衛(wèi)星移動通信在低空飛行服務(wù)保障中的應(yīng)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(jì)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(jī)）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(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測、海洋監(jiān)測、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教育訓(xùn)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(jìn)，推行實(shí)施低空空域分類管理，按管制、監(jiān)視、報(bào)告三類不同屬性進(jìn)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(jìn)低空空域資源的動態(tài)釋放、靈活使用。通用航空器、無人機(jī)在低空飛行過程中主要面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一，低空飛行環(huán)境較為復(fù)雜，飛行易受障礙物、復(fù)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(qiáng)，飛行時(shí)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(wù)、航空氣象服務(wù)、告警及協(xié)助救援等方面的飛行服務(wù)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(jìn)行全域覆蓋。

2018 年，中國民用航空局發(fā)布《低空飛行服務(wù)保障體系建設(shè)總體方案》，旨在構(gòu)建由1 個(gè)國家信息管理系統(tǒng)、7 個(gè)區(qū)域信息處理系統(tǒng)以及一批飛行服務(wù)站組成的低空飛行服務(wù)保障體系，加強(qiáng)低空飛行服務(wù)保障體系建設(shè)，促進(jìn)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(wù)站[3]是低空飛行服務(wù)保障體系的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，是服務(wù)低空空域用戶的窗口和平臺，為低空飛行提供包括飛行計(jì)劃服務(wù)、航空氣象服務(wù)、航空情報(bào)服務(wù)、飛行情報(bào)服務(wù)、告警和協(xié)助救援服務(wù)等。但現(xiàn)有飛行服務(wù)站受限于部署地理環(huán)境、建設(shè)維護(hù)成本、利用率等因素，僅能覆蓋運(yùn)輸航路、運(yùn)輸機(jī)場周邊、部分重點(diǎn)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(jī)與飛行服務(wù)站之間構(gòu)建廣域通信鏈路，延伸飛行服務(wù)站監(jiān)視、通信范圍。衛(wèi)星移動通信將有效解決飛行服務(wù)站因覆蓋范圍不足而導(dǎo)致通信距離、監(jiān)視范圍受限的問題，實(shí)現(xiàn)飛行服務(wù)保障能力在復(fù)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(wù)保障領(lǐng)域的應(yīng)用不僅促進(jìn)低空飛行在農(nóng)業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的深化應(yīng)用，擴(kuò)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(guān)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(wù)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(wù)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(jìn)行有效追蹤監(jiān)視的重要技術(shù)手段，目前在運(yùn)輸航空方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而在以低空飛行為主要任務(wù)的通用航空方面應(yīng)用較少?；谛l(wèi)星移動通信的低空飛行服務(wù)保障架構(gòu)以飛行服務(wù)站作為主控節(jié)點(diǎn)，通過衛(wèi)星移動通信鏈路交互廣域飛行服務(wù)保障信息，對遠(yuǎn)端的通用航空器和大中型無人機(jī)實(shí)施管理。通用航空器、無人機(jī)搭載L/S 頻段駕駛艙型機(jī)載衛(wèi)星地球站（簡稱駕駛艙機(jī)載站），即可在低空飛行過程中與飛行服務(wù)站進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，有效解決陸地飛行服務(wù)保障基礎(chǔ)設(shè)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(wù)保障架構(gòu)除支持常規(guī)機(jī)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(yùn)行[4]、圖形化氣象服務(wù)、航空情報(bào)服務(wù)等保障服務(wù)，如圖1 所示。基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務(wù)架構(gòu)為低空飛行提供全域無縫隙的服務(wù)覆蓋，在提高空域利用率的同時(shí)，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(bào)文、位置跟蹤報(bào)文上報(bào)至飛行服務(wù)站，使其能夠被有效監(jiān)視與管控。圖形化氣象服務(wù)、數(shù)字化目視飛行航圖、四維航跡運(yùn)行等新型飛行服務(wù)應(yīng)用能夠?yàn)橹付ǖ牡涂蘸娇掌魈峁┲苓吙沼蚍秶臍庀?、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(wù)保障總體架構(gòu)

基于衛(wèi)星移動通信的飛行服務(wù)保障架構(gòu)在保持飛行服務(wù)站基礎(chǔ)服務(wù)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(wù)保障的內(nèi)容，支持新型數(shù)字化保障服務(wù)的應(yīng)用，具備為通用航空器、無人機(jī)提供廣域的飛行服務(wù)保障能力?；谛l(wèi)星移動通信的飛行服務(wù)保障架構(gòu)以飛行服務(wù)站作為邊界節(jié)點(diǎn)，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(wù)保障體系，進(jìn)而融入至區(qū)域級、國家級飛行服務(wù)保障信息處理系統(tǒng)。未來，可按統(tǒng)一管控規(guī)則來實(shí)施低空空中交通管制，有助于保障通用航空器、無人機(jī)的安全飛行，實(shí)施有效管控。

三、低空飛行服務(wù)保障領(lǐng)域的應(yīng)用探索

駕駛艙機(jī)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(jī)搭載要求，有利于促進(jìn)衛(wèi)星移動通信在低空飛行服務(wù)保障方面的深入應(yīng)用。本節(jié)在基于衛(wèi)星移動通信的低空飛行服務(wù)保障架構(gòu)下，開展在通用航空器和大中型無人機(jī)飛行服務(wù)保障方面的應(yīng)用探索。

