低空经济“大脑”——空管系统发展趋势

文 | 开山

今年，低空经济发展如火如荼。《一文读懂5G-A如何赋能低空经济》中介绍了5G-A通感一体化技术如何助力低空经济发展。本文聚焦低空经济的“大脑”——空管系统，介绍其基本构成、产业链及发展趋势。

01 什么是空管系统

空管系统是一套用于监护和控制航空交通，确保飞行安全和效率的技术和程序系统。民航空中交通管理系统的核心是空管系统，高效的空管系统是低空经济发展的保障。

具体来讲，空管系统即通信、导航、监视与空中交通管理系统，包括空中交通管理系统（Air Traffic Management，ATM）、通信系统、导航系统、监视系统等。CNS （Communication，Navigation, Surveillance CNS）系统由三大基础要素所组成，即通信（Communication），导航（Navigation）以及监视（Surveillance）系统：

1）现代通信系统基于航空电信网（ATN）实现地空、地地及空空间数据通信传输，主要使用卫星通讯，高频数据链（VHF&HF），或S模式二次雷达数据链建立不同终端间数据通信通道，保证信息的实时交换；

2）导航系统主要用于飞行器定位，航向控制及导航。系统利用全球定位系统，惯性导航系统，仪表着陆系统，甚高频导航及距离测量设备等，提供了保障飞行器安全、高效地在空中航行所需的位置和方向信息；

3）监视系统追踪飞行器空中状态和运动模式的相关数据。通过使用雷达，自动相关监视，多雷达跟踪等技术提供飞行器航行中所需的必要信息，帮助空中交通管制人员和飞行员做出正确的决策。三大系统软硬件协同运转，保障航行信息准确高效收集交换。

图1 CNS系统构成

空中交通管理系统（ATM）是空管工作人员用来实际操作和管理飞行交通的信息处理平台。基于CNS 系统提供的数据基础，ATM系统构建信息综合处理平台，为航行过程中的飞行器提供整合后信息，制定流量控制措施，并规划分配方案。完整的 ATM系统由三大部分组成：空中交通服务，空中交通流量管理和空域管理。它们共同协调和管理空中交通，有效维护空中交通秩序，促进空中交通安全，保障空中交通畅通。

图2 ATM系统构成

02 产业链构成

空管系统涉及的产业链环节较为集中，包括上游的通导监系统设备供应商、中游的空管系统研发与集成商和下游空中交通使用者等。

上游包括监测、导航和通信系统设备供应商及数据服务供应商，它们提供了空中交通管理所需的关键设备和技术。监测系统设备供应商负责提供用于监测空中航空器的位置和运动轨迹的相关设备。导航系统设备供应商则提供GPS设备、航向指示器和惯性导航系统等，用于航空器的定位和导航。此外数据供应商为空中交通管理系统提供必要的数据支持和信息服务，包括航空气象服务、航空地图服务、飞行计划服务等。所有数据将交由数据服务商分类规范处理，以支持空中交通管理系统的运行和决策制定。这些企业致力于将原始数据按照标准进行分类、确保数据符合规范、对数据进行处理和分析以及将多源数据融合和集成。这些服务共同确保了航空安全和运输效率的提升。

中游空管系统研发及集成商公司致力于研发和集成各种空管系统所需的软件和硬件解决方案。他们负责设计、开发和整合空中交通管理系统的各个组成部分，包括上游所提供的雷达系统、通信系统、导航系统、监控系统等。这些解决方案需要满足国际航空标准和安全要求，并与其他航空系统和设备无缝集成。

下游包括各种空中交通使用者，包括军用和民用航空公司、航空器运营商、机场运营商及空管交通局。军用航空公司承担着军事任务，包括空中巡逻、运输、战术支援等，他们需要与空管系统紧密协作以确保军事航行的安全和顺利进行。民用航空公司提供商业航班服务，负责运输旅客和货物，他们依赖空管系统确保航班安全、准时到达目的地。航空器运营商是拥有和运营航空器的实体，他们需要监管运营航空器的平台，与空管系统的合作关系密切。最后，机场运营商负责管理和运营机场设施，包括航站楼、跑道、停机位等，他们需要与空管系统协调航班起降、停机和地面运输，以确保机场运行的高效和安全。空管交通局需要与空管系统提供商合作，以获取技术支持、定制解决方案、系统更新和维护服务，共同确保空中交通的安全和顺畅运行。

