目前，我国5G基站数量已超过293万个，基本实现了城市全面覆盖，并已经在5G ATG、5G网联无人机等航空相关领域得到了应用。利用丰富的城市5G基础设施资源，可提供多种可行的通信、导航与监视技术解决方案，支撑先进通用、安全可靠且经济实惠的城市空中交通CNS系统建设。
现有CNS技术无法满足UAM运行需求
自1983年国际民用航空组织（ICAO）首次提出未来航行系统概念，之后更名为新航行系统（CNS/ATM）以来，通信、导航与监视（Communication, Navigation and Surveillance, CNS）系统已发展成为集合高频/甚高频通信、卫星通信、全球导航卫星系统（GNSS）、广播式自动相关监视（ADS-B）、空中防撞系统（TCAS）等多种先进技术的空天地一体化系统，为全球民用飞机的安全高效运行提供了关键支撑。
通信、导航与监视能力同样是UAM高效运营的重要保证，美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心在其委托美国科学应用国际公司（SAIC）于2020年8月编制修订的《可靠、安全和可扩展的城市空中交通通信、导航和监视方案》报告中对适用于UAM的CNS系统技术开展了详细研究，认为由于UAM完全不同于民用航空的运行概念（ConOps）与运行环境（UOE），使得当前的CNS技术手段存在大量使用限制：
城市核心区反射面及遮挡较多，当前通信、GNSS信号多径现象显著，使得接收信号的误差增加，信号中继造成的延迟也无法满足UAM对CNS的及时性要求；
由于城市中建筑物、树木、地面等反射杂波干扰，当前地面监视雷达无法准确跟踪处于同一低空空域的非合作小型飞行器（不具备应答器或者应答器静默，无法主动应答提供目标识别信息），并提供安全间隔和导航服务；
高流量密度环境下，传统1090MHz的ADS-B频率资源接近饱和，无法支持大量UAM用户的传输需求，且未经端到端加密的信息容易受到黑客攻击与欺骗；
飞行器与地面控制中心之间视距（LOS）范围内通信最为可靠，城市天际线以下的视距很短，通信距离很短通常小于一英里（约1.6千米），小于KHz的低频通信在城市环境下可以很好地工作，但是传输速率过低无法传输高清视频等数据；
城市核心区和垂直起降机场预期密度可能低于最低雷达标准间隔4千米（使用平行仪表进近），需要新的安全间隔规则等等。
UAM对CNS系统的基本功能需求
根据NASA报告、Transformational Technologies公司专家撰写的《通过通信和合作监测实现城市空中交通》论文以及国际航空研究论坛IFAR发布的《城市空中交通的科学评价》等报告中对UAM的CNS需求的描述，可以总结出UAM对于通信、导航与监视能力的基本功能需求。
在通信方面，UAM所需的服务包括指挥与控制（C2）、飞行员/乘客语音与数据通信以及其他非应急通信。UAM的通信技术必须比现有的航空解决方案更加可靠和安全，服务范围可扩展到城市环境，可能涉及卫星通信（SATCOM）、平台间（V2V）通信技术、专用空对地（A2G）网络、以及为非航空客户设计的无线服务（如地面蜂窝网络）等技术。
UAM通信总体功能需求示意图
在导航方面，由于网络安全威胁、城市复杂环境等挑战，以及垂直起降机场进近及降落时对飞行器自我位置信息的依赖性及精确度增加，为了实现未来无飞行员情况下UAM飞行器的自主飞行，CNS系统提供的导航服务必须更加可靠、无处不在，并且比传统航空导航服务更加安全，可能涉及GNSS地基增强系统（GBAS）、GNSS星基增强系统（SBAS）、雷达高度计、激光雷达、机器视觉等技术。
在监视方面，需要新的平台间（V2V）通信技术和标准来支持平台间合作监视，实现位置和意图的共享以解决冲突问题；同时加强非合作监视技术，在现有地面雷达覆盖范围以外的空域识别非UAM目标，例如其他非合作飞行器、小型无人机、警用飞机等；CNS系统还必须提升UAM飞行器对起重机、旗杆、电线、建筑物等障碍物和地形探测能力。监视系统可能涉及空中防撞系统（ACAS-X，TCAS）、ADS-B、声学探测、多普勒测距雷达、多基地雷达等技术。
总体来看，由于UAM的运行不再依赖于集中的地面控制中心，而是基于UAM平台自主导航能力以及平台间合作监视实现自主分离，要求CNS系统必须针对城市空中复杂环境及UAM飞行器自主可靠飞行引入更加先进的无线通信、导航增强以及合作监视技术，同时考虑成本、可用性、安全性、可升级性等因素开展地面系统与UAM平台航电系统的设计与集成。
