城市低空经济关键支撑技术探讨

　　文/曾晶 吴炎瑾 刘大畅 广东南方电信规划咨询设计院有限公司

　　摘要：城市低空经济的发展会引入大量无人飞行器，传统民航技术并不适用于低空环境下的大量无人飞行器。针对城市低空环境以及低空经济发展的需求，本文提出一种CSM架构，即基于5G网络的城市低空通信系统（communication），基于无线电、光电、雷达三系统融合监测的城市低空感知系统（sensation），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），并探讨了上述三系统的紧密结合如何支撑城市低空经济的发展。

　　关键词：低空经济；城市环境；低空通信；飞行器感知；空域管理

　　引言

　　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。但是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。本文提出一种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。

　　1. 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[1]。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。

　　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[2]。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[3]。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。

　　2. 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[4]。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-B OUT，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。

　　中国民航局于2019年11月印发的《轻小型民用无人机飞行动态数据管理规定》的通知中提出，操纵轻小型无人机时应当按照要求，通过线上数据收发接口实时向民航局报送其真实的飞行动态数据[5]。因此现今各大消费者无人机厂商基本是通过其配套手机APP等方式，依靠各飞行器操作员将飞行数据实时上传至民航局无人驾驶航空器空中交通管理信息服务系统（简称UTMISS）。然而这样的方法存在一定的滞后性，一些情况下无人机操纵终端可能无法连接至互联网，甚至部分无人机操作人员会选择将其手机调整至飞行模式以免干扰遥控器控制信号。这些情况都会导致飞行动态数据无法被监管系统实时获取。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。

　　3. 无源检测

　　3.1 无线电频谱探测

　　无人飞行器的飞行控制和数据回传都需要和控制者进行通信，这个过程所产生的无线信号在频谱和功率谱上都有较为显著的特征可以被识别。无线电频谱探测便是通过监测无人飞行器与控制者之间的相互传输的无线电信号，来获取飞行器和控制者的方位信息，进而对其进行定位和实时监控。常用的定位算法有到达时间法（TOA)、到达时间差法 (TDOA)、到达角度法（AOA)、接收信号强度法 (RSSI）等。无线电频谱探测具有受自然环境限制小、实施程度高、电磁污染小、使用成本低等优点[6]。但当低空无人机处在复杂电磁环境下时，无线电频谱探测的稳定性将大大降低，因此需要尽可能多地布置无线电探测设备，保证其覆盖范围。

　　3.2 光电监测

　　光电监测是低空飞行器感知中非常重要的一环，可以发现无人机、确认无人机性质、进行跟踪取证，可单独使用也可与其他监测系统联动，并且可以结合激光测距来提供目标的高精度坐标。光电监测技术主要分为可见光识别和红外识别，通常结合使用，来适应不同的时间和环境。光电监测的关键是图像处理算法，目前已有的尝试包括传统的邻域特征、连续帧间特征、红外辐射建模以及深度学习算法等。光电监测手段能够获得最精确的飞行器位置及型号信息，可以被用于识别、取证等各类用途，但是受自然环境影响较大，在天气状况较差的情况下可能难以获取有用的信息。

　　4. 有源检测

　　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[7]。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MTI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[8]。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[9]。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。

　　5. 城市低空空域管理系统

　　现有的空域规划是针对少量的载人飞行器进行设计的，空域被提前静态划分，并预先分配给数量有限的飞行器。此类方法对于低空同时出现大量无人飞行器的情况缺乏充分考虑。同时当前的空域管理主要依靠人工，管制人员可以通过各种途径与飞行器驾驶员进行直接沟通，而无人机操作人员与航空管制单位通常难以建立及时有效的通信联系[10]。然而随着低空经济的发展，无人机会大量普及，未来一公里航道可能会同时出现上百架无人机，一个城市的低空无人机就有可能上万架，依靠人工管理难以及时协调，且管理成本太高，这在传统的空中交通管理体系下很难得到妥善解决。面对如此高密度的无人机运行，需要引入动态规划和资源优化的方法，实现空域资源的最优分配，避免拥堵和冲突，借助现代科技实现空域资源的最优分配。

　　通过引入人工智能算法和大数据分析，可以实现低空空域的动态规划和资源优化，避免拥堵和冲突。同时，采用区域划分和三维空域管理的方法，可以更好地利用空中资源，提高空域利用效率。但是仅针对飞行器航路的有效性进行空域管理以及路径分配是不够的，城市低空环境十分复杂，飞行器飞过不同位置的风险程度也是不同的。无人飞行器的体积、功率以及成本限制了安全冗余设计，其冗余相较于载人飞行器较少，因而故障造成的坠机等事故概率相较于传统载人飞行器更大。虽然无人飞行器事故造成的影响相对较小，但是在特定环境下的事故依然需要提防。例如人流量较大的步行街上空，可能就不适合分配高密度的无人机航路。因此针对无人飞行器的空域管理和路径规划，需要将风险纳入规划范围，可以划定高低风险区。综上，城市低空空域管理需要统筹飞行风险、天气、噪声、效率、经济性等多方面因素，充分利用三维空间。

　　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。

　　参考文献：

　　[1]工业和信息化部无线电管理局.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）[EB/OL].(2022-11-3)[2023-8-20].https://www.miit.gov.cn/gzcy/yjzj/art/2022/art_1fade0b65d8140698eb6c7ae1714ec73.html.

　　[2]孙一,吴威,潘文苹,等.5G低空网络部署研究[J].通信电源技术,2020,37(17): 183-185.

　　[3]左明,吴亚晖,程杰.低空5G网络覆盖方案与部署策略研究[J].电子技术与软件工程,2022,(20):32-35.

　　[4]赵万友,李茂.ADS-B在低空空域监视与目标防护中的应用[J].电子测量技术,2018,41(9):37-40.

　　[5]中国民用航空局.轻小型民用无人机飞行动态数据管理规定（民航规〔2019〕64号）[A/OL].(2019-11-19)[2023-8-20].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TZTG/201911/t20191120_199531.html.

　　[6]庞东博,田超,张书榞.低空无人机探测与反制技术研究[J].电子元器件与信息技术,2022,6(10):21-24.

　　[7]屈旭涛,庄东晔,谢海斌.“低慢小”无人机探测方法[J].指挥控制与仿真,2020,42(2):128-135.

　　[8]李琴,黄卡玛.低空小型无人机雷达探测距离仿真分析[J].无线电工程,2018,48(4):303-307.

　　[9]王舒玉,张海辉,方学立等.雷达通信一体化5G信号设计方法[J].信号处理, 2023,39(6):996-1005.

　　[10]王雪峰,胡潇,杨明,等.无人机空管领域现状分析与空管系统设计[J].现代导航,2016,7(5):330-334.

　　作者简介：曾晶，硕士研究生，高级工程师，研究方向：管理咨询、信息通信工程咨询规划设计、IT咨询。