低空經(jīng)濟(jì)“大腦”——空管系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

文 | 開山

今年，低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展如火如荼。《一文讀懂5G-A如何賦能低空經(jīng)濟(jì)》中介紹了5G-A通感一體化技術(shù)如何助力低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文聚焦低空經(jīng)濟(jì)的“大腦”——空管系統(tǒng)，介紹其基本構(gòu)成、產(chǎn)業(yè)鏈及發(fā)展趨勢(shì)。

01 什么是空管系統(tǒng)

空管系統(tǒng)是一套用于監(jiān)護(hù)和控制航空交通，確保飛行安全和效率的技術(shù)和程序系統(tǒng)。民航空中交通管理系統(tǒng)的核心是空管系統(tǒng)，高效的空管系統(tǒng)是低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障。

具體來講，空管系統(tǒng)即通信、導(dǎo)航、監(jiān)視與空中交通管理系統(tǒng)，包括空中交通管理系統(tǒng)（Air Traffic Management，ATM）、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)等。CNS （Communication，Navigation, Surveillance CNS）系統(tǒng)由三大基礎(chǔ)要素所組成，即通信（Communication），導(dǎo)航（Navigation）以及監(jiān)視（Surveillance）系統(tǒng)：

1）現(xiàn)代通信系統(tǒng)基于航空電信網(wǎng)（ATN）實(shí)現(xiàn)地空、地地及空空間數(shù)據(jù)通信傳輸，主要使用衛(wèi)星通訊，高頻數(shù)據(jù)鏈（VHF&HF），或S模式二次雷達(dá)數(shù)據(jù)鏈建立不同終端間數(shù)據(jù)通信通道，保證信息的實(shí)時(shí)交換；

2）導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于飛行器定位，航向控制及導(dǎo)航。系統(tǒng)利用全球定位系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，儀表著陸系統(tǒng)，甚高頻導(dǎo)航及距離測(cè)量設(shè)備等，提供了保障飛行器安全、高效地在空中航行所需的位置和方向信息；

3）監(jiān)視系統(tǒng)追蹤飛行器空中狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過使用雷達(dá)，自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，多雷達(dá)跟蹤等技術(shù)提供飛行器航行中所需的必要信息，幫助空中交通管制人員和飛行員做出正確的決策。三大系統(tǒng)軟硬件協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，保障航行信息準(zhǔn)確高效收集交換。

圖1?CNS系統(tǒng)構(gòu)成

空中交通管理系統(tǒng)（ATM）是空管工作人員用來實(shí)際操作和管理飛行交通的信息處理平臺(tái)。基于CNS 系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，ATM系統(tǒng)構(gòu)建信息綜合處理平臺(tái)，為航行過程中的飛行器提供整合后信息，制定流量控制措施，并規(guī)劃分配方案。完整的 ATM系統(tǒng)由三大部分組成：空中交通服務(wù)，空中交通流量管理和空域管理。它們共同協(xié)調(diào)和管理空中交通，有效維護(hù)空中交通秩序，促進(jìn)空中交通安全，保障空中交通暢通。

圖2?ATM系統(tǒng)構(gòu)成

02 產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

空管系統(tǒng)涉及的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)較為集中，包括上游的通導(dǎo)監(jiān)系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商、中游的空管系統(tǒng)研發(fā)與集成商和下游空中交通使用者等。

上游包括監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航和通信系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商及數(shù)據(jù)服務(wù)供應(yīng)商，它們提供了空中交通管理所需的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商負(fù)責(zé)提供用于監(jiān)測(cè)空中航空器的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡的相關(guān)設(shè)備。導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商則提供GPS設(shè)備、航向指示器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，用于航空器的定位和導(dǎo)航。此外數(shù)據(jù)供應(yīng)商為空中交通管理系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)支持和信息服務(wù)，包括航空氣象服務(wù)、航空地圖服務(wù)、飛行計(jì)劃服務(wù)等。所有數(shù)據(jù)將交由數(shù)據(jù)服務(wù)商分類規(guī)范處理，以支持空中交通管理系統(tǒng)的運(yùn)行和決策制定。這些企業(yè)致力于將原始數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類、確保數(shù)據(jù)符合規(guī)范、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析以及將多源數(shù)據(jù)融合和集成。這些服務(wù)共同確保了航空安全和運(yùn)輸效率的提升。

