民航飞联网智慧运行关键技术及典型应用

王兴隆 王友杰

中国民航大学民航飞联网重点实验室 天津 300300

引言

当前，新一代通信和信息技术叠加倍增效应凸显，正在加快向各个行业渗透。大数据、人工智能、5G等新技术应用改变了人类交通需求及出行模式，如网约车、自动驾驶等。党中央、国务院提出了“人享其行、物畅其流”的美好远景。国内外已开始了飞联网相关技术研究，2021年，Khan MA提出了一种高效安全的飞联网访问控制与密钥协议方案[1]；同年，Jun Zhang分析了航空移动通信中窄带至宽带的演进，并提出了基于空天地一体化网络理念的新一代航空宽带通信系统的概念[2]。2022年，殷时军对智慧民用航空运输系统的内涵和特征进行分析，建立了智慧民用航空运输系统的总体架构[3]。与此同时，我国低空经济正处于高速发展的阶段，2022年中国无人机约95.8万架，民用无人机市场规模已达443.58亿元，预计到2027年我国工业无人机行业市场规模将达到3 138亿元[4-5]。美国国家航空航天局(NASA)[6]、优步(Uber)[7]、空客(Airbus)[8]、亿航[9]等都对城市空中交通(UAM)概念进行不同程度的探讨。一方面，物流公司如京东、顺丰、迅蚁等已经实现了部分区域的“最后一公里”的无人机配送；另一方面，亿航、空客、谷歌等公司纷纷投入可载人的电动垂直起降飞行器的研究[10]，2022年2月22日，中国民航局正式发布《亿航EH216-S适航审定专用条件》[11]。据摩根士丹利预测，至2040年，eVTOL的市场规模将达到一万亿美元[12]。

针对未来大量航空器同时飞行，包括有人机、成千上万的无人机和eVTOL，现有系统通信联网方式、管制指挥模式和安全监管机制等方面已不能满足需求，研究提出民航飞联网(简称“飞联网”)，以自主间隔、宽带互联、全息感知、通信安全技术为核心，实现航空器与空域、服务设施系统、人员等全要素的宽带互联互通，赋能先进航电系统、航空信息服务、空域资源治理、综合交通协同的新业态，应用于人类便捷出行、交通智能管理、航空器精准管控、场面高效协同和数据驱动监管为服务等场景，是eVTOL在低空安全、高效飞行的重要基础保障。

本文分析了民航业发展面临的问题，对飞联网的概念与体系架构进行剖析，重点讨论飞联网运行的关键技术，明确飞联网在民航中的应用领域和服务对象，并以eVTOL低空运行为场景，探讨飞联网在eVTOL运行中的应用。

1 问题与挑战

当前民航业不安全事件多发，空域利用率较低，通信频率、带宽不足，保障架次、航班正常性、延误时间等系统性能接近极限，民航可持续、高安全、高效率发展面临挑战。飞联网技术是突破发展瓶颈的重要支撑，依托数智自主间隔技术、5G通信技术和全息感知技术等，可驱动民航运行模式的变革，低空经济的发展同样依赖于这些高新技术在低空空域的结合。因此，民航飞联网的建设也必将促进低空经济的可持续发展。当前民航业的发展存在着以下四点挑战。

1)多主体隔离运行导致空域资源利用率低。根据ICAO等机构预测，在2050年之前空中交通流量将保持每10～15年翻一番的增长势头。当前运行模式下有人机/无人机、eVTOL隔离运行，导致空域利用率较低，若沿袭当前模式，未来城市低空空域会拥堵不堪，将会极大限制低空经济的发展，亟需新的技术手段与运行模式。

2)全空域互联仍未实现。2019年，全国6.6亿人次累计不能上网时间约1 200万小时，未能人享其行，无法满足乘客空中网上冲浪的需求，且低空通信监视仍有覆盖盲区，需要相关技术以提高eVTOL等航空器飞行的安全性。

