衛(wèi)星移動通信在低空飛行服務保障中的應用探索

文 |高鑫 郭辰陽

1.北京航天控制儀器研究所

2.國家發(fā)展和改革委員會國際合作中心

3.國家低空經(jīng)濟融合創(chuàng)新研究中心

一、引言

低空飛行指各類通用航空器、無人駕駛航空器（簡稱無人機）在真高3000m 以下空域從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和建筑業(yè)的作業(yè)飛行以及醫(yī)療衛(wèi)生、搶險救災、氣象探測、海洋監(jiān)測、科學實驗、教育訓練、文化體育等方面的飛行活動[1]。近年來，我國低空空域管理改革不斷推進，推行實施低空空域分類管理，按管制、監(jiān)視、報告三類不同屬性進行管理的模式，長期困擾低空飛行“飛不起來、飛不順暢”的管理問題得到有效解決，有效推進低空空域資源的動態(tài)釋放、靈活使用。通用航空器、無人機在低空飛行過程中主要面臨兩個挑戰(zhàn)：第一，低空飛行環(huán)境較為復雜，飛行易受障礙物、復雜地形地貌、惡劣氣象條件的影響；第二，低空飛行不確定性較強，飛行時間、飛行航跡、飛行區(qū)域均表現(xiàn)出不確定性。從保證安全飛行的角度來說，低空飛行對監(jiān)視通信服務、航空氣象服務、告警及協(xié)助救援等方面的飛行服務保障能力提出較高的要求，要求對低空飛行航路或飛行區(qū)域進行全域覆蓋。

2018 年，中國民用航空局發(fā)布《低空飛行服務保障體系建設總體方案》，旨在構(gòu)建由1 個國家信息管理系統(tǒng)、7 個區(qū)域信息處理系統(tǒng)以及一批飛行服務站組成的低空飛行服務保障體系，加強低空飛行服務保障體系建設，促進通用航空業(yè)發(fā)展，保證低空空域安全高效使用[2]。飛行服務站[3]是低空飛行服務保障體系的基礎節(jié)點，是服務低空空域用戶的窗口和平臺，為低空飛行提供包括飛行計劃服務、航空氣象服務、航空情報服務、飛行情報服務、告警和協(xié)助救援服務等。但現(xiàn)有飛行服務站受限于部署地理環(huán)境、建設維護成本、利用率等因素，僅能覆蓋運輸航路、運輸機場周邊、部分重點地區(qū)等小范圍區(qū)域，難以滿足低空飛行的全域安全保障需求。

衛(wèi)星移動通信具有覆蓋距離廣、信息中繼不受地形地貌限制的優(yōu)勢，可在通用航空器、無人機與飛行服務站之間構(gòu)建廣域通信鏈路，延伸飛行服務站監(jiān)視、通信范圍。衛(wèi)星移動通信將有效解決飛行服務站因覆蓋范圍不足而導致通信距離、監(jiān)視范圍受限的問題，實現(xiàn)飛行服務保障能力在復雜地形地貌地區(qū)或無人區(qū)的全域覆蓋，消除部分低空飛行安全隱患，保障低空飛行安全。衛(wèi)星移動通信在低空飛行服務保障領域的應用不僅促進低空飛行在農(nóng)業(yè)、工業(yè)領域的深化應用，擴大低空飛行作業(yè)范圍和規(guī)模，提高作業(yè)飛行質(zhì)量，為關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的深化發(fā)展提供動能與活力，還利于構(gòu)建較為完善的航空公益性服務體系，在突發(fā)事件中發(fā)揮更為重要的作用。

二、基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務保障架構(gòu)

衛(wèi)星移動通信已成為保障飛行安全并對航空器進行有效追蹤監(jiān)視的重要技術手段，目前在運輸航空方面已經(jīng)得到廣泛應用，而在以低空飛行為主要任務的通用航空方面應用較少。基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務保障架構(gòu)以飛行服務站作為主控節(jié)點，通過衛(wèi)星移動通信鏈路交互廣域飛行服務保障信息，對遠端的通用航空器和大中型無人機實施管理。通用航空器、無人機搭載L/S 頻段駕駛艙型機載衛(wèi)星地球站（簡稱駕駛艙機載站），即可在低空飛行過程中與飛行服務站進行實時信息交換，有效解決陸地飛行服務保障基礎設施覆蓋范圍不足的問題。

