基于“5G+ATG”的飞行品质监控平台的设计

刘少华

（中国民用航空飞行学院绵阳分院 四川绵阳 621000）

近年来，国内5G通信在我国最近一次科技浪潮中占据领先优势，在未来的一段时间内，其必定作为带动国内相关产业的重要因素而发挥巨大作用。航空业在配合多方面的政策部署后，也提出了《“十四五”民用航空发展规划》（以下简称“规划”），中国民用航空局也发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》（以下简称“技术路线图”）。“技术路线图”提到了关于我国民航新一代航空宽带通信技术应用的3 个阶段，即近期、中期、远期，更加明确了民航发展的前景，重点规划“航空+5G”，致力于推动5G作为新一代通信技术融入并推进航空领域的通信技术的突破，实现机载宽带通信在全流域的应用。“规划”所提到的在近期的目标是更好地保障航空安全、高效运行，对全国全行业开展针对空管、航司、机场、低空空域等典型应用场景选取5G应用示范单位，逐步借助移动通信领域5G 设施大带宽、高可靠、低时延及大规模通信的特点，开始构筑民航全域通信的航空5G平台，并且广泛应用于各个细分领域。

近些年来，中国民用航空业取得了进一步的发展，随着疫情期间的航空培训业务从国外全部转向国内，导致国内的培训量加大，所以飞行任务和训练量都有所提升，飞行品质的实时监控和警戒重要性日益提升。针对发展的趋势和训练量上升的事实，航空飞行训练的安全性需要通过新技术提升。中国民用航空飞行学院作为全球第一大飞行培训学院，具有得天独厚的优势。将飞行品质监控作为内容、“5G+ATG”作为载体，在更好地提升飞行监控品质的基础上，建设飞行试点工程，验证技术可行性的同时，促进5G 向飞行培训业务赋能。

1 民机空地互联发展现状

航空互联网迄今为止实现有限的空中互联主要分为两种使用场景，以及在这两种使用场景下的多种实现途径，这两种使用场景分别为机场场面区域及附近低空实现的互联互通、飞行航路上的飞机与地面之间的互联互通。

民航机场移动通信系统（Aeronautical Mobile Airport Communication System，AeroMACS）作为ICAO唯一标准化的基于机场周边及附近低空使用场景的通信形式［1］，现逐步应用在无线数据传输的基本应用场景中，并且逐步开展实验验证工作。在国内，该项技术正研究应用于机场场面航空器和车辆驾驶舱滑行引导辅助功能，在未来，有可能作为地面链接系统与北斗卫星系统进行技术结合，实现更为广泛的高精度定位和数据传输功能。

飞行航路上的飞机与地面之间的互联互通作为另一使用场景，主要有两种通信方式，分别为基于卫星通信的主要联络方式和基于ATG地空宽带通信方式［2］。

基于卫星通信的主要联络方式，现阶段的通信波段为Ku 波段和Ka 波段，通信总量可以达到50Gbps 以上。但未来，随着各国外太空空间资源的相互竞争，空间通信资源也将受到影响，其短板主要在于现有的机载设备尚不完善，大规模应用需要安装Ku、Ka 双模天线。

ATG地空宽带通信方式基于地面基站向空中发射无线电信号，形成地空通信链路，随后转换成为舱内Wi-Fi信号，作为一种相对低成本的通信方式，可以普遍使用。而且，随着我国5G 技术的发展，中兴公司所应用研发的“5G+ATG”通信带宽将会达到千兆，覆盖范围可达300km，上下行峰值速率为50Mbit/s 与800Mbit/s［3］，足以满足商业运输航空在陆地及近海沿岸航路上的通信。

目前，用于飞行品质监控的主要手段为QAR，国际上飞行品质监控项目广泛应用的系统近20种［4］，大多数采录的手段和介质为MO 光盘、PCMAIC 卡或磁带，存在时延和繁琐的操作，并且不能在飞行训练的同时就飞行过程中产生的数据进行分析和预警。运用现代“5G+ATG”通信技术，可以有效提高数据的时效性，实时传递每架飞机的运行数据情况。

