城市低空经济关键技术简介

发布时间：

2024-06-04

城市低空经济的发展相较于传统的载人航空经济，其中一个重要特点便是引入了大量的无人航空器。可以说，无人航空器是低空经济中十分重要的一环。然而传统的无人机技术主要针对单一无人机的性能，主要目标是确保其能完成给定任务，对于多机之间的协同工作则相对研究较少。 …

城市低空经济的发展相较于传统的载人航空经济，其中一个重要特点便是引入了大量的无人航空器。可以说，无人航空器是低空经济中十分重要的一环。然而传统的无人机技术主要针对单一无人机的性能，主要目标是确保其能完成给定任务，对于多机之间的协同工作则相对研究较少。

但是城市低空经济的发展中会出现大量无人飞行器同时运行的情况，仅凭当前常用的无人机技术难以应对，这一点可以类比汽车技术和交通管理技术的区别。单一无人飞行器的性能发展如今已可以基本满足城市低空经济发展的需求，可以承担诸如物流配送、城市治理、应急救灾等任务。

当大量此类无人飞行器同时运行，去执行不同任务时，传统无人机便需要一套完整的保障系统对其通信和空域管理做支撑。同时城市环境内，不仅存在正在执行任务的无人飞行器，也会有各类非合作目标，例如丢失信号的无人机、“黑飞”无人机、气球，甚至部分鸟类。这些飞行目标本身并不会主动上报其位置及任务，会对其他正在执行任务的飞行器造成极大的安全隐患。因而还需要对城市低空环境进行全面感知，确定合作飞行器的位置，并避免非合作目标的安全威胁。

因此，为了保障城市低空经济的发展，需要结合通信、感知、管理三个方面，为低空飞行器提供保障支撑。CSM架构，即基于5G网络的城市低空飞行器通信系统（communication），用于支撑高并发场景下的大规模低空无人机应用；基于无线电、光电、雷达三系统融合监测的城市低空飞行器感知系统（sensation），用于感知各类飞行目标的位置，并提供给空域管理系统，保障空域规划的安全性；基于飞行风险和经济性管理的人工智能城市空域管理系统（management），用于分配低空空域，管理各飞行器，保障其安全性并支撑其任务的执行。

城市低空飞行器通信系统

传统无人飞行器与地面控制端的通信通常是点对点的，根据工信部无线电管理局于2022年11月发布的《民用无人驾驶航空器无线电管理暂行办法（再次公开征求意见稿）》，民用无人机可以申请使用840.5-845MHz、1430-1444MHz、2400-2476MHz、5725-5829MHz频段频率用于遥控、遥测、信息传输链路。

然而点对点通信在没有中继的情况下通信距离受限，且在城市受遮挡环境下容易断联。同时，当同空域同时存在多架无人飞行器时，使用相同频段的通信手段会导致信道阻塞。不同飞行器之间相互干扰，可能会造成数据包丢失甚至部分通信中断。多架无人飞行器同空域运行的状态其实更类似于多移动终端同时通信的问题，可以引入移动蜂窝网络来解决其拥塞和干扰的问题。

CSM架构图

5G在设计之初就考虑了大带宽、低时延以及高可靠性的行业应用需求。与卫星、专用通信站等传统的低空飞行器通信链路相比，基于移动网络的链路具有相当高的优势。而相比于4G网络，5G网络可以提供更低的延迟及更高的连接数，非常适合低空无人飞行器的数据链路。

当前5G网络覆盖主要以地面为主，较少进行低空的空域覆盖。有研究表明，在接入5G网络进行低空飞行时面临的主要问题是无主覆盖小区以及空中信号杂乱。由于无人飞行器需要基站的波束对空域进行覆盖，直接调整现有5G基站可能会对公众用户产生一定的影响，可以在波束配置中采用SSB“1+X”设计，将水平和垂直覆盖解耦。

这一方法适用于多站址以及公专网复用的场景。抬高的部分波束用于覆盖空域，同时减少对地面用户的影响。针对无人飞行器密度较大的区域，复用已有5G基站的部分波束可能不足以支撑繁重的业务，因此也可以为其建设专用5G基站。

城市低空飞行器感知系统

管理城市内低空飞行器的前提是感知当前管理空域的所有飞行器的位置信息。关于这个问题，传统民航业通过ADS-B系统和空管雷达来确定所管辖空域内的所有航空器位置和状态信息。但这样的方式很难直接用于感知超低空环境中的无人飞行器，因为在城市超低空环境下传统空管雷达很难获取有用的信息。

而ADS-B系统由于体积功率的限制，难以被无人飞行器使用，同时由于我国的ADS-B系统使用的是1090ES数据链，其与航管应答和TCAS防撞共用信道。考虑到无人机的数量在可以预见的未来会远超民航飞行器的数量，若无人飞行器全部配备ADS——BOUT，则容易形成局部的信道阻塞，丢失报文和报文时延，干扰载人飞行器的正常运行。若要将ADS-B系统用于无人飞行器监管，则需要进一步改进其数据链路，提升其链路容量。

综上所述，除以上由飞行器或操作人员自行提交的位置数据外，仍然需要一些主动的手段来对当前空域中的飞行器进行感知，这些手段一般可以分为有源和无源两大类。

雷达是一种典型的有源检测方式，其原理是雷达发射机向外发射电磁波，接收机接收从目标反射回来的电磁波，并通过处理该回波来获得相应信息。理论上获取的目标信息包括：距离、径向速度、角方向、尺寸、形状、微多普勒特征等。然而针对超低空环境，地面杂波会严重干扰其工作。考虑大气衰减和地杂波的影响，采用地杂波M T I抑制技术，针对无人飞行器的雷达最佳频率为16 GHz（Ku波段）。因此Ku波段是目前无人飞行器探测雷达的主流工作波段。

由于5G通信基站采用相控阵天线，可以实现天线主瓣波束的快速调度，可以基于5G通信的帧结构实现雷达通信一体化，通过5G通信基站实现低空目标探测。能够利用现有基站资源，在城市环境下保证感知覆盖范围。雷达监测的优势便是可以同时追踪多个目标，可以有效跟踪同一空域中出现的多个飞行器，同时其受天气干扰小，可以做到24小时不间断工作。但是这一方法受环境影响较大，在楼宇等遮挡环境下探测距离有限，因此在城市环境内的部署点位选择需要慎重考虑。

结语：城市环境下的低空经济发展，需要通信、感知、管理这三个方向的技术作为基础支撑。通信系统可以充分利用现有5G网络，并在部分高密度区域部署专用基站。感知系统需要融合多传感器系统，以无线电监测为主导，光电监测辅助判别，雷达通信一体化5G基站作为补充手段，全面覆盖城市低空环境。管理系统通过感知系统获取飞行器数据，结合飞行风险以及天气、噪声、经济性等元素，基于人工智能等手段规划管理城市低空空域，并通过通信系统发布管理信息。

随着技术的不断发展，未来在通信、感知、管理三个方向还会有更多新技术涌现。城市低空经济的发展，需要将三个系统充分结合，以技术做支撑，用技术促发展。

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