基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務保障架構(gòu)除支持常規(guī)機載語音通信、數(shù)據(jù)通信外，還可利用寬帶衛(wèi)星通信鏈路支持飛行狀態(tài)監(jiān)測、位置跟蹤、數(shù)字化目視飛行航圖、四維航跡運行[4]、圖形化氣象服務、航空情報服務等保障服務，如圖1 所示?；谛l(wèi)星移動通信的低空飛行服務架構(gòu)為低空飛行提供全域無縫隙的服務覆蓋，在提高空域利用率的同時，保障低空航空器安全、高效、有序地飛行。低空飛行器周期性地將飛行狀態(tài)監(jiān)視報文、位置跟蹤報文上報至飛行服務站，使其能夠被有效監(jiān)視與管控。圖形化氣象服務、數(shù)字化目視飛行航圖、四維航跡運行等新型飛行服務應用能夠為指定的低空航空器提供周邊空域范圍的氣象、地形地貌、障礙物等飛行信息以及其他低空航空器的飛行航跡。

圖1 飛行服務保障總體架構(gòu)

基于衛(wèi)星移動通信的飛行服務保障架構(gòu)在保持飛行服務站基礎服務功能的前提下，利用寬帶化的衛(wèi)星移動通信鏈路拓展低空飛行服務保障的內(nèi)容，支持新型數(shù)字化保障服務的應用，具備為通用航空器、無人機提供廣域的飛行服務保障能力?；谛l(wèi)星移動通信的飛行服務保障架構(gòu)以飛行服務站作為邊界節(jié)點，按照數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、管控協(xié)議統(tǒng)一的原則融合至其他陸基飛行服務保障體系，進而融入至區(qū)域級、國家級飛行服務保障信息處理系統(tǒng)。未來，可按統(tǒng)一管控規(guī)則來實施低空空中交通管制，有助于保障通用航空器、無人機的安全飛行，實施有效管控。

三、低空飛行服務保障領域的應用探索

駕駛艙機載站已具有通信速率高、重量輕、體積小等特征，能夠滿足通用航空器、大中型無人機搭載要求，有利于促進衛(wèi)星移動通信在低空飛行服務保障方面的深入應用。本節(jié)在基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務保障架構(gòu)下，開展在通用航空器和大中型無人機飛行服務保障方面的應用探索。

1.通用航空器方面的應用

在基于衛(wèi)星移動通信的飛行服務保障架構(gòu)中，飛行服務站利用衛(wèi)星通信鏈路實時為通用航空器提供保障服務。在此架構(gòu)下，飛行服務站提供的主要保障服務包括：飛行狀態(tài)監(jiān)測、位置跟蹤服務、數(shù)字化目視飛行航圖、圖形化氣象服務、四維航跡運行。

（1）飛行狀態(tài)監(jiān)測

通用航空器通過駕駛艙機載站的數(shù)據(jù)通信通道，周期性地自動將航空器主要狀態(tài)參數(shù)回傳至飛行服務站，例如發(fā)動機實時工作參數(shù)、飛行姿態(tài)參數(shù)，便于管制員實時掌握飛行狀態(tài)，有利于緊急情況下采取及時有效的低空管制措施。

（2）位置跟蹤服務

通過位置跟蹤數(shù)據(jù)鏈將通用航空器納入監(jiān)視管控范疇，提高通用航空器自主飛行與避險能力。通用航空器在飛離管制空域后，將通用航空器身份標識碼、實時位置、飛行高度、飛行速度等信息按照數(shù)據(jù)鏈協(xié)議格式進行封裝，按固定時間間隔自動回傳至飛行服務站，其中以機載全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為位置信息源。同時，通用航空器能夠接收其他航空器或飛行服務站廣播的位置跟蹤報文，獲取周邊空域內(nèi)其他航空器的飛行軌跡。

（3）數(shù)字化目視飛行航圖

數(shù)字化目視飛行航圖提供目視障礙物、地形地貌、山川河流、通用機場等低空飛行數(shù)據(jù)，使飛行員更加詳細掌握飛行范圍的地形狀況，有效避免飛行事故的發(fā)生，為低空目視飛行提供重要保障途徑。駕駛艙交通信息顯示設備將周邊空域內(nèi)的航空器飛行軌跡、氣象數(shù)據(jù)疊加至數(shù)字化目視飛行航圖，并給予實時顯示，能夠為目視飛行提供多維度的飛行保障信息，幫助飛行員提高緊急遇險決策能力。

（4）圖形化氣象服務

飛行服務站將覆蓋區(qū)域的衛(wèi)星云圖、收集的氣象預告信息、分析與處理后的氣象預警信息，通過衛(wèi)星移動通信鏈路廣播至低空飛行過程中的通用航空器。通用航空器駕駛艙機載站收到信息后，在駕駛艙交通信息顯示設備進行圖形化顯示。