中游空管系統(tǒng)研發(fā)及集成商公司致力于研發(fā)和集成各種空管系統(tǒng)所需的軟件和硬件解決方案。他們負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、開發(fā)和整合空中交通管理系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，包括上游所提供的雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。這些解決方案需要滿足國(guó)際航空標(biāo)準(zhǔn)和安全要求，并與其他航空系統(tǒng)和設(shè)備無縫集成。

下游包括各種空中交通使用者，包括軍用和民用航空公司、航空器運(yùn)營(yíng)商、機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商及空管交通局。軍用航空公司承擔(dān)著軍事任務(wù)，包括空中巡邏、運(yùn)輸、戰(zhàn)術(shù)支援等，他們需要與空管系統(tǒng)緊密協(xié)作以確保軍事航行的安全和順利進(jìn)行。民用航空公司提供商業(yè)航班服務(wù)，負(fù)責(zé)運(yùn)輸旅客和貨物，他們依賴空管系統(tǒng)確保航班安全、準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。航空器運(yùn)營(yíng)商是擁有和運(yùn)營(yíng)航空器的實(shí)體，他們需要監(jiān)管運(yùn)營(yíng)航空器的平臺(tái)，與空管系統(tǒng)的合作關(guān)系密切。最后，機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)管理和運(yùn)營(yíng)機(jī)場(chǎng)設(shè)施，包括航站樓、跑道、停機(jī)位等，他們需要與空管系統(tǒng)協(xié)調(diào)航班起降、停機(jī)和地面運(yùn)輸，以確保機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的高效和安全?？展芙煌ň中枰c空管系統(tǒng)提供商合作，以獲取技術(shù)支持、定制解決方案、系統(tǒng)更新和維護(hù)服務(wù)，共同確?？罩薪煌ǖ陌踩晚槙尺\(yùn)行。

03 低空經(jīng)濟(jì)下的新要求

在政策的引領(lǐng)下，低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)前景廣闊。工業(yè)和信息化部等四部門最新發(fā)文提出，到2030年，通用航空裝備全面融入人民生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，成為低空經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的強(qiáng)大推動(dòng)力，形成萬億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。2024年2月28日國(guó)新辦新聞發(fā)布會(huì)上，中國(guó)民航局副局長(zhǎng)韓鈞表示，據(jù)測(cè)算2023年我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模超5000億元，2030 年有望達(dá)到2萬億元。

隨著低空積極的發(fā)展，我國(guó)低空空管系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步拓展，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)空管系統(tǒng)投資額從 2016 年的 23.3 億元上漲至2021年的59.8億元，增長(zhǎng)19.03%，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 24.18%。

從發(fā)展階段來看，根據(jù)《現(xiàn)代空中交通管理》（張軍，北京航空航天大學(xué)出版社， 2005年），空管系統(tǒng)發(fā)展可分為四個(gè)階段：

第一階段：1929-1934年期間。當(dāng)時(shí)飛機(jī)飛行距離最多只有幾百米，而且只能在白天天氣好的情況下飛行，因此只需按照目視的原則制定飛行規(guī)則，在飛行密度大且繁忙的機(jī)場(chǎng)，由一個(gè)管理人員進(jìn)行管理，以確保空中交通的安全有序；