3)空中飞行模式已不能满足安全与可持续发展需求。当前空中飞行不安全事件多发，态势感知不精准、效率低，无法完成飞行环境精准感知或者航班实时信息交互与精准放行，大量eVTOL、无人机等低空运行时，如果不能对航空器运行环境及周边其他活动目标进行全面、透彻感知和评估，会影响eVTOL等航空器的运行安全。

4)通信、电磁和数据安全需要保障。飞联网中的通信、电磁和数据安全问题也是一项重要挑战。飞联网引入了新的数据源、通信链路和机载航电设备，这带来新的数据风险和电磁风险。需要保护乘客乘坐eVTOL等航空器时的数据安全，防止数据泄露，以免对乘客信息安全造成威胁。

2 飞联网体系架构

纵观民航运输系统发展历史，经历了防迷航、防相撞、防拥堵三个阶段，对应的联网方式分别为点对点、星型和网状型，支撑了目视、程序和雷达管制模式的实施。未来新一代航空宽带通信技术下民航全域联网自主运行，强智慧、高质效是其主要目标。以飞联网为代表，形成空天地全连通的网络结构，将是未来主要的发展方向。

飞联网的体系架构如图1 所示。在高空层面由通信卫星、北斗卫星等组成，为航空器提供全球覆盖的通信导航监视资源；中低空层面由民航运输航班、通航航班、eVTOL等组成，通过航空器之间互联互通与通信中继，实现自主间隔保持与运行状态全息感知；在地面由5G基站、5G ATG基站、服务平台组成，其中5G基站、5G ATG、地基系统等为飞联网提供飞行控制管理、通信导航监视服务，相关服务平台包括5G网联无人机云平台、飞联网服务平台、天地网云平台等保障了飞联网提供管控飞行、运行监测、机群调度、安全监管等能力。

图1 飞联网体系架示意图

3 飞联网运行关键技术

3.1 数智自主间隔技术

飞联网的飞行间隔技术正从静态的、固定的、雷达间隔向动态尾流间隔发展，将在基于激光雷达的尾流探测反演、动态间隔标准拟定与安全评估等技术的支持下最终演进至数智自主间隔。根据ICAO、IATA和ACI等机构预测，在2050年之前空中交通流量将保持每10～15年翻一番的增长势头。如果沿袭当前的技术手段与运行模式，未来空中交通的拥堵程度将不堪设想。以“数智间隔”为主线，构建安全稳、效率高、智慧强、协同好的现代空中交通管理系统，是破解空域瓶颈限制、支撑民航高质量发展的金钥匙。空中交通数智间隔整体运行流程如图2所示。

图2 空中交通数智间隔运行示意图

数智间隔技术簇主要包括动态尾流间隔、数智管制员、自主间隔运行等核心技术。

3.1.1 管制间隔新标准——动态尾流间隔

碰撞间隔和尾流间隔是空管安全的两大屏障。近年来，随着技术的发展以及RVSM的实施，水平间隔和垂直间隔都得到大幅缩小。而现行尾流间隔形成于20世纪60年代末，一直变化较小，已逐步凸显为空域容量的限制瓶颈。

2019年，中国民航局发布了中国民航航空器尾流重新分类方法与间隔标准(RECAT-CN)，在广州白云机场、深圳宝安机场开展的RECAT-CN管制实验运行中，空客A350、波音787等中型飞机前后机尾流间隔从7.4公里缩减到5.6公里。

未来将研究解决气象要素演变态势的全息感知、飞机尾流危害包络的时空推演、基于激光雷达的尾流探测反演、动态间隔标准拟定与安全评估等关键技术，以进一步实现对尾流间隔的静态优化与动态缩减。

3.1.2 间隔调配新手段——数智管制员

在管制意图的实现方式上，国内外目前主要采用“以扇区为单元”“以人为中心”“以语音为手段”的间隔调配模式。随着空中交通规模不断扩大、复杂度不断提升，从调冲突到管航迹的转变迫在眉睫。