（5）四維航跡運行

通用航空器與飛行服務站實時交換四維航跡運行數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化低空飛行軌跡。飛行服務站采用四維航跡規(guī)劃方法，利用離散化的航路點來表示整個航跡，規(guī)定到達毎個航跡點的精確時間，通過增加時間維度的約束條件來優(yōu)化通用航空器飛行航跡，以保障通用航空器安全、高效、有序地飛行。通用航空器在飛行前將出發(fā)地、目的地或目的區(qū)域、飛行任務類型發(fā)送至飛行服務站。飛行服務站利用數(shù)字化的目視飛行航圖，結(jié)合實時氣象數(shù)據(jù)，在保證飛行能見度的前提下，可按照距離最短、時間最短、燃油最省等約束條件來規(guī)劃初始飛行航跡。在飛行過程中，當通用航空器的飛行氣象條件、飛行空域、飛行任務發(fā)生變化時，飛行服務站通過衛(wèi)星移動通信鏈路向飛行員發(fā)布航跡協(xié)商指令和時間約束協(xié)商指令，在收到飛行員確認指令后調(diào)整規(guī)劃飛行航跡。

2.大中型無人機方面的應用

衛(wèi)星移動通信能夠為大中型無人機的超視距飛行提供飛行服務保障，通過駕駛艙機載站建立無人機與地面站或無人機與飛行服務站的廣域信息交互通道，實現(xiàn)各類控制指令的實時傳輸與飛行監(jiān)視報文的周期性回傳。通過位置跟蹤報文向飛行服務站和無人機地面站周期性回傳的方式，建立無人機的低空飛行監(jiān)視通道，使無人機始終處于飛行服務站的監(jiān)視與管控之中。駕駛艙機載站上行鏈路傳輸?shù)孛嬲緦o人機的控制指令，包括初始四維航跡運行指令、航跡調(diào)整指令、飛行控制指令、任務載荷控制指令等，下行鏈路傳輸應答指令、無人機飛行狀態(tài)監(jiān)測報文、位置跟蹤報文和業(yè)務數(shù)據(jù)。

在基于衛(wèi)星移動通信的飛行服務保障架構(gòu)中，結(jié)合無人機飛行特點，制定針對大中型無人機的飛行服務保障流程，具體為：

1）起飛前，無人機地面站向飛行服務站發(fā)送飛行請求任務，包含無人機身份標識碼、飛行目的地或飛行作業(yè)區(qū)域、飛行作業(yè)任務時間；

2）飛行服務站按飛行請求任務規(guī)劃四維航跡運行信息，然后向無人機地面站返回整條航跡的離散化航跡點信息，規(guī)定兩個航跡點之間的飛行高度、飛行速度，毎個航跡點的到達時間和停留時間；

3）地面段的無人機操作手根據(jù)返回的四維航跡運行信息，結(jié)合數(shù)字化目視飛行航圖，按需將控制指令經(jīng)駕駛艙機載站的上行鏈路注入至無人機，實施飛行控制；

4）無人機在飛行過程中，周期性地將飛行狀態(tài)監(jiān)測報文、位置跟蹤報文回傳至無人機地面站和飛行服務站，以對超視距飛行的無人機進行有效監(jiān)視；

5）因氣象、防碰撞避險、空域管制等不可抗拒因素或飛行任務變化而需要調(diào)整飛行航跡時，飛行服務站將重新規(guī)劃的四維航跡運行信息發(fā)送至地面站，然后無人機操作手根據(jù)最新的四維航跡運行信息實施飛行控制操作。

四、結(jié)語

通用航空器、無人機經(jīng)常需要飛越山區(qū)、峽谷、無人區(qū)等陸地移動通信網(wǎng)絡和陸基飛行服務保障基礎設施難以覆蓋的區(qū)域，而這類地區(qū)的低空空域能見度變化快，天氣變化相對劇烈，給缺乏通信、導航、監(jiān)視保障措施的低空飛行帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星移動通信憑借覆蓋距離廣、信息中繼不受地形地貌限制的優(yōu)勢，在通用航空器、無人機與飛行服務站之間建立廣域通信鏈路，延伸飛行服務站的監(jiān)視、通信范圍，實現(xiàn)飛行服務保障能力在復雜地形地貌地區(qū)的全域覆蓋，有效解決陸基飛行服務保障設施數(shù)量不足、覆蓋范圍不足的問題。在衛(wèi)星移動通信向?qū)拵Щ较虬l(fā)展的趨勢下，駕駛艙機載站已呈現(xiàn)通信速率高、重量輕、體積小等特征，可滿足通用航空器、大中型無人機搭載要求，有利于促進新型數(shù)字化低空飛行保障服務的推廣應用。