eVTOL导航和控制系统的演变

电动垂直起飞和着陆(eVTOL)飞机是城市机动性的一种范式转变,要求导航和控制系统比常规直升机或无人机中发现的更复杂得多,这些系统的核心是依靠全球定位系统接收器、惯性测量装置(IMU)的聚合,这些装置混合了加速计和陀螺仪、气压高度计、磁强计,而且越来越多地混合了视距计或LiDAR传感器。飞行控制计算机往往采用卡尔曼滤波器或更近期的概率算法,以高度完整的方式估计飞机的状态(位置、速度、方向)。控制环然后计算出用于分布式电推进装置的动因子、控制推力、差推力和循环投射的动力。载客飞行的内在冗余和断容忍方面的要求促使人们有必要与地面扩增压系统、空中交通管理和机队业务中心建立强有力的通信联系。

5G 连接性如何改变eVTOL操作

5G新无线电(NR)的部署带来了几个直接解决早期蜂窝代数限制的技术支柱. 对于eVTOL导航和控制,最相关的能力是超可靠低纬度通信(URLLC),高通量传感器数据的增强移动宽带(EMBB),以及密集传感器网络的大规模机型通信(mMTC). 关键是,5G支持低纬度,高可靠性连接的能力使得直接的飞行员指令或远程监督能够以次-10毫升的端到端延迟传输,这推动了在超视线视线(BVLOS)操作中实时控制边界.

安全-关键函数超可靠低密度通信(URLLC)

URLLC是使用寿命安全的基石。eVTOL飞机必须用超过50赫兹的地面控制站交换遥测技术,如发动机状态、电池充电状态、位置和姿态。 使用5G的URLLC,单包无法在紧凑的备用预算范围内交付的可能性可降低到每台连接不到10。这使得不完全依靠机载自主实施远程接收和紧急着陆指令成为可能。 此外,5G网络可以通过无线电接入网络提供精确的时间同步,用于跨越多架飞机和地面基础设施的协调,这对于在高密度城市空中走廊避免碰撞至关重要。

通过数据聚合增强对情况的认识

城市运行的eVTOL飞机从高分辨率摄像机、360°雷达和超音速传感器中产生大量数据。 5G的eMBB能力使得这些数据流可以卸载到边缘计算节点,以便进行高级感知处理。 通过将机载传感器与基础设施安装传感器(如交通摄像机、气象站)和其他飞机的数据通过蜂窝式车辆对一切(C-V2X)协议相结合,eVTOL的导航系统可以构建一个周边的综合性数字双子。 这种云辅助感知可以减少机载计算负荷,并使得更有效地探测障碍,即使在低可见条件下也是如此。

专用空中机动频道网络切换

5G网络切换在共享的有形基础设施上提供逻辑上孤立的虚拟网络。对于城市空气移动(UAM),监管者和运营者可以提供一种具有保证服务质量参数的专用片段——最小的热量、保证的吞吐量和高可用性,这确保了eVTOL控制信号不受智能手机或自主车辆地面数据拥塞的影响。网络片段可以根据飞行阶段动态配置:要求更高的可靠性的起飞片段、用于转移传感器日志的优化游轮片和具有先发制人保留资源的应急片段。

5G对自主飞行和碰撞避免的影响

虽然目前的eVTOL设计往往包括一个初步认证的人类飞行员,但航空出租车获得利润的长期路径依赖于增强自主权. 5G连接通过实现与地面“自治作为服务”平台的实时互动,加速了这一过渡.

实时障碍检测和路径规划

传统的避免机载碰撞系统受到传感器范围和计算力的限制。 eVTOL飞机可以查询一个远程云基路径规划器,该规划器将数据从城市数字基础设施中汇总。例如,即将到来的建造起重机或临时无人机活动区可以标出,新的航线以毫秒计算。 5G的延迟优势意味着能够合作传播和避免动态障碍 — — 如其他飞机进行紧急操作。 FAAA的UAS程序 已经展示了5G链接可以自动消除冲突的行动概念,有可能达到每平方千米数百架飞机的规模。

合作感知和V2X通信

eVTOL使用基于5G的C-V2X,可以实时地相互和地面站共享传感器数据. 这种合作感知使得一个飞行器能够"看到"超出自身传感器:一个接近一个交叉点的eVTOL可以从另一个从垂直方向接近的飞机接收盲点信息. 3GPP的规格使得设备对设备直接通信而不必总是通过基站,更进一步地降低延迟. NASA的高级空中移动(AAM)国家运动等项目中正在积极测试这一技术,其中包括5G型车辆对基础设施的试验,以精确的方法进行,并在城市的脊椎中着陆.

5G-可启用电子视障运输工具一体化面临的挑战

尽管前景良好,但将5G与eVTOL导航和控制系统结合起来仍构成重大障碍。 最直接的问题是城市峡谷的无线电频率覆盖。 天心管、桥梁和隧道造成信号阻塞、多路径淡化和移交故障。 目前的5G巨细胞网络被优化用于地面用户,而不是用于200至500英尺高度飞行的飞机。 新的天线设计 — — 如地面站的分阶段阵列和飞机上装有束索的天线 — — 需要在高速攀登和银行转弯期间保持连贯的连接。

安全是另一个关键问题。 由于5G链接携带控制指令和安全关键数据,它们成为网络攻击的吸引目标,包括中层人、拒绝服务、偷袭。 加密、相互认证和网络切片隔离至关重要,但也引入了必须编入控制循环预算的潜伏度。 3GPP和ICAO等标准机构正在制定5G通信的适航性规范,但航空级5G调制解调器和天线的认证仍然是一个漫长的过程。

光谱分配也带来了问题。 现在用于商业移动服务的5G频段(例如,许多地区3.5GHz,美国6GHz)必须与在役卫星、雷达和政府业务共享。 对于需要保证容量的eVTOL业务,专用频段(可能在4.2-4.4GHz范围内,或像28GHz那样的毫米波段)可能是必要的。 FCC正在积极探索空中对地连接的规则,但最终决定尚待作出。

干扰地面网络也是一个风险. 飞行中的eVTOL可能连接到多个地面细胞,有可能对所有这些细胞的用户造成干扰,需要严控的移交算法和电源控制,以避免降低对地面用户的服务.

未来展望:6G及以后

随着5G网络的成熟,研究界已经向着6G,它保证了综合感知和通信(ISAC)和Thartz(Thz)波段。对于eVTOL,6G可以通过大型的MIMO阵列和对风切变等大气条件的分子水平的感知提供亚毫米定位精度。“网络”本身可以容纳一个分布在整个城市空域的分布式数字双倍,由AI为基础的交通管理者比任何集中系统更快地作出决定。 国际电联的IMT-2030愿景将先进的空气流动作为一个关键使用案例,推动非地球网络(卫星)与地面5G/6G的集成,为跨区域运行的eVTOL提供无缝的全球覆盖。

结论

5G连接对eVTOL导航和控制系统的影响远远超出了简单的数据传输。 通过基于URLC的远程控制、边缘增强的传感器聚变和动态网络切换,5G提供了安全、可扩展的城市空气流动所需的通信骨干。 覆盖、安全、频谱和认证方面仍然存在挑战,但轨道是明确的:未来的eVTOL机队将在5G-最终是6G-eco系统内运行,该系统将空气视为连接世界的另一个层面。 随着这些技术的汇聚,空中出租车作为城市交通常规部分的愿景也向现实迈进,不仅有望实现速度和方便,而且可以从根本上重新思考我们如何设计天空的导航和控制。