基于航迹的运行(TBO)应运而生。TBO打破了现有分时、分段、分头管理模式，实现空中交通从“扇区”到“全域”、从“战术”到“战略”、从“管制”到“管理”、从微观防相撞到宏观态势掌控的根本性转变。2019年3月底，中国民航在天津与广州之间成功完成了中国和亚太地区的首次初始四维航迹(i-4D)演示验证，实现了飞行中该架空客A320neo飞机的飞行轨迹全程与地面保持同步。

3.1.3 空地协同新模式——自主间隔运行

现行的管制间隔空地协同链路包括获取飞机位置、推算飞行趋势、拟定管制指令、语音交互意图、飞行员操作、飞机响应等环节。受限于人的经验和技能、相对低下的空地信息交互能力，致使存在一定的延时和不确定性，不得不通过加大安全裕度来确保飞行安全。

为缩短管制间隔的空地协同链路，FAA和Euro-Control在上世纪90年代开始推行“目视间隔与目视进近”，中国民航局空管局从2008年开始在大型机场推行此技术。但在双目运行中，空中交通整体运行态势依赖于飞行员的经验、技能和偏好，总体比较脆弱。2017年5月，中国民航局组织实施了中国民航首次基于ADS-B IN技术的目视间隔进近(VSA)演示飞行，取得圆满成功。未来通过推进机载ADS-B IN技术应用实施，增强驾驶舱态势显示能力，提升目视间隔运行效果，优化飞机进近着陆的间隔管理，实现航空器自主间隔保持运行。

3.2 空地宽带互联技术

空地宽带互联技术是民航飞联网应用的基石，当前通信方式正在从窄带向宽带演进，飞联网将依托新一代宽带通信技术，由航空器之间、航空器与地面网状形的窄带数据链发展至航空器自组网、航空器与地面全连通的宽带数据链。民航飞联网宽带互联的主要应用包括：以安全运行为核心的机载数据空地互联、以智慧协同为核心的运行数据泛在互联和以乘客体验为核心的服务数据高速互联。当前，民航飞联网宽带互联的技术方案主要有三种，一种是5G网联蜂窝通信，一种是5G ATG宽带通信，另一种是高通量卫星通信，两者互补构成飞联网的主要网联通信方式。空地宽带互联技术及应用如图3所示。

图3 空地宽带互联技术及应用

3.2.1 5G网联蜂窝通信技术

5G具备大带宽、高可靠、低时延、广覆盖、大连接等特性，结合网络切片、边缘计算等技术，可以更好地支撑5G网联无人机应用，使能5G网联低空通信。

5G无线网络传输速率峰值是4G的30倍，在空口时延方面可达到1ms，能广泛应用于时延敏感网络。5G网联无人机采用5G移动通信蜂窝网络替代传统无人机自建通信和控制链路，通过平台超视距远程飞行控制，实现数据实时采集，实时回传，实时分析，用于各行各业。5G网联无人机网络架构主要包括机载终端、低空网络、5G网联无人机云平台三部分。

3.2.2 5G ATG宽带通信技术

ATG技术缘起于3G技术，先期在美国得到了商业应用，之后在4G ATG阶段主要以商业实验为主，包括美国和澳洲的商用实验以及欧洲航空网络(EAN)。随着5G建设展开，目前欧美的4G ATG运营商考虑向5G ATG升级演进，国内电信运营商希望利用5G+相控阵天线技术，实现天地同频部署。ATG服务使用地面信号塔与飞机通信，其主要优势在于它可以以较低的价格提供通信服务，并且需要的设备较轻。整个系统分为机载端、地面网和云平台。

