低空经济专题（二）：飞行器大脑：飞行器大脑

低空经济专题（二） 飞行器大脑——飞控系统 西南证券研究发展中心通信研究团队2024年5月 核心要点 飞控系统是飞行器实现正常飞行的关键部件。飞控技术是指通过飞行控制系统对飞行器进行姿态控制、导航定位、任务规划、飞行指令下发、数据处理等操作的技术，飞行控制系统是飞行器的“大脑”，负责接收传感器数据、进行数据处理和算法运算，并输出控制指令以控制飞行器的运动。飞控系统核心组件包括飞行计算机、传感器、执行器、舵机、电源系统、通信系统等，其中飞控计算机为飞控系统的核心组成部分，其实现了飞控系统70%-80%的功能，价值约占飞控系统的20%-30%。 随着eVTOL及无人机数量增长，飞控系统需求持续提升。eVTOL及无人机需要通过飞控系统来完成逻辑判断、控制、导引计算、系统管理等操作，用以满足飞控技术设计的可用性与完整性要求。在低空经济受政策大力支持的背景下，我国飞行器数量快速增长，2023年我国在役的民航飞机规模达4324架，同比增长3.8%；无人机注册数量约为113.2万架，同比增长18.2%，同时国产化率和新机型上线率持续提升，对飞控系统需求持续增长。据航空产业网，2023年全球民航市场飞行控制系统的市场规模约为119.6亿美元，预计到2030年将达到270亿美元，复合增速达12.3%。同时，全球无人机市场飞控系统市场规模约为45亿美元，预计到2030年将达到130亿美元，复合增速达16.4%。 飞控技术系大国博弈重要领域，自主可控需求强烈。飞控系统在军用与民用领域均有广泛应用，在民用领域，飞控系统在航空运输、通用航空、无人机应用等领域应用于自动驾驶、物流配送、环境监测等场景；在军用领域，飞控系统被用于战斗机、导弹和军用无人机的火控制导、电子干扰等场景，具有极大军事价值。因此，欧美国家对飞控技术出口限制较多，相关技术自主可控需求强烈。飞控系统自主可控路径主要包括无人机厂商自研、车企跨界研发、航空院所科研和民航研发等，各个路径各有优劣，但多点开花推动我国飞控技术持续发展。 风险提示：技术研发不及预期风险、无人机推广不及预期风险、地缘政治风险等。 1 目录 1飞行控制器概述：飞行器的“大脑” 2飞控系统市场规模：航空器必需，市场稳健增长 3飞控系统发展展望：海外技术封锁，国产化需求迫切 2 飞控系统测试图 1.1.1飞控技术：定义 定义：飞控技术是指通过飞行控制系统（FlightControlSystem，简称FCS）对飞行器进行姿态控制、导航定位、任务规划、飞行指令下发、数据处理等操作的技术。飞行控制系统是飞行器的“大脑”，负责接收传感器数据、进行数据处理和算法运算，并输出控制指令以控制飞行器的运动。 基于电传操纵的飞控系统在飞机中分布示意 数据来源：百度百科，西南证券整理3 1.1.2飞控系统分类：可分为姿态控制系统、导航定位系统、任务规划系统、飞行指令下发系统 飞控系统可以分为姿态控制系统、导航定位系统、任务规划系统、飞行指令下发系统等。姿态控制系统负责控制飞行器的姿态，包括滚转、俯仰和偏航等。导航定位系统负责确定飞行器的位置和方向，通常采用GPS、惯性导航、视觉导航等技术。任务规划系统可以根据任务需求，规划飞行器的飞行路径、高度、速度等参数。飞行指令下发系统：将飞行指令发送给执行机构，控制飞行器的运动。 飞控系统分类 名称 功能 姿态控制系统 负责控制飞行器的姿态，包括滚转、俯仰和偏航等。 导航定位系统 负责确定飞行器的位置和方向，通常采用GPS、惯性导航、视觉导航等技术。 任务规划系统 根据任务需求，规划飞行器的飞行路径、高度、速度等参数。 飞行指令下发系统 将飞行指令发送给执行机构，控制飞行器的运动。 数据来源：百度百科，程源《低空遥感无人机飞控技术的研究与应用》，西南证券整理4 1.2飞控系统：技术原理 飞控技术的核心原理是通过多种传感器（如陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等）实时获取飞行器的姿态、速度、位置等信息，并将这些信息传输给飞行控制计算机。