第二階段：1934-1945年期間。1934年前后，載客量在20人以上、飛行速度達(dá)300km/h的飛機(jī)誕生，由于更加頻繁穩(wěn)定飛行活動(dòng)，目視飛行規(guī)則已經(jīng)難以滿足需要。因此，各航空發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛成立了空中交通主管機(jī)構(gòu)，制定了使用儀表進(jìn)行安全飛行的規(guī)則，并建立起全國(guó)規(guī)模的航路網(wǎng)和相應(yīng)的航站、塔臺(tái)或航路交通管制中心；

第三階段：1945年-20世紀(jì)80年代。二次世界大戰(zhàn)帶來了航空技術(shù)的飛躍性進(jìn)步，隨著飛機(jī)航程的加長(zhǎng)，載客量大幅增長(zhǎng)以及速度的加快。1945年，國(guó)際民航組織（ICAO）應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)50年代中期，戰(zhàn)時(shí)雷達(dá)技術(shù)開始應(yīng)用于空中交通管制領(lǐng)域，重要地區(qū)逐漸開始采用雷達(dá)管制取代傳統(tǒng)程序管制；

第四階段：20世紀(jì)80年代后期至今。電子技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在機(jī)載設(shè)備和空管地面設(shè)施廣泛應(yīng)用。為應(yīng)付新飛機(jī)航速航程的擴(kuò)展和日益增長(zhǎng)的空中交通量，國(guó)際民航組織于1983年底成立了一個(gè)未來空中航行系統(tǒng)（FANS）特別委員會(huì)。1985年， ICAO開始組織對(duì)未來航行系統(tǒng)（FANS）的研究和規(guī)劃。1993年FANS正式更名為CNS／ATM系統(tǒng)，即新航行系統(tǒng)。

當(dāng)前，低空經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展將持續(xù)擴(kuò)大國(guó)內(nèi)空管系統(tǒng)的需求，空管系統(tǒng)將面臨更多低空航空器的管理和監(jiān)控需求。這些低空航空器在農(nóng)業(yè)、物流配送、城市交通等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，需要空管系統(tǒng)提供精準(zhǔn)、高效的空中交通管理服務(wù)，將拓展新的市場(chǎng)空間。為適應(yīng)地空經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)的對(duì)低空交通管理需求的特殊性，空管系統(tǒng)技術(shù)能力及業(yè)務(wù)模式需滿足隨之帶來的新要求：

1）低空飛行環(huán)境高度復(fù)雜，飛行活動(dòng)具有異構(gòu)、高密度、高頻次、高復(fù)雜性的特點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景中有人/無人飛行器混合運(yùn)行、飛行器密度高、障礙物數(shù)量多、氣象環(huán)境復(fù)雜，對(duì)空管系統(tǒng)提出更高要求?？展芟到y(tǒng)需要提供更加靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、精細(xì)化的空中交通管理服務(wù)，滿足多種類型低空航空器的不同應(yīng)用場(chǎng)景下航行的需求；

2）低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要空管系統(tǒng)能夠處理更加復(fù)雜的航空數(shù)據(jù)，并與低空航空器進(jìn)行及時(shí)有效的通信。因此，空管系統(tǒng)需要不斷提升數(shù)據(jù)處理和通信能力，以滿足低空航空活動(dòng)的需求，實(shí)現(xiàn)“看得見，管得住” 。

3. 空管系統(tǒng)過去多應(yīng)用民航等高空航空器航行場(chǎng)景，對(duì)于低空?qǐng)鼍?，傳統(tǒng)空管系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，以更好地管理和監(jiān)控低空航空器的飛行活動(dòng)、應(yīng)對(duì)其與地面設(shè)施，人員以及其他空域航空器之間的安全問題；

4. 低空經(jīng)濟(jì)正在讓空管系統(tǒng)從傳統(tǒng)面向政府、面向企業(yè)的業(yè)務(wù)格局，向面向消費(fèi)者轉(zhuǎn)變。為更好面對(duì)低空經(jīng)濟(jì)的大眾化發(fā)展及應(yīng)用場(chǎng)景的拓寬，空管系統(tǒng)也應(yīng)增加一系列面向大眾消費(fèi)者的服務(wù)性功能。