3.2.3 高通量卫星通信技术

高通量卫星网络能够满足商业航班的实时数据传输，支撑丰富的航空互联网信息服务应用，为航空业的数字化转型赋能。基于前后舱融合的高通量卫星通信网络系统可支持前舱飞行数据和后舱乘客上网应用数据的协同传输，该系统由综合信息服务平台、高通量卫星通信网络、Ka机载卫星终端、后舱Wi-Fi系统以及前舱传输设备组成。

总体而言，ATG技术发展较早，并且通信价格较低、所需设备较轻，但是无法满足跨洋航班需求。高能量卫星通信带宽能力更强、通信覆盖范围更广，但是建设成本较高，机载设备较重。如何将5G ATG技术与高能量卫星通信技术有效融合，实现两种方案的优势互补协同工作，将是未来飞联网发展的关键技术之一。

3.3 全息感知技术

飞联网的感知技术正在由独立感知向全息感知转变，将城市精细化空域气象信息和通信导航监视(CNS)等融合，对航空器自身、航空运行环境及周边其他活动目标进行全面、透彻感知和评估，实现多源观测、综合感知。全息感知技术融合先进航电技术、星网技术、5G ATG通信及定位、通感算一体化等赋能技术，面向航空器运行全过程态势实时精准感知，具备多模态信息融合功能，可实现航空器运行过程中信息的全息获取、多维感知、协同互用等功能，进而使航空器信息流具备智能实时交互与处理及广域智能协作的能力，运行概念如图4所示。

图4 飞联网全息感知技术运行概念图

飞联网全息感知技术可有效解决空中交通运行中航空器形态多样、周边环境威胁多变、态势感知方法持续升级压力大、多应用场景态势感知信息需求等问题，主要涵盖航空空域环境全要素感知技术、航空器周边活动目标感知技术、航空器状态透彻感知与评估技术、机载星空地集成通感算一体化云匣子技术。

3.3.1 航空空域环境全要素感知技术

依托飞联网构建集气象、通信、导航及监视的航空空域环境全要素感知技术，为航空器运行提供持续更新的空域空间动态信息，通过飞联网传感器探测网络对空域运行要素进行态势表征，提升航空器所处环境中的态势感知能力。航空空域环境全要素感知技术主要包括两部分：综合气象信息感知以及空域CNS属性感知。

3.3.2 航空器周边活动目标感知技术

依托北斗、5G/6G、人工智能、天地网等自主可控赋能技术，重点解决空域运行中的民用航空器、机场飞行区车辆、航空从业人员、飞行区无动力设备、其他非合作航空器等活动目标的实时精准感知问题。主要包括多元活动目标感知技术和多源监视数据融合技术。

3.3.3 航空器状态透彻感知与评估技术

针对飞联网运行场景需求多样，遭遇环境复杂多变，航空器状态和数据可靠性易发生改变等问题，通过航空器状态全息感知、航空器状态数据质量评估以及航空器健康监测评估预警等技术研究，构建航空器透彻状态感知与评估模型。

3.3.4 机载星空地集成通感算一体化云匣子技术

面向当前航空器跨域、多场景持续安全运行及事故快速调查的需求，赋能面向业务逻辑的机载星空地集成通感算一体化关键技术、低轨道卫星以及机载通信感知应用体制。主要有星空地网关键数据感知及融合技术、机载星空地多模网络路由与安全传输技术和机载星空地集成通联小型化与存储技术。

3.4 通信安全技术

飞联网通信包括移动通信网络、计算机通信网络、卫星通信网络、无人机通信网络等，是涉及民航行业安全的通信新技术应用。飞联网通信安全技术可以构建可靠的飞联网系统安全接入架构，以便各飞联网设备之间可以高效可靠地确立信任、识别敌我，实现接入的安全性。未来将着眼于安全接入认证技术，从高可靠资源动态接入算法和轻量化多方快速认证两个方面设计开放飞联网系统环境下的安全接入策略，提高计算能力与抗干扰性，有效保障通信安全。