1.通用航空器方面的應(yīng)用

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

（1）飛行狀態(tài)監(jiān)測

通用航空器通過駕駛艙機(jī)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(wù)站，例如發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)工作參數(shù)、飛行姿態(tài)參數(shù)，便于管制員實(shí)時(shí)掌握飛行狀態(tài)，有利于緊急情況下采取及時(shí)有效的低空管制措施。

（2）位置跟蹤服務(wù)

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(xiǎn)能力。通用航空器在飛離管制空域后，將通用航空器身份標(biāo)識碼、實(shí)時(shí)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(jìn)行封裝，按固定時(shí)間間隔自動回傳至飛行服務(wù)站，其中以機(jī)載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為位置信息源。同時(shí)，通用航空器能夠接收其他航空器或飛行服務(wù)站廣播的位置跟蹤報(bào)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(jī)場等低空飛行數(shù)據(jù)，使飛行員更加詳細(xì)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(shè)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(shí)時(shí)顯示，能夠?yàn)槟恳曪w行提供多維度的飛行保障信息，幫助飛行員提高緊急遇險(xiǎn)決策能力。

（4）圖形化氣象服務(wù)

飛行服務(wù)站將覆蓋區(qū)域的衛(wèi)星云圖、收集的氣象預(yù)告信息、分析與處理后的氣象預(yù)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(jī)載站收到信息后，在駕駛艙交通信息顯示設(shè)備進(jìn)行圖形化顯示。

（5）四維航跡運(yùn)行

通用航空器與飛行服務(wù)站實(shí)時(shí)交換四維航跡運(yùn)行數(shù)據(jù)，以此來優(yōu)化低空飛行軌跡。飛行服務(wù)站采用四維航跡規(guī)劃方法，利用離散化的航路點(diǎn)來表示整個(gè)航跡，規(guī)定到達(dá)毎個(gè)航跡點(diǎn)的精確時(shí)間，通過增加時(shí)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(wù)類型發(fā)送至飛行服務(wù)站。飛行服務(wù)站利用數(shù)字化的目視飛行航圖，結(jié)合實(shí)時(shí)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(shí)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(dāng)通用航空器的飛行氣象條件、飛行空域、飛行任務(wù)發(fā)生變化時(shí)，飛行服務(wù)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(shí)間約束協(xié)商指令，在收到飛行員確認(rèn)指令后調(diào)整規(guī)劃飛行航跡。

2.大中型無人機(jī)方面的應(yīng)用

衛(wèi)星移動通信能夠?yàn)榇笾行蜔o人機(jī)的超視距飛行提供飛行服務(wù)保障，通過駕駛艙機(jī)載站建立無人機(jī)與地面站或無人機(jī)與飛行服務(wù)站的廣域信息交互通道，實(shí)現(xiàn)各類控制指令的實(shí)時(shí)傳輸與飛行監(jiān)視報(bào)文的周期性回傳。通過位置跟蹤報(bào)文向飛行服務(wù)站和無人機(jī)地面站周期性回傳的方式，建立無人機(jī)的低空飛行監(jiān)視通道，使無人機(jī)始終處于飛行服務(wù)站的監(jiān)視與管控之中。駕駛艙機(jī)載站上行鏈路傳輸?shù)孛嬲緦o人機(jī)的控制指令，包括初始四維航跡運(yùn)行指令、航跡調(diào)整指令、飛行控制指令、任務(wù)載荷控制指令等，下行鏈路傳輸應(yīng)答指令、無人機(jī)飛行狀態(tài)監(jiān)測報(bào)文、位置跟蹤報(bào)文和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

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

1）起飛前，無人機(jī)地面站向飛行服務(wù)站發(fā)送飛行請求任務(wù)，包含無人機(jī)身份標(biāo)識碼、飛行目的地或飛行作業(yè)區(qū)域、飛行作業(yè)任務(wù)時(shí)間；

2）飛行服務(wù)站按飛行請求任務(wù)規(guī)劃四維航跡運(yùn)行信息，然后向無人機(jī)地面站返回整條航跡的離散化航跡點(diǎn)信息，規(guī)定兩個(gè)航跡點(diǎn)之間的飛行高度、飛行速度，毎個(gè)航跡點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間和停留時(shí)間；

3）地面段的無人機(jī)操作手根據(jù)返回的四維航跡運(yùn)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(jī)載站的上行鏈路注入至無人機(jī)，實(shí)施飛行控制；

4）無人機(jī)在飛行過程中，周期性地將飛行狀態(tài)監(jiān)測報(bào)文、位置跟蹤報(bào)文回傳至無人機(jī)地面站和飛行服務(wù)站，以對超視距飛行的無人機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)視；

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

四、結(jié)語

通用航空器、無人機(jī)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(luò)和陸基飛行服務(wù)保障基礎(chǔ)設(shè)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(dǎo)航、監(jiān)視保障措施的低空飛行帶來嚴(yán)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(jī)與飛行服務(wù)站之間建立廣域通信鏈路，延伸飛行服務(wù)站的監(jiān)視、通信范圍，實(shí)現(xiàn)飛行服務(wù)保障能力在復(fù)雜地形地貌地區(qū)的全域覆蓋，有效解決陸基飛行服務(wù)保障設(shè)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(jī)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(jī)搭載要求，有利于促進(jìn)新型數(shù)字化低空飛行保障服務(wù)的推廣應(yīng)用。