2 飞行品质监控需求分析

飞行品质监控作为飞行中的可以监控飞行员操作水平的方式，系统应当具有统计和分析功能，并且这些功能应当实现自动化操作，具体功能如下。

2.1 监控系统应当具备数据预处理功能

飞行品质监控在飞行阶段将会收集飞行产生的大量数据，这些数据作为飞行品质监控的原始数据，应当在真实的基础上，通过滤波、降噪等方式进行预处理。在必要的情况下，还需要将数据格式进行转换，以适应不同的传输介质的使用需求，例如，Garmin1000航电系统的是CSV格式的文件以SD卡的形式存储，而MA600航电系统则是Proline21，不同飞机的数据格式转换也是监控系统应当具备的功能［5］。

2.2 监控系统应当对飞行的每个阶段自主区分

针对不同的飞行阶段，监控系统应当区分不同阶段的超限时间，帮助飞行品质监控系统做出超裕度的警戒。

2.3 监控系统应当对事件有自我分级功能

监控系统应当在对超裕度事件发生之后，可以依据当时的环境条件和飞机所处的地面高度等条件，具体区分现在所发生事件的不安全等级，给监控人员提供参考。

2.4 监控系统应提供数据存储、查阅等基础功能

监控系统应当具备数据存储、查阅、传输等功能，作为事件后调查的有力手段。

3 “5G+ATG”技术简介

3.1 主要组成

“5G+ATG”系统包括地面部分和机载部分两部分设备。地面设备主要由地面基站设备、传输设备、MEC（边缘计算设备）和5GC 组成；机载端包括机载CPE 端机、机载天线、机载服务器和机上Wi-Fi等设备［6］。

3.2 覆盖面积及系统性能

最大半径300km，最大支持1200km/h移动性，覆盖高度最大为13km。组网及覆盖形态如图1所示。最大下行带宽为800Mbit/s（100MHz BW），最大上行带宽为120Mbit/s（100MHz BW）。

图1 5G+ATG 基站设计带宽覆盖范围

3.3 面临主要难题

针对飞行学院所需的航空训练飞行品质监控所要完成的低空数据链通信，需要解决的主要问题有：第一，根据飞行训练的航路，需要解决基站对空的覆盖问题，也要考虑航路更改的可能性和基站利用率相匹配的问题；第二，ATG 基站、机载CPE 与外界的相互干扰问题。

3.4 5G专网的分类

组网形式主要分为3种：物理独享专网、独享型虚拟专网、共享型虚拟专网。这3 种形式的组网有各自的使用场景。

（1）物理独享专网：该种专网类型为完全封闭独有式专网，与5G 公网完全隔离，可以确保飞行过程中的监控独立自主，外部侵入的风险低，并且适用于小型区域的覆盖，因成本的原因，也不适用于远距离地组网。

（2）独享型虚拟专网：拥有独立的统一数据管理功能、用户平面功能、应用层功能，但是与公网使用共同的5G基站单元。该种方法节约了部署和运行的成本，并且可以实现远距离地组网。

（3）共享型虚拟专网：一切资源均使用公共资源，数据安全性依靠网络切片技术，相对于物理专项独立组网的安全性，则有一定缺陷。

4 飞行品质监控主要内容

飞行品质监控（Flight Operation Quality Assurance，FOQA）是行业内最能够反映飞行过程中飞行员飞行状态的主要手段［7］，从20世纪90年代以来，就被纳入运输航空的安全管理体系，相比于传统的人工方式，这种方式不但效率高，而且准确度高。具体优点主要表现在以下方面。