3.4.1 高可靠资源动态接入算法

飞联网设备之间主要通过无线信道访问资源，如此开放式的接入模式对于飞联网系统的攻击将直接影响各民航网络信息系统的稳定运行；同时飞联网系统使用的无线信道面临着来自多方的复杂多变的安全攻击，如虚假感知信息攻击、控制信道恶意攻击等，严重影响资源接入的效能。针对飞联网系统规模大、动态交互复杂等特性，研究平均场博弈的高可靠资源动态接入算法，实现大量个体在一个开放环境中选择最优资源接入决策的博弈，确保所有通信设备公平性的同时，资源安全可靠地接入。

3.4.2 轻量化多方快速认证

针对恶意节点接入飞联网系统，以及“伪基站”接收节点欺骗等问题，飞联网系统需要进行多方认证，以保证系统的安全可靠。考虑到飞联网系统计算资源受限的特点，研究基于流密码加密的轻量化方案，在没有高额计算量和通信开销的情况下，对待接入的设备进行身份认证，保护飞联网系统的接入安全；并研究随机标签的飞联网接入设备安全认证模型，通过不可逆的哈希对应地产生难以破译的标签，实现飞联网系统的快速可靠验证。

4 飞联网在eVTOL中的应用

飞联网在空中飞行安全、数字化空域融合运行模式、智能交通管理以及空中接入互联网等多方面都可以得到应用。航空器智能化、空天宽带互联、运行新模式是其关键要素。本节聚焦未来城市低空载具——电动垂直起降飞行器eVTOL，对飞联网在eVTOL运行中的应用进行分析。

eVTOL是一种采用电力驱动航空器，可以实现垂直起降、分布式推进、空中悬停等特点，并且相较于直升机，eVTOL有着绿色能源、结构简单、噪声污染小和全自动飞行等优点[13-15]。未来eVTOL将会逐步由货运走向客运，由结构化空域运行走向自由飞行，预计将在2030年开展无人驾驶客运eVTOL建设[16]。客运方面，其运输模式主要有三种：1)具有公共交通性质，服务于通勤人员等按照一定规律人口流动的定期班车大巴；2)由平台统一管理运营，按需响应(On-Demand)，类似嘀嘀打车的空中出租(Air Taxi)；3)所有权属于个人，可在城市空中自由飞行[10,17]。目前，国内的eVTOL制造企业亿航所设计的运行模式是结合前两种，但更接近城市公共交通的模式，所有的eVTOL都将登记注册并由平台统一运营，eVTOL只可以在固定的起降点起降，乘客可以通过APP等方式预约乘坐时间并选择起降点[9]。

飞联网可以全面应用到eVTOL的运行模式，在飞联网体系的支撑下，eVTOL将依托天空地一体化通信技术与飞联网的通信感知计算技术，高效安全地获取飞行路线的导航数据、气象信息，同时将飞行数据实时传输给地面，完成与其他航空器、地面控制中心等进行互联互通，进而实现eVTOL的透明飞、无感联、智运行、安全网。接下来以亿航设计的运行模式为例，对乘客便捷出行、飞行精准管控、交通智能管理和安全监管与告警这四个主要服务应用场景进行分析。

4.1 乘客便捷出行

服务乘客智慧出行，不同于地面打车出行，eVTOL由电池提供动力，每一次出行前都应确保航空器具有所需的能量及良好的状态。eVTOL的能源情况、机身状态、所处位置等都将通过航空器状态透彻感知与评估技术进行感知评估，并通过空地宽带互联技术实时集中到后台指挥调度中心，当乘客在相关交互软件上在线下单选择目的地后，迅速分配适合的eVTOL。

在飞行途中，借助飞联网技术，融合5G ATG宽带技术和高通量卫星通信技术，打通航空器与互联网之间的联系，营造高速率、低时延、低成本的空中上网体验，乘客可以在飞行过程中进行影音娱乐、电子商务、远程办公、在线学习、医疗问诊等各类业务。