03 低空经济下的新要求

在政策的引领下，低空经济市场前景广阔。工业和信息化部等四部门最新发文提出，到2030年，通用航空装备全面融入人民生产生活各领域，成为低空经济增长的强大推动力，形成万亿级市场规模。2024年2月28日国新办新闻发布会上，中国民航局副局长韩钧表示，据测算2023年我国低空经济规模超5000亿元，2030 年有望达到2万亿元。

随着低空积极的发展，我国低空空管系统市场规模将进一步拓展，根据华经产业研究院数据显示，中国空管系统投资额从 2016 年的 23.3 亿元上涨至2021年的59.8亿元，增长19.03%，年复合增长率为 24.18%。

从发展阶段来看，根据《现代空中交通管理》（张军，北京航空航天大学出版社， 2005年），空管系统发展可分为四个阶段：

第一阶段：1929-1934年期间。当时飞机飞行距离最多只有几百米，而且只能在白天天气好的情况下飞行，因此只需按照目视的原则制定飞行规则，在飞行密度大且繁忙的机场，由一个管理人员进行管理，以确保空中交通的安全有序；

第二阶段：1934-1945年期间。1934年前后，载客量在20人以上、飞行速度达300km/h的飞机诞生，由于更加频繁稳定飞行活动，目视飞行规则已经难以满足需要。因此，各航空发达国家纷纷成立了空中交通主管机构，制定了使用仪表进行安全飞行的规则，并建立起全国规模的航路网和相应的航站、塔台或航路交通管制中心；

第三阶段：1945年-20世纪80年代。二次世界大战带来了航空技术的飞跃性进步，随着飞机航程的加长，载客量大幅增长以及速度的加快。1945年，国际民航组织（ICAO）应运而生。20世纪50年代中期，战时雷达技术开始应用于空中交通管制领域，重要地区逐渐开始采用雷达管制取代传统程序管制；

第四阶段：20世纪80年代后期至今。电子技术快速发展，计算机在机载设备和空管地面设施广泛应用。为应付新飞机航速航程的扩展和日益增长的空中交通量，国际民航组织于1983年底成立了一个未来空中航行系统（FANS）特别委员会。1985年， ICAO开始组织对未来航行系统（FANS）的研究和规划。1993年FANS正式更名为CNS／ATM系统，即新航行系统。

当前，低空经济的不断发展将持续扩大国内空管系统的需求，空管系统将面临更多低空航空器的管理和监控需求。这些低空航空器在农业、物流配送、城市交通等领域的应用不断增加，需要空管系统提供精准、高效的空中交通管理服务，将拓展新的市场空间。为适应地空经济带动的对低空交通管理需求的特殊性，空管系统技术能力及业务模式需满足随之带来的新要求：

1）低空飞行环境高度复杂，飞行活动具有异构、高密度、高频次、高复杂性的特点，应用场景中有人/无人飞行器混合运行、飞行器密度高、障碍物数量多、气象环境复杂，对空管系统提出更高要求。空管系统需要提供更加灵活、适应性强、精细化的空中交通管理服务，满足多种类型低空航空器的不同应用场景下航行的需求；

2）低空经济的发展需要空管系统能够处理更加复杂的航空数据，并与低空航空器进行及时有效的通信。因此，空管系统需要不断提升数据处理和通信能力，以满足低空航空活动的需求，实现“看得见，管得住” 。

3. 空管系统过去多应用民航等高空航空器航行场景，对于低空场景，传统空管系统应进行适应性改进，以更好地管理和监控低空航空器的飞行活动、应对其与地面设施，人员以及其他空域航空器之间的安全问题；

4. 低空经济正在让空管系统从传统面向政府、面向企业的业务格局，向面向消费者转变。为更好面对低空经济的大众化发展及应用场景的拓宽，空管系统也应增加一系列面向大众消费者的服务性功能。

04 低空经济下空管系统发展新趋势

空管系统逐步现代化、数据化、智慧化是低空空管系统发展的必然路径，即依托包括4G/5G通信、卫星互联网、北斗系统、雷达等监视系统的天空地基础设施，协调各级空管部门、安全应急部门和基建保障部门关系，建立数字化的低空运行环境，实现智能化的空域设计和航路规划，是未来低空空管系统发展的必然路径。具体来看：

