CN119743766B - 一种基于5g atg的空地一体化航空智能网络通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统及方法，所述系统包括机载子系统、5G ATG地面基站、核心网、地面专线和园区子系统，其中：所述机载子系统包括机载天线，机载5G CPE，加密机，威胁检测模块和机载交换机/WIFI；所述园区子系统包括防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器、专网自服务管理平台和5G终端；所述5G ATG地面基站用于对指定空域进行5G ATG信号覆盖；所述核心网和地面专线用于将5G ATG地面基站和园区子系统之间的数据传输。

Description

一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统及方法

技术领域

本发明属于5G通信领域，具体涉及一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统及方法。

背景技术

商用5G ATG(Air to Ground)技术是一种用于提升移动通信网络覆盖和性能的先进技术。ATG技术的核心概念是将通信设备安装在高空平台上(如飞机、气球或无人机)上，这些平台可以与地面基站和用户设备进行无线通信。5G ATG技术可以提供高速的无线数据传输速度，支持高清视频流、实时游戏和其他高宽带应用。由于5G网络的低延迟特性，ATG技术能够提供几乎实时的通信体验，适用于需要快速响应的应用。

空地遥测链路是指空中平台与地面系统之间建立的无线通信链路，用于数据传输和实时监控。

然而现有的商用商用5G ATG技术不满足试飞业务需求，空地遥测链路空地传输速率低，且空地遥测链路地面系统一个基站仅能支持较少的用户，且不支持组网，不适应试飞业务需求的发展。

发明内容

本发明的目的：以满足未来智能飞行多元动态组网通信需求为牵引，提出一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统及方法，实现高空高动态广域5G直连通信，有效支撑空地一体化试飞协同应用场景，在航空飞行器上实现网络威胁告警检测。

第一方面，本申请提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统，包括机载子系统、5G ATG地面基站、核心网、地面专线和园区子系统，其中：

所述机载子系统包括机载天线，机载5G CPE(Customer Premises Equipment)，加密机，威胁检测模块和机载交换机/WIFI；

所述园区子系统包括防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器、专网自服务管理平台和5G终端；

所述5G ATG地面基站用于对指定空域进行5G ATG信号覆盖；

所述核心网和地面专线用于将5G ATG地面基站和园区子系统之间的数据传输；

机载测试数据终端和5G终端的数据依次经过交换机/WIFI、威胁检测模块、加密机、机载5G CPE，经由机载相控阵天线发射，然后通过5G ATG链路空地传输给5G ATG地面基站；5G ATG地面基站通过核心网与地面专线连接，再通过地面专线依次与防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器和地面交换机/WIFI连接传输到专网自服务管理平台和5G终端；

专网自服务管理平台和5G终端的地面数据则通过地面交换机/WIFI接收，经过ATG专网管控应用服务器，加密机加密后，再依次经过交换机、防火墙、地面专线、核心网和5GATG地面基站，通过5G ATG链路传输到飞机，由机载相控阵天线接收，经过机载5G CPE处理、加密机进行解密和威胁检测模块监测，无异常行为后，经过机载交换机/WIFI传输到5G终端可视化展示。

进一步的，所述机载5G CPE是指安装在航空器上的终端设备，用于与地面网络进行通信；

所述加密机用于保障空地数据传输的安全性；

所述威胁检测模块用于解决网络威胁隐患，通过对航电总线数据的分析、威胁监视告警，实现基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统中安全链路的威胁监视告警功能；

所述机载交换机/WIFI用于接收机载测试数据终端的数据，并与5G终端进行数据交互。

进一步的，所述园区子系统用于实现机载子系统与接入地面交换机/WIFI的5G终端和专网自服务管理平台之间的双向业务传输；

所述防火墙用于监控和控制流量，保护园区子系统免受未经授权的访问、攻击和威胁；

所述交换机用于数据转发；

所述ATG专网管控应用服务器用于管理、控制和优化ATG专网中的应用和服务；

所述专网自服务管理平台用于实现对ATG网络的接入5G终端、网络链路状态、机载5G CPE进行性能监控和管理，部署应用app实现地面与空中客户端的视频及语音通话功能以及机上数据的实时下传管理。

进一步的，威胁检测模块包括协议解析模块、攻击检测模块、设备采集模块、威胁注入模块和监视告警模块；

所述协议解析模块，用于将通信监听获取的通信数据依字段解析，获取其通信协议类型及其相应的关键字段，主要支持IT协议、OT协议和航电总线协议进行采集解析；

所述攻击检测模块，用于对协议解析模块传递过来的通信数据进行威胁检测，并将结果通过5G ATG链路传递给专网自服务管理平台和5G终端显示；

所述设备采集模块，用于实时采集网络流量，并实时进行流量分析而获得相关信息，并将分析后的流量系统自动丢弃，数据采集能力高、效率快，采集数据过程不会影响整个网络运行；