5G在城市空中交通CNS中的应用场景
5G是第五代移动通信协议和技术集，包含Sub-6G与毫米波两种可用频段，具有高宽带、海量连接、低时延、高可靠的特点，正在面向工业场景不断升级演进中。航空领域为5G的应用提供了多种潜在场景：5G地空通信（5G ATG）技术通过沿航路部署地面基站，能够在地面与民航运输飞机之间建立无线连接，提供前舱辅助管理与后舱空中互联网应用；接入5G地面蜂窝网络的网联无人机能够执行农业植保、电力巡检、应急救援等多类型任务，实现海量态势数据传输及实时指挥控制。5G同样为UAM提供了先进的通信、导航与监视可选技术方案：
一、5G实现UAM平台远程实时监控
UAM飞行器对下行地对空指挥与控制（C2）链路的可靠性要求很高（大于99.99%），延迟要求50~100ms，其上行链路也存在超视距（BVLOS）场景实时视频流数据高速率传输需求。现有空地高频/甚高频、ACARS等通信链路速率过低，卫星通信基础设施成本高且存在延迟、多普勒频移等问题。UAM飞行器可以通过接入地面5G蜂窝网络，利用其高宽带、低时延、高可靠特点，将飞行器运行信息、机上传感器采集的窗外（OTW）视频、危险预警、突发障碍物等海量数据传输至UAM运营商及交通管制中心（ATC），实现对UAM平台的远程实时监控。
二、5G Sidelink增强UAM平台间合作监视
当前CNS系统中，对于V2V平台间直接通信的支持很少，例如空中交通防撞系统TCAS在飞行器遇到潜在冲突时将发布交通咨询（TA）和决断咨询（RA），利用S模式数据链与临近飞行器进行意图沟通实现协调避让，或者直接输出决断告警建议，由飞行员操作飞行器上升或下降完成避让。但是对于未来的无人驾驶UAM飞行器需要更完备、实时且全面的意图及态势信息辅助其进行自主避让决策。采用5G的直连通信（Sidelink，也称作设备到设备D2D通信）技术无需经过地面基站转发，在保证大带宽、高速率的前提下进一步提高了通信的实时性与可靠性，增强飞行器平台间询问应答的连通性，提升态势与意图共享能力，有助于保障潜在冲突情况下平台间的自主安全隔离。
三、5G+GNSS协同提高UAM导航精度
当前GPS、北斗等GNSS系统已经能够实现开阔区域米级、厘米级定位服务，而由于城市复杂环境以及垂直精度不足可能无法满足某些UAM飞行器的作业要求，例如垂直起降机场着陆、特殊地形和障碍物遮挡情况下的导航定位等等。5G不但具有高速率、低时延、海量连接优势，而且密集化组网使其能够在城市大范围内将卫星定位辅助数据通过室外播发达到修正精度的效果。例如5G+北斗融合高精度定位，通过5G网络将地基增强参考站以及高精度定位平台处理后的不同类型的差分改正值发送给UAM平台，可实现不同精度的定位效果，最高达到厘米级精度定位，为UAM飞行器变更空中走廊、精准降落等提供更加精确的导航信息。
四、5G非地面网络技术实现UAM全球无缝连接
5G非地面网络技术（5G NTN-Non Terrestrial Network）是近年来的发展热点，其原理是通过卫星、高空基站等进行透明转发或中继，承载回传服务，提供不受地形地貌限制的无处不在的覆盖能力。当UAM飞行区域超过地面5G网络覆盖范围时，可以通过低轨卫星将飞行器运行关键数据转发至5G网络，获得高吞吐量和低延迟网络服务。
综上，5G能够实现可靠的空对空及空对地无线连接，分享飞行器间意图以避免冲突，作为传统空对地链路中断或不满足传输需求时的备用通信链路进行信息中继、共享态势及任务数据，并与GNSS系统协同增强飞行器定位和跟踪能力，是实现UAM CNS系统的优先技术方案之一。
现有5G技术及基础设施存在的问题
根据北卡罗来纳大学2022年发表的论文《先进空中交通的无线连接和定位服务》，对使用地面蜂窝网络进行UAM空地及空空通信的可行性开展了研究与仿真验证，认为现有5G地面蜂窝网络应用于UAM还存在很多问题与挑战。
一、5G地面基站天线向下倾斜，无法提供特定飞行高度下可靠完整覆盖
传统的5G地面蜂窝网络主要针对地面用户进行了优化，例如基站天线的主瓣向地面倾斜，以便为地面用户提供更好的信道条件。在特定高度飞行的UAM飞行器可能由天线的旁瓣传输信息，无法提供与主瓣同样的网络质量。此外，基站向下倾斜的主瓣经过地面反射也可能对UAM造成干扰。因此，现有地面基站需要加装额外的天线或调整现有天线角度。