4.1 可以尽早发现安全隐患

飞行参数可以记录飞机各个系统运行的历史参数，长时间的参数积累可以在遇到故障时根据以往经验高效排故。

4.2 可以提高飞行员操纵水平

通过飞行品质监控，可以及时发觉飞行过程中的不足，从而避免事故并且提高驾驶水平。

4.3 完善飞行训练过程中的技能水平考核标准

将其与书面考核项目结合，将完善飞行员培训的全方面考核标准。

飞行监控参数包括：计划的飞行航路、速度、发动机工作状态、姿态、下降速度、形态、机组准备情况、无线电高度、操纵杆位等。监控的飞行阶段主要包括：滑行阶段、起飞阶段、初始爬升阶段、巡航阶段、进近阶段、着陆阶段等。结合超限模型，可以针对飞行阶段和飞行的构成要素（飞行员、飞机、环境），建立超限裕度模型，通过数据分析，提供警告和评估标准，健全飞行品质监控体系。

5 飞行品质监控5G专网的部署

综合考虑关于飞行训练航路的规划特点和5G 专网部署的特点，采用5G 物理独享专网的形式，能够比较好地兼顾安全性和效率；采取5G独享型虚拟专网的形式，可以充分地满足安全和效率的组网需求。这种部署方式下，需要部署专用的统一数据管理UDM、5G通信控制处理机CCP、用户面功能UPF、边缘计算网络MEC，5G基站与公网共享，其中的核心站点（通常是各分院的品质监控中心）部署专用的UDM、5GCCP、UPF、MEC，各雷达或甚高频台站部署专用的UPF、MEC，从而实现属于专网的飞行监控数据流传送到专网UPF，并通过运营商的共享基站与其他站点互联，数据保留在机构专网内部，而航管中心的工作人员可以通过航管中心的设备监控飞行数据，也可以通过其他终端来接入核心网实现监控，如图2所示。

图2 飞行品质监控网络示意图

通过对不同业务的分割和分离，切片技术可以充分利用5G网络的优势。现下的5G网络切片技术主要分为eMBB切片、uRLLC切片、mMTC切片，其中，eMBB利用新型多址大规模MIMO和波束赋形等技术实现高带宽，mMTC 利用边缘计算和物联网可以实现面向传感器和数据采集为对象的应用场景，uRLLC 切片则利用通过引入更小的时间资源单位和支持异步过程等新技术实现低时延的用户面应用。

5G 通信技术所拥有的高速率、大容量、低时延可以对应运用于各个类别飞行监控数据［8］，雷达、甚高频、ADS-B、VoIP 语音等对低时延要求极高的核心业务都可以接入uRLLC 切片网络。在高可靠度、低时延的特点之下，能够更有效地利用带宽，安防监控、视频通信等业务可以接入eMBB切片，增强移动宽带业务，可以在现有基础上提高带宽，解决大带宽使用场景下的传输问题。运用于飞行品质监控的数据，如飞行速度、飞行姿态、飞行阶段、操作杆位、油门数据等需要海量传输的数据则可以接入mMTC 切片，该切片时效性虽没有uRLLC 切片强，但是运用其海量数据传输优势，可以大大提高网络效率。具体如图3所示。

图3 切片功能分布

经过一定时间积累的运行数据可以引入大数据处理的能力，构建成安全运行的裕度模型。此类安全裕度模型可以运用人工神经网络、模糊数学等方法处理，得到在各种环境的安全裕度模型后，可以将平时监控所得到的历史数据进行评价。评价方法可以使用主成分分析法、层次分析法、熵权法及这几种方法的混合使用或其他演化方法。

通过数据可视化技术，可以实现对飞行质量评估的可视化分析［9］；在实现数据可视化的同时，利用三维建模和VR技术，可以实现虚拟现实的高质量数据可视化；再利用MYSQL 数据库等数据库技术，可以将历史数据与场景生成法结合应用，就可以实现全景图技术与虚拟现实平台的结合运用。翻查历史飞行数据的过程中，可以实现全息动态图，利于在飞行质量评估和如若发生不安全事件后翻查原因。

6 结语

综上所述，应用5G 通信技术、虚拟现实等高新技术，可以显著提高通信质量，拓宽信息获取渠道，在实现信息监控的同时，探索飞行培训新业态。飞行质量控制的水平和实时监测水平可作为飞行训练业务的发展短期目标，增加飞行训练安全裕度，为建设民航强国的目标奠定坚实的基础。