1. 通信方面，5G-A通感一体及卫星互联网提供低空数据传输新方案

5G-A通感一体化成为低空通信发展方向，已在厦门成功试点。5G频谱从Sub 6GHz向毫米波发展，感知能力进一步提升，在此背景下通信感知一体化，即基于软硬件资源/信息共享，实现感知与通信功能协同的技术成为新发展方向。通信感知一体化技术融合通信和感知功能，既可以通过通信链路获取合作航空器的位置、速度、姿态等关键信息，又可以通过感知技术获取非合作航空器的位置、速度及其周围环境信息，同时依托毫米波高分辨率、高定位精度的优势，在低空飞行器体积小、数量多的背景下应用空间广阔。2023年12月，全球首个“5G-A通感一体低空协同组网”在厦门成功试点，实现多目标监测、无人机航迹跟踪等场景验证；2024年3月，云南保山云瑞机场建成开通全球首个5G-A智慧机场通感一体基站。

卫星互联网具有立体覆盖优势，有望在低空通信远期形态中发挥关键作用。在1000m以上空域，5G信号覆盖能力存在局限性，最终低空通信解决方案可能会融合当前4G/5G网络与专用通信链路/网络、通感一体化网络和低轨卫星互联网。其中卫星互联网能够满足航空对于全地域稳定网络服务的要求，《通用航空装备创新应用实施方案》强调加速5G、卫星互联网等融合应用。我们认为，伴随星地融合演进，具有立体覆盖优势的卫星互联网有望在低空通信远期形态中发挥重要作用。

2. 导航方面，北斗天地协同数字化底座是低空空管体系的重要基础

高精度定位技术是低空经济发展的必要基础。在低空飞行器密度高、飞行障碍物多的背景下，高精度定位技术成为必要基础，北斗导航融入低空空管成为必然趋势。1）授时方面：北斗可为低空飞行器提供高精度授时服务。2）导航监视方面：目前典型的ADS-B（广播式自动相关监视）发射机利用高频数据链进行通信，位置信息基本以GPS数据为主，而北斗融入ADS-B作为信息源或将成为发展趋势；3）“北斗+低轨卫星”通导一体网络具备高可靠位置及通信服务能力，先进技术融合提供高性能解决方案。

基于北斗的低空高精度立体交通图建设是解决低空航空器有序飞行的关键。未来低空空域千万级乃至更大规模无人机和有人机的融合飞行需求对导航体系提出较高要求，解决这一难题的核心是建设统一的低空高精度立体交通图网络，目前在浙江、安徽、上海、广东等地已经开始试点。安徽合肥骆岗公园无人体系城市级应用示范项目采用北斗伏羲全球领先的GeoSOT地球网格剖分理论体系。未来北斗天地协同综合时空网络将为低空空管体系提供数字化底座，为低空空管无人化、精准化和智能化的发展提供助力。

3. 监视领域，ADS-B成为先进空管技术发展方向

多种空管监视方式融合成为保障飞行安全的必然趋势。空管监视主要指针对空中飞行航空器的监视，以此提高空中交通运行的安全性和效率。按照监视技术和实现方式的不同可以分为一次雷达、二次雷达、ADS-B（广播式自动相关监视）和多点相关定位等，目前多种监视技术的综合应用成为保证飞行安全、管理空域流量的必然趋势。

4.气象方面：高性能相控阵雷达提升气象监测精度，气象服务为低空经济护航

高精度气象情报服务保障低空飞行安全，低空气象基础建设和数据服务有望加速。低空飞行活动中气象信息服务需要达到米级、小时级/分钟级高精度，地面端气象站信息向低空端飞行器传输需要高效数据传输方法协同，如深圳市在统一数据共享平台的城市底图中接入气象数据。从产业链发展角度来看，深圳市气象局提出气象三张网，包括用于提升低空气象监测能力的“气象监测网”、用于提升低空气象服务保障能力的“气象数字网”和赋能相关技术服务业的“气象赋能网”。气象服务高精度的趋势有望带动气象雷达及气象数据服务的发展。

总之，低空经济发展对空管系统提出新的技术发展方向。为保障低空飞行活动安全高效，空管系统供应商研究建立低空三维数字化空域地理信息系统，推进北斗导航、低轨卫星通信、5G-A、自主飞行，通感一体等技术理念应用，构建天地一体的低空通信导航监视网络，全面提升低空航行服务能力，实现现行低空飞行服务系统与无人驾驶航空器一体化综合监管服务体系。

参考文献

亿欧智库，2024中国低空经济行业研究报告，2024中信证券，空管系统：低空经济发展，空管系统先行，2024中金证券，空管系统——飞行保障基石，领航低空飞行新纪元，2024

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吴冬升 博士