二、5G低空网络覆盖邻区关系复杂造成链路干扰
泛低空飞行的UAM飞行器能够与多个地面基站建立视距（LOS）链路，造成复杂的邻区关系，这种情况会增加空地下行链路的总体干扰。来自邻区的基站通过天线旁瓣与飞行器建立的连接，会随着飞行器位置的改变产生突然的信号波动，且随着高度的增加，邻区关联更加无序使得无线信号的干扰更为复杂。需要采用大规模波束赋型技术形成精准的窄波束对准，分别在基站侧和终端侧开展针对性的优化设计，实现下行指控链路传输质量的进一步提升与上行大容量高清视频的实时传输，同时减少UAM平台对地面用户终端的干扰。
三、UAM移动性基站切换造成通信质量下降
UAM飞行器在长距离高速飞行过程中，可能涉及多个基站间的频繁切换，而每一次切换都需要将缓冲的数据包从一个基站传输到另一个基站，一方面将在核心网中产生额外的流量，另一方面也可能造成通信质量下降。为了保证网络的可靠连接，需要尽量减少不必要的切换，考虑UAM平台飞行高度和速度增加带来的测量次数、切换次数、链路重建增多等问题对切换策略进行适应性设计与增强。
此外，还有UAM飞行器接入5G网络的安全机制、网络资源管理与调度等等问题，都需要基于现有地面5G蜂窝网络进行针对性的研究与开发。
发展建议
为更好地利用我国5G网络领先优势，加速推进我国城市空中交通通信、导航与监视系统建设，助力城市空中交通概念早日落地并实现大规模商业化应用，促进我国低空空域经济的发展，提出以下发展建议：
一、建立完善的UAM顶层运行概念与CNS系统架构
CNS系统是实现UAM大规模运行的关键支撑系统与基础设施，建立符合我国空域管理现状的、可行的、先进的UAM运行概念（CONOPS）是设计CNS系统架构的必要前提。CNS的功能和性能要求必须在UAM运行概念以及相关验证/认证程序制定完成之后才能达成一致，以确定现有技术和基础设施是否能够支持UAM运行，并进一步识别分析5G及其他可用的先进技术在UAM的应用场景与可行性。
二、开展适用于UAM的5G技术研究及基础设施开发
5G的高速率、大带宽、低时延等特点将为UAM的CNS系统建设带来非常高的容量增益，但是目前5G地面蜂窝网络并非面向UAM应用设计，存在诸多问题与挑战。用于UAM的5G链路必须能够优先处理CNS信息，而当前的5G地面基础设施无法做到这一点，还需针对UAM进行大量的适用性开发与测试工作，包括：
测试城市环境下，5G信号随高度变化的信道特性，包括Sub-6G和毫米波频段，以确定信号的合适范围和地面网络部署，如最优覆盖的基站位置等；
开展对准高空的基站天线实测，确定最佳天线部署方式；
研究适用于UAM飞行器的智能的、鲁棒的波束跟踪方法改善通信链路；
研究安全的网络切片机制，实现不依靠物理分隔的安全网络接入；
研究利用智能反射表面（IRS）技术部署在建筑物屋顶或墙壁上，以低成本、节能的方式加强5G网络对空覆盖等等。
三、与其他CNS技术及航空电子系统协同设计
根据上述分析可以得知单一的5G技术在UAM中的应用场景存在一定的局限性，为实现安全可靠、经济便捷的UAM运行，CNS系统建设需要多种先进技术的实施与整合，且应具备良好的适应性与可扩展性。因此，在开展5G技术应用研究时，要考虑与其他可选技术的协同应用例如GNSS增强系统、低轨卫星互联网、多普勒测距雷达等。同时由于UAM平台对于航空电子设备尺寸、重量与功耗（SWaP）的要求相较于其他平台更加小型化与集成化，UAM的航空电子设备制造商需要在综合模块化航空电子系统（IMA）设计早期就对5G机载设备的SWaP进行权衡，确保关键功能安全的同时进行冗余设计。
四、与低空无人机系统协调发展实现互操作
随着我国《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》的发布，有利于我国低空无人机系统（UAS）及产业的发展。UAM和UAS系统可能在300米以下的相同低空空域中运行，都可以使用5G地面蜂窝网络作为CNS解决方案，其平台间的合作监视可以通过5G网络增强互联互通互操作性，更好地实现UAM平台与UAS平台间的安全间隔，同时有助于空域管理部门进行统一的管控，从而进一步提高低空空域的利用率。
作者 | 中国航空工业发展研究中心 陈蕾
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