市交通、旅游和娛樂(lè)等領(lǐng)域，為人們的生活和工作帶來(lái)更多便利和創(chuàng)新。