卫星移动通信在低空飞行服务保障中的应用探索

文 |高鑫 郭辰阳

1.北京航天控制仪器研究所

2.国家发展和改革委员会国际合作中心

3.国家低空经济融合创新研究中心

一、引言

低空飞行指各类通用航空器、无人驾驶航空器（简称无人机）在真高3000m 以下空域从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动[1]。近年来，我国低空空域管理改革不断推进，推行实施低空空域分类管理，按管制、监视、报告三类不同属性进行管理的模式，长期困扰低空飞行“飞不起来、飞不顺畅”的管理问题得到有效解决，有效推进低空空域资源的动态释放、灵活使用。通用航空器、无人机在低空飞行过程中主要面临两个挑战：第一，低空飞行环境较为复杂，飞行易受障碍物、复杂地形地貌、恶劣气象条件的影响；第二，低空飞行不确定性较强，飞行时间、飞行航迹、飞行区域均表现出不确定性。从保证安全飞行的角度来说，低空飞行对监视通信服务、航空气象服务、告警及协助救援等方面的飞行服务保障能力提出较高的要求，要求对低空飞行航路或飞行区域进行全域覆盖。

2018 年，中国民用航空局发布《低空飞行服务保障体系建设总体方案》，旨在构建由1 个国家信息管理系统、7 个区域信息处理系统以及一批飞行服务站组成的低空飞行服务保障体系，加强低空飞行服务保障体系建设，促进通用航空业发展，保证低空空域安全高效使用[2]。飞行服务站[3]是低空飞行服务保障体系的基础节点，是服务低空空域用户的窗口和平台，为低空飞行提供包括飞行计划服务、航空气象服务、航空情报服务、飞行情报服务、告警和协助救援服务等。但现有飞行服务站受限于部署地理环境、建设维护成本、利用率等因素，仅能覆盖运输航路、运输机场周边、部分重点地区等小范围区域，难以满足低空飞行的全域安全保障需求。

卫星移动通信具有覆盖距离广、信息中继不受地形地貌限制的优势，可在通用航空器、无人机与飞行服务站之间构建广域通信链路，延伸飞行服务站监视、通信范围。卫星移动通信将有效解决飞行服务站因覆盖范围不足而导致通信距离、监视范围受限的问题，实现飞行服务保障能力在复杂地形地貌地区或无人区的全域覆盖，消除部分低空飞行安全隐患，保障低空飞行安全。卫星移动通信在低空飞行服务保障领域的应用不仅促进低空飞行在农业、工业领域的深化应用，扩大低空飞行作业范围和规模，提高作业飞行质量，为关联产业的深化发展提供动能与活力，还利于构建较为完善的航空公益性服务体系，在突发事件中发挥更为重要的作用。

二、基于卫星移动通信的低空飞行服务保障架构

卫星移动通信已成为保障飞行安全并对航空器进行有效追踪监视的重要技术手段，目前在运输航空方面已经得到广泛应用，而在以低空飞行为主要任务的通用航空方面应用较少。基于卫星移动通信的低空飞行服务保障架构以飞行服务站作为主控节点，通过卫星移动通信链路交互广域飞行服务保障信息，对远端的通用航空器和大中型无人机实施管理。通用航空器、无人机搭载L/S 频段驾驶舱型机载卫星地球站（简称驾驶舱机载站），即可在低空飞行过程中与飞行服务站进行实时信息交换，有效解决陆地飞行服务保障基础设施覆盖范围不足的问题。

基于卫星移动通信的低空飞行服务保障架构除支持常规机载语音通信、数据通信外，还可利用宽带卫星通信链路支持飞行状态监测、位置跟踪、数字化目视飞行航图、四维航迹运行[4]、图形化气象服务、航空情报服务等保障服务，如图1 所示。基于卫星移动通信的低空飞行服务架构为低空飞行提供全域无缝隙的服务覆盖，在提高空域利用率的同时，保障低空航空器安全、高效、有序地飞行。低空飞行器周期性地将飞行状态监视报文、位置跟踪报文上报至飞行服务站，使其能够被有效监视与管控。图形化气象服务、数字化目视飞行航图、四维航迹运行等新型飞行服务应用能够为指定的低空航空器提供周边空域范围的气象、地形地貌、障碍物等飞行信息以及其他低空航空器的飞行航迹。

图1 飞行服务保障总体架构

基于卫星移动通信的飞行服务保障架构在保持飞行服务站基础服务功能的前提下，利用宽带化的卫星移动通信链路拓展低空飞行服务保障的内容，支持新型数字化保障服务的应用，具备为通用航空器、无人机提供广域的飞行服务保障能力。基于卫星移动通信的飞行服务保障架构以飞行服务站作为边界节点，按照数据格式统一、管控协议统一的原则融合至其他陆基飞行服务保障体系，进而融入至区域级、国家级飞行服务保障信息处理系统。未来，可按统一管控规则来实施低空空中交通管制，有助于保障通用航空器、无人机的安全飞行，实施有效管控。

三、低空飞行服务保障领域的应用探索

驾驶舱机载站已具有通信速率高、重量轻、体积小等特征，能够满足通用航空器、大中型无人机搭载要求，有利于促进卫星移动通信在低空飞行服务保障方面的深入应用。本节在基于卫星移动通信的低空飞行服务保障架构下，开展在通用航空器和大中型无人机飞行服务保障方面的应用探索。

1.通用航空器方面的应用

在基于卫星移动通信的飞行服务保障架构中，飞行服务站利用卫星通信链路实时为通用航空器提供保障服务。在此架构下，飞行服务站提供的主要保障服务包括：飞行状态监测、位置跟踪服务、数字化目视飞行航图、图形化气象服务、四维航迹运行。