所述威胁注入模块，用于自动调取漏洞库，或者自定义的漏洞检测规则；

所述监视告警模块，用于针对安全威胁进行可视化界面告警呈现，实现威胁监视分析、事件告警及系统管理等可视化展现功能。

进一步的，加密机包括密钥分发系统、提取与存储组件、加密组件、解密组件、后级发送部分和后级接收部分；从密钥分发系统中提取密钥并存储，经扩展后以预设速率封装成IP包格式输出，与用户数据进行加/解密运算后，送至线路中传输或还原给用户。

第二方面，本申请提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统方法，方法包括：

步骤1、通过机载子系统将机载测试数据终端和5G终端的机上数据传输至5G ATG地面基站；

步骤2、5G ATG地面基站接收到IP信号后经过核心网和地面专线传输到园区子系统；

步骤3、园区子系统将接收的IP信号处理后在专网自服务管理平台和5G终端上可视化展示；

步骤4、分析专网自服务管理平台和5G终端可视化展示的数据；

步骤5、若分析数据存在异常，通过地面5G终端将处理措施传输到机上5G终端。

进一步的，步骤1包括：

步骤11：机载测试数据终端和5G终端的机上数据通过机载交换机/WIFI接收传输给威胁检测模块；

步骤12：威胁检测模块对机上数据进行分析，将分析结果与机上数据传输给加密机；

步骤13：加密机对威胁检测模块分析结果和机上数据进行加密传输给机载5GCPE；

步骤14：机载5G CPE接收到威胁检测模块分析结果和机上数据后，将其转换成IP信号，并完成机载相控阵天线的波束赋型，保证5G ATG地面基站可以通过5G ATG链路接收到IP信号。

进一步的，步骤5包括：

步骤51：处理措施经过园区子系统、地面专线和核心网传输到5G ATG地面基站；

步骤52：5G ATG地面基站接收到处理措施后经过5G ATG链路传输到机载子系统；

步骤53：机载子系统接收到处理措施后，经过加密机解密和威胁检测模块分析后，若无异常，由机上5G终端可视化展示。

综上所述，本发明提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统及方法，在我国军民机飞行测试中，通过ATG系统提供对试飞空域的稳定，可靠，大带宽的空地通信链路，可实现高空高动态广域5G直连通信，通过5G ATG技术将5G信号辐射至万米高空，实现12000米高空、1200km/h、300km广域直连通信。本发明打通云网端有效支撑空地一体化试飞协同应用场景，为空地协同、实时数据在线处理等多个应用场景的实现奠定技术基础。本发明通过对航电总线数据的分析、威胁监视告警，实现“空地一体化航空智能网络通信系统”中安全链路的威胁监视告警功能。

附图说明

图1为本发明的基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统成图。

图2为本发明的加密机加解密流程框图。

图3为本发明的地面基站分布图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统，包括机载子系统、5G ATG地面基站、核心网、地面专线和园区子系统，其中：

所述机载子系统包括机载天线，机载5G CPE(Customer Premises Equipment)，加密机，威胁检测模块和机载交换机/WIFI；

所述园区子系统包括防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器、专网自服务管理平台和5G终端；

机载测试数据终端和5G终端的数据依次经过交换机/WIFI、威胁检测模块、加密机、机载5G CPE，经由机载相控阵天线发射，然后通过5G ATG链路空地传输给5G ATG地面基站。5G ATG地面基站通过核心网与地面专线连接，再通过地面专线依次与防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器和地面交换机/WIFI连接传输到专网自服务管理平台和5G终端；

同样的，专网自服务管理平台和5G终端的地面数据则通过地面交换机/WIFI接收，经过ATG专网管控应用服务器，加密机加密后，再依次经过交换机、防火墙、地面专线、核心网和5G ATG地面基站，通过5G ATG链路传输到飞机，由机载相控阵天线接收，经过机载5GCPE处理、加密机进行解密和威胁检测模块监测，无异常行为后，经过机载交换机/WIFI传输到5G终端可视化展示。

具体的，所述机载5G CPE是指安装在航空器上的终端设备，用于与地面网络进行通信；所述加密机用于保障空地数据传输的安全性；所述威胁检测模块用于解决ATG链路等智能化和信息化水平大幅提升带来的网络威胁隐患，通过对航电总线数据的分析、威胁监视告警，实现“基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统”中安全链路的威胁监视告警功能；所述机载交换机/WIFI用于接收机载测试数据终端的数据，并与5G终端进行数据交互；