飞行控制计算机对这些数据进行处理和分析，通过预先编写的飞行控制算法进行姿态控制和飞行控制，并输出控制指令给执行机构（如电机、舵机等），以实现对飞行器的精确控制。 飞控技术各部件的功能 飞行控制计算机示意图 部件名称 功能 姿态传感器 用于检测飞行器的姿态变化，如滚转、俯仰和偏航等。 高度计 用于探测和计算飞行器所处空中的高精度位置信息。 实时控制器系统 负责实现飞行器的精确悬停、定高返航等功能。 数据来源：光路科技，西南证券整理5 飞控技术的上游部件及其功能 1.3飞控系统：上游组件 飞控系统由多个上游组件构成。其中包括传感器、执行器、舵机、电源系统、通信系统等，飞行数据由传感器获取后，通过控制器算法进行判断输出，再由执行器和舵机来执行飞行指令，以实现对飞行姿态的调整与控制。此外，通信系统、故障诊断系统、数据管理系统共同对飞控系统的正常运行提供辅助作用，保障了飞行器的正常运行。 名称 功能 传感器 用于检测飞行器的状态和参数，如飞行速度、高度、方向、坡度等。常见的传感器包括风速传感器、高度计、陀螺仪、磁力计等。 执行器 用于控制飞行器的运动，如油门、刹车、襟翼、机翼等。执行器通常是电机或液压泵，它们通过控制油液或气体的流动来执行飞控系统的命令。 电动舵机 是飞控系统中用于控制飞机各个舵面的执行器。飞行控制计算机通过控制电动舵机的转动角度，可以改变飞机的姿态和航向。 通信设备 用于与地面站、其他飞行器或空中交通管制进行通信。通信设备包括无线电台、数据链等，能够传输语音、数据和导航信息。 电源系统 为传感器、执行器、通信系统等提供稳定的电源供应。电源系统通常包括发电机、电池和充电系统。 控制器 是飞控系统的核心部件，负责接收传感器输入并根据预先编写的程序和飞行规则对飞行器进行控制。控制器可以是单个计算机或一组计算机。 故障诊断系统 用于对飞控系统进行故障诊断和检测，以便在故障发生时及时采取措施。故障诊断系统通常包括传感器读数分析、程序校验和故障诊断软件等。 数据管理系统 对飞行器的状态和参数进行记录和存储以便进行数据分析和故障诊断。数据管理系统通常包括飞行数据记录器、传感器数据记录器和数据服务器等。 数据来源：CSDN，西南证券整理6 eVTOL飞控系统集成化程度更高。相较于传统飞机，陀螺仪、气压计、温度计等零部件均相对独立于飞控系统，对于eVTOL飞控系统，基于高集成化的要求，相关系统将集成到飞控计算机里，因而飞控计算机为飞控系统的核心组成部分，实现飞控系统70%-80%的功能，价值约占飞控系统的20%-30%。 以混合翼eVTOL飞行器飞控系统架构举例，由飞控计算机，大气数据惯性基准组件ADIRU和远程控制电子单元REU等构成。系统工作原理为：1.飞行员操纵指令通过数据总线发送到3台飞控计算机，2.飞控计算机接收传感器的角速度、加速度和大气数据等信号，3.飞控计算机对接收的信号进行校验和信号表决后，用于控制律的计算，并将作动指令发送到REU，控制相对应的电机/舵机驱动旋翼/舵面运动。 控制单元 传感器 飞控计算机 eVTOL飞控系统架构设计 1.4飞控系统成本：飞控计算机占比八成 数据来源：《基于安全性的电动垂直起降飞行器飞控系统架构设计》、西南证券整理7 飞控计算机主要完成逻辑判断、控制、导引计算、系统管理等操作，用以满足飞控技术设计的可用性与完整性要求。不同于军用飞机，根据适航规章要求，eVTOL飞控系统需满足可用性与完整性要求。其中可用性用于衡量系统提供服务的能力，要求系统在发生某个故障时仍然处于功能状态；完整性要求系统的工作结果准确可靠，在架构设计中应通过比较监控的方式，对错误的信号识别并进行隔离。 以右图为例，图中3台飞控计算机功能完全相同，单个飞控计算机可正常实现控制功能，确保飞控计算机的可用性，3台飞控计算机通过交叉通道数据链路进行数据交换，以保证多余度飞控计算机间的数据同步和交叉数据传输。单个飞控计算机采用非相似的指令通道和监控通道，以抑制处理器的共模故障，监控通道与指令通道同步工作。 