04 低空經(jīng)濟(jì)下空管系統(tǒng)發(fā)展新趨勢(shì)

空管系統(tǒng)逐步現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)化、智慧化是低空空管系統(tǒng)發(fā)展的必然路徑，即依托包括4G/5G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、北斗系統(tǒng)、雷達(dá)等監(jiān)視系統(tǒng)的天空地基礎(chǔ)設(shè)施，協(xié)調(diào)各級(jí)空管部門、安全應(yīng)急部門和基建保障部門關(guān)系，建立數(shù)字化的低空運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化的空域設(shè)計(jì)和航路規(guī)劃，是未來低空空管系統(tǒng)發(fā)展的必然路徑。具體來看：

1. 通信方面，5G-A通感一體及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供低空數(shù)據(jù)傳輸新方案

5G-A通感一體化成為低空通信發(fā)展方向，已在廈門成功試點(diǎn)。5G頻譜從Sub 6GHz向毫米波發(fā)展，感知能力進(jìn)一步提升，在此背景下通信感知一體化，即基于軟硬件資源/信息共享，實(shí)現(xiàn)感知與通信功能協(xié)同的技術(shù)成為新發(fā)展方向。通信感知一體化技術(shù)融合通信和感知功能，既可以通過通信鏈路獲取合作航空器的位置、速度、姿態(tài)等關(guān)鍵信息，又可以通過感知技術(shù)獲取非合作航空器的位置、速度及其周圍環(huán)境信息，同時(shí)依托毫米波高分辨率、高定位精度的優(yōu)勢(shì)，在低空飛行器體積小、數(shù)量多的背景下應(yīng)用空間廣闊。2023年12月，全球首個(gè)“5G-A通感一體低空協(xié)同組網(wǎng)”在廈門成功試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)監(jiān)測(cè)、無人機(jī)航跡跟蹤等場(chǎng)景驗(yàn)證；2024年3月，云南保山云瑞機(jī)場(chǎng)建成開通全球首個(gè)5G-A智慧機(jī)場(chǎng)通感一體基站。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有立體覆蓋優(yōu)勢(shì)，有望在低空通信遠(yuǎn)期形態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在1000m以上空域，5G信號(hào)覆蓋能力存在局限性，最終低空通信解決方案可能會(huì)融合當(dāng)前4G/5G網(wǎng)絡(luò)與專用通信鏈路/網(wǎng)絡(luò)、通感一體化網(wǎng)絡(luò)和低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。其中衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠滿足航空對(duì)于全地域穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的要求，《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)施方案》強(qiáng)調(diào)加速5G、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等融合應(yīng)用。我們認(rèn)為，伴隨星地融合演進(jìn)，具有立體覆蓋優(yōu)勢(shì)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)有望在低空通信遠(yuǎn)期形態(tài)中發(fā)揮重要作用。

2. 導(dǎo)航方面，北斗天地協(xié)同數(shù)字化底座是低空空管體系的重要基礎(chǔ)

高精度定位技術(shù)是低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要基礎(chǔ)。在低空飛行器密度高、飛行障礙物多的背景下，高精度定位技術(shù)成為必要基礎(chǔ)，北斗導(dǎo)航融入低空空管成為必然趨勢(shì)。1）授時(shí)方面：北斗可為低空飛行器提供高精度授時(shí)服務(wù)。2）導(dǎo)航監(jiān)視方面：目前典型的ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）發(fā)射機(jī)利用高頻數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行通信，位置信息基本以GPS數(shù)據(jù)為主，而北斗融入ADS-B作為信息源或?qū)⒊蔀榘l(fā)展趨勢(shì)；3）“北斗+低軌衛(wèi)星”通導(dǎo)一體網(wǎng)絡(luò)具備高可靠位置及通信服務(wù)能力，先進(jìn)技術(shù)融合提供高性能解決方案。