所述5G ATG地面基站用于对指定空域进行5G ATG信号覆盖；

具体的，5G ATG地面基站支持不小于300km覆盖半径且覆盖高度3000-13000m。

所述核心网和地面专线用于将5G ATG地面基站和园区子系统之间的数据传输。

具体的，所述园区子系统用于实现机载子系统与接入地面交换机/WIFI的5G终端和专网自服务管理平台之间的话音、数据、视频、图像等双向业务传输；所述防火墙用于监控和控制流量，保护园区子系统免受未经授权的访问、攻击和威胁；所述交换机用于数据转发；所述ATG专网管控应用服务器用于管理、控制和优化ATG专网中的应用和服务；所述专网自服务管理平台用于实现对ATG网络的接入5G终端、网络链路状态、机载5G CPE进行性能监控和管理，部署应用app实现地面与空中客户端的视频及语音通话功能以及机上数据的实时下传管理。

所述5G终端包括手机、平板、电脑和摄像头。

具体的，机载5G CPE包括机箱、基带收发信模块、电源模块和母板，机载5G CPE作为无线信号转成IP信号的处理单元，具备5G基带信号处理功能、射频信号处理功能和ARINC429航空总线数据处理功能，负责相控阵天线的波束赋型和空中小区切换处理，可实现机载5G CPE功放前端所有软/硬件功能和5G CPE天线侧收发通道工作状态控制及天线赋型控制；

具体的，如图2所示，加密机包括密钥分发系统、提取与存储组件、加密组件、解密组件、后级发送部分和后级接收部分，工作原理为从密钥分发系统中提取密钥并存储，经扩展后以一定速率封装成IP包格式输出，与用户数据进行加/解密运算后，送至线路中传输或还原给用户。其设计前提是通信发收双方具备密钥分发系统，由此能够从密钥分发系统中提取到完全相同的密钥。密钥的提取与存储可以预先在地面密钥分发系统中完成；

具体的，威胁检测模块包括协议解析模块、攻击检测模块、设备采集模块、威胁注入模块和监视告警模块。所述协议解析模块主要任务是将通信监听获取的通信数据依字段解析，获取其通信协议类型及其相应的关键字段，主要支持IT协议、OT协议和航电总线协议进行采集解析；所述攻击检测模块的主要任务是对协议解析模块传递过来的通信数据进行威胁检测，并将结果通过5G ATG链路传递给专网自服务管理平台和5G终端显示；所述设备采集模块支持采集航电机载总线数据网关设备的航电总线数据，模块采用旁路数据采集技术，实时采集网络流量，并实时进行流量分析而获得相关信息，并将分析后的流量系统自动丢弃，数据采集能力高、效率快，采集数据过程不会影响整个网络运行；所述威胁注入模块可自动调取漏洞库，也可自定义的漏洞检测规则；所述监视告警模块针对安全威胁进行可视化界面告警呈现，可实现威胁监视分析、事件告警及系统管理等可视化展现功能。

需要说明的是，所述威胁检测模块实现航电总线网络的威胁监视与告警，支持5种黑客入侵场景，20种平台系统异常/不安全状态网络威胁行为检测并及时告警。

具体的，所述专网自服务管理平台包括统计分析模块，实时监控模块，网络状态等模块；所述统计分析模块将历史数据进行展示(数据汇总、飞机平台的状态数据分析、服务器和机载CPE状态呈现、实时地空链路状态(基站级)、告警统计分析)；实时监控模块将地空链路的传输速率、网络状态、传输进度、传输监控进行显示；网络状态模块将地空链路、ATG基站等信息进行显示。

需要说明的是，基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统通过5G ATG技术将5G信号辐射至万米高空，实现12000米高空、1200km/h、300km广域直连通信，单机端到端系统峰值速率空对地≥64Mbps，地对空≥128Mbps。

需要说明的是，空中多架飞机在地面5G ATG专用基站的支持下可实现双向组网通信，飞机上的机载测试数据终端和人员使用的手机、平板、电脑等可通过有线和无线方式接入ATG机载子系统，在ATG地面基站的接入覆盖范围内，通过ATG空地数据链路实时与地面和其它空中网内成员进行话音、数据、视频、图像等双向业务传输。地面5G终端可在地面基站的覆盖区域内，通过5G网络安全访问ATG专网管控应用服务器，通过专网自服务管理平台可实时查看相关课题任务，查看加装机载子系统飞机的实时测试参数，与机上人员进行语音及视频互动。

实施例二

本发明提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信方法，应用于上述实施例提供的基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统，方法包括：