（1）飞行状态监测

通用航空器通过驾驶舱机载站的数据通信通道，周期性地自动将航空器主要状态参数回传至飞行服务站，例如发动机实时工作参数、飞行姿态参数，便于管制员实时掌握飞行状态，有利于紧急情况下采取及时有效的低空管制措施。

（2）位置跟踪服务

通过位置跟踪数据链将通用航空器纳入监视管控范畴，提高通用航空器自主飞行与避险能力。通用航空器在飞离管制空域后，将通用航空器身份标识码、实时位置、飞行高度、飞行速度等信息按照数据链协议格式进行封装，按固定时间间隔自动回传至飞行服务站，其中以机载全球卫星导航系统作为位置信息源。同时，通用航空器能够接收其他航空器或飞行服务站广播的位置跟踪报文，获取周边空域内其他航空器的飞行轨迹。

（3）数字化目视飞行航图

数字化目视飞行航图提供目视障碍物、地形地貌、山川河流、通用机场等低空飞行数据，使飞行员更加详细掌握飞行范围的地形状况，有效避免飞行事故的发生，为低空目视飞行提供重要保障途径。驾驶舱交通信息显示设备将周边空域内的航空器飞行轨迹、气象数据叠加至数字化目视飞行航图，并给予实时显示，能够为目视飞行提供多维度的飞行保障信息，帮助飞行员提高紧急遇险决策能力。

（4）图形化气象服务

飞行服务站将覆盖区域的卫星云图、收集的气象预告信息、分析与处理后的气象预警信息，通过卫星移动通信链路广播至低空飞行过程中的通用航空器。通用航空器驾驶舱机载站收到信息后，在驾驶舱交通信息显示设备进行图形化显示。

（5）四维航迹运行

通用航空器与飞行服务站实时交换四维航迹运行数据，以此来优化低空飞行轨迹。飞行服务站采用四维航迹规划方法，利用离散化的航路点来表示整个航迹，规定到达毎个航迹点的精确时间，通过增加时间维度的约束条件来优化通用航空器飞行航迹，以保障通用航空器安全、高效、有序地飞行。通用航空器在飞行前将出发地、目的地或目的区域、飞行任务类型发送至飞行服务站。飞行服务站利用数字化的目视飞行航图，结合实时气象数据，在保证飞行能见度的前提下，可按照距离最短、时间最短、燃油最省等约束条件来规划初始飞行航迹。在飞行过程中，当通用航空器的飞行气象条件、飞行空域、飞行任务发生变化时，飞行服务站通过卫星移动通信链路向飞行员发布航迹协商指令和时间约束协商指令，在收到飞行员确认指令后调整规划飞行航迹。

2.大中型无人机方面的应用

卫星移动通信能够为大中型无人机的超视距飞行提供飞行服务保障，通过驾驶舱机载站建立无人机与地面站或无人机与飞行服务站的广域信息交互通道，实现各类控制指令的实时传输与飞行监视报文的周期性回传。通过位置跟踪报文向飞行服务站和无人机地面站周期性回传的方式，建立无人机的低空飞行监视通道，使无人机始终处于飞行服务站的监视与管控之中。驾驶舱机载站上行链路传输地面站对无人机的控制指令，包括初始四维航迹运行指令、航迹调整指令、飞行控制指令、任务载荷控制指令等，下行链路传输应答指令、无人机飞行状态监测报文、位置跟踪报文和业务数据。

在基于卫星移动通信的飞行服务保障架构中，结合无人机飞行特点，制定针对大中型无人机的飞行服务保障流程，具体为：

1）起飞前，无人机地面站向飞行服务站发送飞行请求任务，包含无人机身份标识码、飞行目的地或飞行作业区域、飞行作业任务时间；

2）飞行服务站按飞行请求任务规划四维航迹运行信息，然后向无人机地面站返回整条航迹的离散化航迹点信息，规定两个航迹点之间的飞行高度、飞行速度，毎个航迹点的到达时间和停留时间；

3）地面段的无人机操作手根据返回的四维航迹运行信息，结合数字化目视飞行航图，按需将控制指令经驾驶舱机载站的上行链路注入至无人机，实施飞行控制；

4）无人机在飞行过程中，周期性地将飞行状态监测报文、位置跟踪报文回传至无人机地面站和飞行服务站，以对超视距飞行的无人机进行有效监视；

5）因气象、防碰撞避险、空域管制等不可抗拒因素或飞行任务变化而需要调整飞行航迹时，飞行服务站将重新规划的四维航迹运行信息发送至地面站，然后无人机操作手根据最新的四维航迹运行信息实施飞行控制操作。

四、结语

通用航空器、无人机经常需要飞越山区、峡谷、无人区等陆地移动通信网络和陆基飞行服务保障基础设施难以覆盖的区域，而这类地区的低空空域能见度变化快，天气变化相对剧烈，给缺乏通信、导航、监视保障措施的低空飞行带来严峻的挑战。卫星移动通信凭借覆盖距离广、信息中继不受地形地貌限制的优势，在通用航空器、无人机与飞行服务站之间建立广域通信链路，延伸飞行服务站的监视、通信范围，实现飞行服务保障能力在复杂地形地貌地区的全域覆盖，有效解决陆基飞行服务保障设施数量不足、覆盖范围不足的问题。在卫星移动通信向宽带化方向发展的趋势下，驾驶舱机载站已呈现通信速率高、重量轻、体积小等特征，可满足通用航空器、大中型无人机搭载要求，有利于促进新型数字化低空飞行保障服务的推广应用。