5G技术在航空上的应用初探

15G技术在航空上的应用初探路志伟一、引言最近几年随着5G技术逐步进入实用阶段，特别是美国不断加大对引领5G技术发展的中国华为公司的打压，各行各业对5G技术的关注度也越来越高。5G是一个多业务多技术融合的网络，通过技术的演进和创新，能够满足未来包含广泛数据和连接的各种业务快速发展需要，不仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，更是面向业务应用和用户体验的智能网络。主要应用场景见图1。图1：5G的主要应用场景1.增强型移动宽带eMBB可为密集城市、农村、高流动性环境以及室内环境提供极高的吞吐量，以及为用户提供高速率下载数据。使得虚拟现实VR和超高清电视成为可能。2.海量机器类通信mMTC即低功耗万物互联，这类终端分布范围广、数量众多，要求网络具备海量连接的支持能力，可为智能城市、电网、制造、物流等海量设备提供连接。3.超高可靠和超低时延通信URLLC主要面向车联网、工业控制等行业的特殊需求。这类应用对时延和可靠性具有极高的要求，需要对巨大的数据拥有超高速处理能力。主要应用于无人驾驶、公共交通系统、无人飞行器、工业自动化、远程医疗以及智能电网监控等。二、5G在民用航空的应用1.民航客舱商务娱乐经常乘机的人有这样的体验：飞机上不能上网，也无法观看最新上映的电2影，几个小时的飞行实在是一种煎熬。将5G引入民航客舱，航空公司、机载设备厂商、电信运营商等主体参与进来，通过Wi-Fi+ATG共同打造空中移动互联网，广大乘客的娱乐商务体验就能得到很大提升。ATG（Airtoground）通信是一种通过地面专用基站和空中机载通信设备使飞机与地面实现双向通信的方法。ATG地面基站需要沿飞行航线进行部署，如图2所示，也存在无法实现跨洋覆盖和国际漫游的问题，因此一般用于国内航空。图2民航ATG通信技术实现方法2.小型无人机高清监控小型民用无人机可以直接采用5G技术，进行高清摄像大流量快速传输，用于电力/管道巡线、高速公路巡查、安保、勘测等领域的实时高清监控。3.智能航空5G与大数据、云计算、人工智能、数字孪生等新技术结合，还可以实现基于AR/VR/MR的航空智能制造、飞机智能维护、飞行员和地勤人员的高保真虚拟培训，甚至虚拟试验，极大节省生产成本、训练成本和维修成本。三、5G技术在军用航空上的应用5G技术具有的高速率、高可靠、低延时、大容量特性，使其在军用航空上有着潜在的应用价值。美国国防部发布的《5G风险和机遇报告》，重点研究了5G技术对国防领域的深度影响。5G技术巨大的军事价值，必然要应用于军事领域，加速智能化军事变革进程。然而，机遇与挑战同在，在军事基地安装5G商业网络基础设施，其安全性不仅需要保证，而且标准更高，所有通信都必须按照国防安全标准进行加密，并分隔成单独的安全网络切片进行传输。可靠的数据安全加密技术是使用5G商业网络的前提。在此前提下，可能有以下应用：31.无人机蜂群作战5G技术可以推动无人机集群作战。借助5G技术，能够实现智能化所需的数据高效连接，消除云端与边缘通信网络延迟的问题，计算重心从云端向边缘漂移，使边缘智能成为新的发展趋势。5G赋能边缘智能技术之后，将使无人机蜂群技术产生突破，实现大规模协同作战。为大规模协作无人机蜂群提供实时感知信息，在快速演进的战术环境中支持人机协作。由于无人机蜂群协作需要将时延控制在1毫秒左右，此前网络响应速度一直是这项技术面临的挑战之一，也因此现有无人机集群多为小规模编队，缺乏大规模集群节点之间的信息交换能力。而5G的端到端通信时延低于1毫秒，这足以支撑无人机大规模集群协作的需求。未来随着5G通信网络的覆盖度逐渐提高，无人机蜂群的自主性随之进一步提高，将能完成复杂度更高的作战任务。图3无人机蜂群作战示意图2.大型无人机起降控制无人机在起降阶段的风险无疑是最大的。地面操作员实时监控无人机的飞行状态，往往由于飞机和地面控制站之间飞机状态和控制指令的传输时间延迟过大，而无法实施及时精准地控制。利用5G的URLLC超高可靠低延时通信，或许在无人机起降阶段出现重大危险状况时，操作员可以及时进行干预，确保飞机安全起降。3.空中场景实时再现利用5G技术，可以在军事基地支持飞行测试设备的高速无线连接，快速下传飞行测试数据，实时驱动飞机动画模拟，再现飞行训练过程。4.飞机维修管理飞机维护团队可以在安全的5G环境中利用安全平板电脑查看飞机零部件实时库存和示意图，更好地管理利用备件，制定飞机诊断、维修方案等。5.飞行员培训在5G推动下，飞行员将接受不同的训练方式。“飞行员未来训练”（PTN，4PilotTrainingNext）计划是美空军教育和训练司令部（AETC）新训练计划的一部分，目标是“重新想象”如何用新技术训练飞行员，提高训练效果并缩短训练周期，根据训练效果而不是训练时间来决定学员是否能毕业。PTN将依靠多种新技术，包括虚拟现实VR和增强现实AR、人工智能和大数据分析，构建新型培训设备。学员们戴着HTCVIVEPro头戴式VR眼镜（含耳机），从眼镜中看到虚拟座舱环境和战场环境，同时能听到模拟出来的环境声音，就好像他们真的在驾驶舱内一样。见图4。图4：PTN训练场景6.飞机数据加载/卸载目前作战飞机数据加载/卸载是操作员通过数据传输卡实施的。任务规划、写卡、送卡、机上加载都需要一定的时间。数据卸载需要等飞机着陆后才能实施。卸载完毕，需要把数据传输卡送到内场才能进行飞行数据解析。随着加载/卸载数据量的暴增，加/卸载时间进一步加长。利用安全加密的5G技术可以在内场实现作战飞机快速无线加载/卸载，甚至在飞机落地前数据就已经下载完毕，维护人员能够根据健康管理数据提前准备备件，飞机停稳后马上可以更换故障设备，缩短再次出动时间和维护保障时间。四、总结从目前来看，5G商用基站主要布局在人员经常活动的范围，或按特定需求布局，可用于固定航线的民航、活动范围较小的无人机和一些地面智能航空领域。对于军用战斗机来说，在执行任务阶段，由于其机动范围大，基站覆盖范围有限，短时间内难以直接应用5G通信来取代战术数据链，未来如何应用5G技术需要深入研究。但在端点飞行阶段，距离基地较近，可用于5G覆盖范围内的飞行测试、数据加载/卸载和基地内的飞行员培训和飞机维护保障。5G是商业网络，必须采取极其严格的安全保密技术措施才能保证数据的安全性。5G通信网络在保障通信效率的前提下，通过更高级别的数据加密，能够5增强战场信息保护和对抗能力。