步骤1、通过机载子系统将机载测试数据终端和5G终端的机上数据传输至5G ATG地面基站；

具体的，步骤1包括：

步骤11：机载测试数据终端和5G终端的机上数据通过机载交换机/WIFI接收传输给威胁检测模块；

步骤12：威胁检测模块对机上数据进行分析，将分析结果与机上数据传输给加密机；

步骤13：加密机对威胁检测模块分析结果和机上数据进行加密传输给机载5GCPE；

步骤14：机载5G CPE接收到威胁检测模块分析结果和机上数据后，将其转换成IP信号，并完成机载相控阵天线的波束赋型，保证5G ATG地面基站可以通过5G ATG链路接收到IP信号；

步骤2、5G ATG地面基站接收到IP信号后经过核心网和地面专线传输到园区子系统；

步骤3、园区子系统将接收的IP信号处理后在专网自服务管理平台和5G终端上可视化展示；

需要说明的是，地面加密机需要对IP信号进行解密处理；

步骤4、分析专网自服务管理平台和5G终端可视化展示的数据；

步骤5、若发现步骤4分析数据存在异常，通过地面5G终端将处理措施传输到机上5G终端；

具体的，步骤5包括：

步骤51：处理措施经过园区子系统、地面专线和核心网传输到5G ATG地面基站；

需要说明的是，地面加密机要对处理措施进行加密；

步骤52：5G ATG地面基站接收到处理措施后经过5G ATG链路传输到机载子系统；

需要说明的是，5G ATG地面基站需实时对覆盖范围内的飞机进行跟踪，实时将接收到的处理措施传输给指定飞机。

步骤53：机载子系统接收到处理措施后，经过加密机解密和威胁检测模块分析后，若无异常，由机上5G终端可视化展示，辅助飞行员处理问题。

实施例三

本发明提供一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信方法，应用于上述实施例提供的基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统，方法包括：

步骤1、将5G ATG地面基站布设在地点A和地点B，地面基站5G ATG信号覆盖试飞空域；

实际应用中，如图3所示，试飞空域为白色长条形方框试飞区域。

实际应用中，可以将5G ATG地面基站布设在延安延川和渭南合阳。

步骤2、加装机载子系统的两架飞机按照预设的飞行任务在所述试飞空域中飞行，飞行过程中机载子系统与园区子系统进行双向业务传输；

步骤3、飞机飞行过程中，机载测试数据终端实时将机载设备的数据通过通过ATG空地数据链路实时传输到园区子系统，通过专网自服务管理平台和5G终端实时查看机载设备的数据；

具体的，机载设备的数据包括但不限于气象雷达勘测的动态气象数据、飞机平台的状态数据、飞行员的生理心理监测数据和威胁检测模块监测的数据。

步骤4、在专网自服务管理平台和5G终端上实时查看飞机平台的状态数据，对飞机平台的状态数据的实时监控分析；

需要说明的是，专网自服务管理平台需根据测试需求对飞机平台的状态数据进行处理；

步骤5、实时查看飞机平台的状态数据时，若发现存在异常，则通过机上摄像头将异常设备或异常飞行界面回传到园区子系统

步骤6、通过远程专家辅助进行异常故障诊断，保障飞行任务安全开展；

需要说明的是，如果发现本次飞行任务无法正常开展，则通过专网自服务管理平台和5G终端给飞行员打网络电话或发信息，告知任务中断或者变更任务；

步骤7、通过飞机上加装威胁检测模块，分析解决由于智能化和信息化水平大幅提升带来的网络威胁隐患；

具体的，威胁检测模块需测试分析基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统、航电总线网络等航电网络采用通用协议、通用硬件和通用软件带来的隐患；

具体的，威胁检测模块需对机载设备与互联网、5G核心网等公共网络连接的带来的安全威胁进行监视告警；

需要说明的是，实时查看威胁检测模块监测的数据，若发现紧急异常情况，可远程专家辅助解决，解决不了的提示飞行员紧急返航，飞行结束后专网自服务管理平台输出航空器信息安全风险测试评估报告。

Claims (6)

1.一种基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统，其特征在于，包括机载子系统、5G ATG地面基站、核心网、地面专线和园区子系统，其中：

所述机载子系统包括机载相控阵天线，机载5G CPE，加密机，威胁检测模块和机载交换机/WIFI，机载5G CPE作为将无线信号转换成IP信号的处理单元，用于机载相控阵天线的波束赋型和空中小区切换处理；