可用性（双通道架构） 1.5飞控计算机：判断输出核心部件 飞控计算机3 飞控计算机2 飞控计算机1 飞控计算机架构设计 完整性（比较监控） 数据来源：《基于安全性的电动垂直起降飞行器飞控系统架构设计》、西南证券整理8 目录 1飞行控制器概述：飞行器的“大脑” 2飞控系统市场规模：航空器必需，市场稳健增长 3飞控系统发展展望：海外技术封锁，国产化需求迫切 9 2.1低空激励政策密集发布 中国政府将低空经济定位为战略性新兴产业，并出台了一系列政策来推动其发展。以无人机与通用航空作为关键核心的低空飞行产业，连同基础设施建设以及专业服务，一同构建起了低空经济完备的产业链条。这些政策在推动我国低空经济阔步向前的同时，极大地促进了无人机和飞行器技术的推陈出新与广泛应用，也为相关产业赋予了难能可贵的良好发展契机，为低空经济的持续繁荣奠定了坚实基础。 近几年我国相关政策 文件名称 发布时间 发布部门 主要内容 《通用航空经营许可管理规定》 2021年1月 交通运输部 对于涉及无人机、飞行器的部分，明确了经营许可的条件和程序，规范了通用航空市场秩序，鼓励和支持合法合规的无人机、飞行器运营活动，以促进通用航空产业包括无人机领域的健康发展，保障飞行安全和公共利益。 《国家综合立体交通网 规划纲要》 2021年2月 中共中央、国务院 首次将低空经济写入国家规划，纲要提出，加强交通运输与现代农业、生产制造、商贸金融等跨行业合作，发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济、低空经济。 《“十四五”通用航空发展专项规划》 2022年6月 民航局 要推动通用航空与互联网、创意经济等融合发展，拓展通用航空应用领域。坚持包容审慎，支持应用领域创新，在适航、运营、社会化管理等方面创新行业管理，加大适航、科研支持力度，推动无人机驱动的低空新经济发展。 《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》 2023年5月31日 国务院、中央军委 该条例针对无人机、飞行器等，规定了分类管理办法，明确了适飞与禁飞空域，强调了生产、销售、使用等各环节的安全责任，对驾驶员资质和培训、运行申报审批流程、实名制登记以及与其他飞行器的协调运行等多方面内容都作出了详细规定，旨在规范无人驾驶航空器的飞行及相关活动，保障公共安全和飞行安全。 《民用无人驾驶航空器 生产管理若干规定》 2023年12月 18日 工信部 自2024年1月1日起施行。为了规范民用无人驾驶航空器生产活动，促进民用无人驾驶航空器产业健康有序发展，维护航空安全、公共安全、国家安全，根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》以及相关法律、行政法规制定的规定。 《2024年国务院政府工作报告》 2024年3月 国务院 积极培育新兴产业和未来产业，巩固扩大智能网联新能源汽车等产业领先优势，加快前沿新兴氢能、新材料、创新药等产业发展，积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。 《通用航空装备创新应用实施方案（2024- 2030年）》 2024年3月27日 工信部、民航局、科技部、财政部 加快通用航空技术和装备迭代升级，建设现代化通用航空先进制造业集群，打造中国特色通用航空产业发展新模式，为培育低空经济新增长极提供有力支撑。 数据来源：中华人民共和国工业和信息化部、中国民用航空局等，西南证券整理10 2.1市场规模规模逐步增长，飞控需求持续上升 随着全球经济的复苏和人们对高品质生活的追求，通用航空市场呈现出快速增长的态势。且由于城镇化与工业化全面进入人口时代 ，发展中国家对于飞机的需求急速上升。截至2023年12月，全球航空公司在役的飞机数量为28400架客机。据奥纬咨询预测，2024年至2034年期间，全球商用飞机数量将以2.5%的复合年增长率（CAGR）增长，到2034年初将超过36400架。 中国民航经