在出行前后的延伸服务主要将定位与支付相结合，通过飞联网技术整合现有网络资源，可进一步实现eVTOL与高铁、飞机之间的联运，使乘客出行更加方便快捷。

4.2 飞行精准管控

为保障空中飞行安全，由平台统一调度的运行模式需要更高的对全空域水平的态势感知能力。通过飞联网传感器探测网络对空域运行要素进行态势表征，掌握城市低空空域精细化气象信息、航路的尾流信息。当乘客选定目的地后，如有天气等因素导致无法正常行驶，可以及时通知乘客相关信息，并给出预计达到目的地时间。

当eVTOL运行时周围出现其它非网联的航空器，如正在作业的通航飞机、热气球等，依托北斗差分增强和5G定位与通信等自主可控技术，融合航管雷达、场面监视雷达、ADS-B、多点定位、基于GPS/北斗差分增强定位等监视数据，可以加强eVTOL运行时周边活动目标感知的精度以及可靠性，保障eVTOL运行时的安全。

4.3 交通智能管理

对eVTOL运行需求，围绕行程全过程，构建全链条智能化管理。亿航制造的EH216-S型eVTOL采用无人自动驾驶技术，多架eVTOL航空器同时按照预定的航线进行安全准确的无人驾驶。这需要采用基于航迹的运行(TBO)技术，掌控空域宏观态势、全空域流量信息，进而实现空中实际运行轨迹与模拟轨迹完全一致。

当空域中eVTOL数量较多、密度较大时，为提高空域利用率，要求有更加合理的安全间隔。采用基于时间的尾流间隔(TBS)、动态尾流间隔(DWS)等技术可以有效缩减尾流间隔，减少不必要的间隔余量，提升空中交通运行效率。在飞联网技术支撑下，eVTOL航空器运行可以实现全阶段数字化管制、安全自主运行。

4.4 安全监管与告警

建立基于数字孪生的飞联网体系仿真试验平台，采用基于数据—模型双驱动的航空运行风险场景推演仿真技术，进行重大隐患识别、重大风险研判。围绕安全监管全链条，从安全、效率、协同和绿色等角度，开展空中eVTOL全流程运行态势实时监控和演变趋势准确预判，同时对不安全事件、运行数据深度挖掘，支撑监管精准化。

当空中飞行的eVTOL出现故障时，通过5G网络全空域告警，eVTOL之间能够彼此感知位置及意图，及时发现和通报运行偏差和危险信息，始终保持航空器之间、航空器与空域边界、航空器与地面障碍物之间的安全间隔。通过集成现有广播式自动相关监视接收(ADS-B IN)、空中防撞系统(TCAS)，与自主运行智能驾驶系统一起构建空中防护网。

5 结语

本文探讨了飞联网发展的主要问题，对飞联网的基本架构进行介绍，并讨论飞联网的四个核心技术：自主间隔、宽带互联、全息感知、通信安全技术，对相关技术进行了简要的解释；接着针对飞联网的典型应用场景，以未来城市空中交通工具eVTOL为例，对飞联网在eVTOL运行过程中的应用进行描述，包括乘客便捷出行、飞行精准管控、交通智能管理和安全监管与告警。未来将通过研究体系安全，建立由自主体、类脑体和通信体组成主动安全网；通过研究新一代航空宽带通信技术，实现航班、各个保障主体、旅客之间的泛在无感联；通过研究缩减间隔和网联运行，实现精准透明飞。

飞联网将朝着自动化、智能化、高效化和可持续化的方向发展，在低空经济领域，飞联网可以为物流配送提供创新的解决方案，如使用eVTOL进行货物配送；可以应用于城市交通领域，例如使用eVTOL开展商业飞行出租车业务；可以为旅游业和娱乐业提供新的体验和服务，如乘坐eVTOL空中参观游览、进行空中表演等。飞联网将广泛应用于物流配送、城市交通、旅游和娱乐等领域，为人们的生活和工作带来更多便利和创新。