基于北斗的低空高精度立體交通圖建設(shè)是解決低空航空器有序飛行的關(guān)鍵。未來低空空域千萬級(jí)乃至更大規(guī)模無人機(jī)和有人機(jī)的融合飛行需求對(duì)導(dǎo)航體系提出較高要求，解決這一難題的核心是建設(shè)統(tǒng)一的低空高精度立體交通圖網(wǎng)絡(luò)，目前在浙江、安徽、上海、廣東等地已經(jīng)開始試點(diǎn)。安徽合肥駱崗公園無人體系城市級(jí)應(yīng)用示范項(xiàng)目采用北斗伏羲全球領(lǐng)先的GeoSOT地球網(wǎng)格剖分理論體系。未來北斗天地協(xié)同綜合時(shí)空網(wǎng)絡(luò)將為低空空管體系提供數(shù)字化底座，為低空空管無人化、精準(zhǔn)化和智能化的發(fā)展提供助力。

3. 監(jiān)視領(lǐng)域，ADS-B成為先進(jìn)空管技術(shù)發(fā)展方向

多種空管監(jiān)視方式融合成為保障飛行安全的必然趨勢(shì)?？展鼙O(jiān)視主要指針對(duì)空中飛行航空器的監(jiān)視，以此提高空中交通運(yùn)行的安全性和效率。按照監(jiān)視技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式的不同可以分為一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、ADS-B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視）和多點(diǎn)相關(guān)定位等，目前多種監(jiān)視技術(shù)的綜合應(yīng)用成為保證飛行安全、管理空域流量的必然趨勢(shì)。

4.氣象方面：高性能相控陣?yán)走_(dá)提升氣象監(jiān)測(cè)精度，氣象服務(wù)為低空經(jīng)濟(jì)護(hù)航

高精度氣象情報(bào)服務(wù)保障低空飛行安全，低空氣象基礎(chǔ)建設(shè)和數(shù)據(jù)服務(wù)有望加速。低空飛行活動(dòng)中氣象信息服務(wù)需要達(dá)到米級(jí)、小時(shí)級(jí)/分鐘級(jí)高精度，地面端氣象站信息向低空端飛行器傳輸需要高效數(shù)據(jù)傳輸方法協(xié)同，如深圳市在統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的城市底圖中接入氣象數(shù)據(jù)。從產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展角度來看，深圳市氣象局提出氣象三張網(wǎng)，包括用于提升低空氣象監(jiān)測(cè)能力的“氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)”、用于提升低空氣象服務(wù)保障能力的“氣象數(shù)字網(wǎng)”和賦能相關(guān)技術(shù)服務(wù)業(yè)的“氣象賦能網(wǎng)”。氣象服務(wù)高精度的趨勢(shì)有望帶動(dòng)氣象雷達(dá)及氣象數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)展。

總之，低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)空管系統(tǒng)提出新的技術(shù)發(fā)展方向。為保障低空飛行活動(dòng)安全高效，空管系統(tǒng)供應(yīng)商研究建立低空三維數(shù)字化空域地理信息系統(tǒng)，推進(jìn)北斗導(dǎo)航、低軌衛(wèi)星通信、5G-A、自主飛行，通感一體等技術(shù)理念應(yīng)用，構(gòu)建天地一體的低空通信導(dǎo)航監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，全面提升低空航行服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行低空飛行服務(wù)系統(tǒng)與無人駕駛航空器一體化綜合監(jiān)管服務(wù)體系。

參考文獻(xiàn)

億歐智庫(kù)，2024中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)行業(yè)研究報(bào)告，2024中信證券，空管系統(tǒng)：低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展，空管系統(tǒng)先行，2024中金證券，空管系統(tǒng)——飛行保障基石，領(lǐng)航低空飛行新紀(jì)元，2024

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吳冬升 博士