威胁检测模块包括协议解析模块、攻击检测模块、设备采集模块、威胁注入模块和监视告警模块；

所述协议解析模块，用于将监听通信获取的通信数据依字段解析，获取其通信协议类型及其相应的关键字段，支持IT协议、OT协议和航电总线协议的采集解析；

所述攻击检测模块，用于对协议解析模块传递过来的通信数据进行威胁检测，并将结果通过5G ATG链路传递给专网自服务管理平台和5G终端显示；

所述设备采集模块，用于实时采集网络流量，并实时进行流量分析而获得相关信息，并将分析后的流量自动丢弃；

所述威胁注入模块，用于自动调取漏洞库，或者自定义的漏洞检测规则；

所述监视告警模块，用于针对安全威胁进行可视化界面告警；

所述园区子系统包括防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器、专网自服务管理平台和5G终端；

所述5G ATG地面基站用于对指定空域进行5G ATG信号覆盖；

所述核心网和地面专线用于5G ATG地面基站和园区子系统之间的数据传输；

机载测试数据终端和5G终端的数据依次经过交换机/WIFI、威胁检测模块、加密机、机载5G CPE，经由机载相控阵天线发射，然后通过5G ATG链路空地传输给5G ATG地面基站；5GATG地面基站通过核心网与地面专线连接，再通过地面专线依次与防火墙、交换机、加密机、ATG专网管控应用服务器和地面交换机/WIFI连接传输到专网自服务管理平台和5G终端；

专网自服务管理平台和5G终端的地面数据则通过地面交换机/WIFI接收，经过ATG专网管控应用服务器、加密机加密后，再依次经过交换机、防火墙、地面专线、核心网和5G ATG地面基站，通过5G ATG链路传输到飞机，由机载相控阵天线接收，经过机载5G CPE处理、加密机进行解密和威胁检测模块监测，无异常行为后，经过机载交换机/WIFI传输到5G终端可视化展示。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机载5G CPE是指安装在航空器上的终端设备，用于与地面网络进行通信；

所述加密机用于保障空地数据传输的安全性；

所述威胁检测模块用于解决网络威胁隐患，通过对航电总线数据的分析、威胁监视告警，实现基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统中安全链路的威胁监视告警功能；

所述机载交换机/WIFI用于接收机载测试数据终端的数据，并与5G终端进行数据交互。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述园区子系统用于实现机载子系统与接入地面交换机/WIFI的5G终端和专网自服务管理平台之间的双向业务传输；

所述防火墙用于监控和控制流量，保护园区子系统免受未经授权的访问、攻击和威胁；

所述交换机用于数据转发；

所述ATG专网管控应用服务器用于管理、控制和优化ATG专网中的应用和服务；

所述专网自服务管理平台用于实现对ATG网络的接入5G终端、网络链路状态、机载5GCPE进行性能监控和管理，部署应用app实现地面与空中客户端的视频及语音通话功能以及机上数据的实时下传管理。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，加密机包括密钥分发系统、提取与存储组件、加密组件、解密组件、后级发送部分和后级接收部分；从密钥分发系统中提取密钥并存储，经扩展后以预设速率封装成IP包格式输出，与用户数据进行加/解密运算后，送至线路中传输或还原给用户。

5.一种利用权利要求1~4任一项所述的基于5G ATG的空地一体化航空智能网络通信系统的实现方法，其特征在于，方法包括：

步骤1、通过机载子系统将机载测试数据终端和5G终端的机上数据传输至5G ATG地面基站；

步骤2、5G ATG地面基站接收到IP信号后经过核心网和地面专线传输到园区子系统；

步骤3、园区子系统将接收的IP信号处理后在专网自服务管理平台和5G终端上可视化展示；

步骤4、分析专网自服务管理平台和5G终端可视化展示的数据；

步骤5、若分析数据存在异常，通过地面5G终端将处理措施传输到机上5G终端；

步骤1包括：

步骤11：机载测试数据终端和5G终端的机上数据通过机载交换机/WIFI接收传输给威胁检测模块；

步骤12：威胁检测模块对机上数据进行分析，将分析结果与机上数据传输给加密机；

步骤13：加密机对威胁检测模块分析结果和机上数据进行加密传输给机载5G CPE；

步骤14：机载5G CPE接收到威胁检测模块分析结果和机上数据后，将其转换成IP信号，并完成机载相控阵天线的波束赋型，保证5G ATG地面基站可以通过5G ATG链路接收到IP信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5包括：

步骤51：处理措施经过园区子系统、地面专线和核心网传输到5G ATG地面基站；

步骤52：5G ATG地面基站接收到处理措施后经过5G ATG链路传输到机载子系统；

步骤53：机载子系统接收到处理措施后，经过加密机解密和威胁检测模块分析后，若无异常，由机上5G终端可视化展示。