低空新基建中的感知技術

《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》于2023年6月28日正式公布并于2024年1月1日正式實施。2023年12月11日至12日在北京舉行的中央經濟工作會議指出，要以科技創新推動產業創新，特別是以顛覆性技術和前沿技術催生新產業、新模式、新動能，發展新質生產力。

隨著低空經濟的快速推進，“低空+”已通過與快遞物流、文娛旅游、個人出行、應急救災、航道補給、農林植保、森林防火、管線巡檢、安防巡邏、測繪勘探等各種實際業務需求相結合，形成了蓬勃發展之勢。據不完全統計，2024年初已有超過26個省、市、自治區將低空經濟列入政府工作報告的重點工作。無人機產業的年復合增長率約13.8%，全國無人機企業已超過1.5萬家。越來越多的無人機用于快速物流、應急救援、農林植保、航空測繪等應用，年飛行量已達約2000萬小時。無人機產業的重點正在從生產制造向專業化應用服務發展。

隨著低空飛行架次及飛行時長的快速增長，將催生從隔離飛行到融合飛行的飛行運行模式的演進。雖然各地持續推進低空空域開放及低空應用的試點，但由于通信、導航及監視以及空域數字化技術發展和應用不足，導致低空空域的安全性以及用空合規性管理等方面都存在明顯的挑戰。

在用空合規性管理方面，由于低空空域感知信息的缺乏，導致對低空空域內的飛行活動的合規性判斷缺乏必要的信息支撐，進而無法確保飛行活動的合規性。

在安全隱患方面，未來的低空飛行任務將更加頻繁和復雜，傳統的人盯著屏幕對“非合作”目標、航路/航線偏離、非法進入管制空域、進入不安全飛行區域、空中飛行間距過小等安全隱患的識別將更難以落實。且“人工盯看”模式容易受到疲勞、情緒、經驗等人為因素的影響，從而增加安全風險。

為支撐加快低空開放，亟須通過新技術應用，尤其是數字化技術的應用，實現低空空域感知以及低空空域安全管理。其中低空空域感知，將通過飛行器上報的飛行數據以及地面監視基礎設施對空域的主動感知能力相結合的方式，實現低空空域范圍內飛行器的融合感知。低空空域安全管理則是在低空空域感知的基礎上，通過多種技術與手段相結合，對低空空域安全事件及風險進行識別，以及多方語音、視頻、數據等多手段協同，實現合規用空、安全用空。

5G-A通信感知融合技術

相比于中高空的航空器管理，傳統的技術手段難以捕捉“低、慢、小”無人機，管理部門對低空飛行器的監視和通信存在一定的技術局限性。

2023年起發生多起由于機場凈空區被無人機入侵導致機場空域關閉、進出港航班延誤或備降的惡行事件。由于低空空域監視能力不足，事件發生后對無人機飛行軌跡及飛手追查難以落實，運輸飛機的飛行安全風險難以得到排查與處置。直升機在起降過程中受到無人機干擾，導致無法安全起飛與降落的頻率也快速上升。其他重要安全基礎設施的低空安全風險也越來越嚴峻。

為了解決無人機的安全和高效飛行難題，各國都在探索技術手段，其中，基于海量地理信息規劃無人機低空航路這一技術方案越來越得到認可。與此同時，與當下個人或企業等自用商業化航路規劃不同，低空公共航路對所有符合飛行要求的大眾用戶開放，并通過一定的管控技術與管理手段維持安全、高效的交通流，可以做到“高效”飛行。如何充分利用城市基礎設施和現有的地面交通構建一個安全、高效的低空航路網已成為一個迫在眉睫的亟待解決的課題并得到了各方高度關注。

移動通信延續著每十年一代技術的發展規律，已歷經1G、2G、3G、4G的發展。每一次代際躍遷，每一次技術進步，都極大地促進了產業升級和經濟社會發展。移動網絡已融入社會生活的方方面面，深刻改變了人們的溝通、交流乃至整個生活方式。從1G到2G，實現了模擬通信到數字通信的過渡，移動通信走進了千家萬戶；從2G到3G、4G、5G，實現了語音業務到數據業務的轉變，傳輸速率成百倍提升，促進了移動互聯網應用的普及和繁榮。5G作為一種新型移動通信網絡，不僅解決了人與人通信，同時也提供了人與物、物與物通信問題，滿足移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等物聯網應用需求。

2021年4月，國際標準化組織3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）正式將5G演進的名稱確定為：5G-Advanced（5G-A），標志著全球5G發展進入新階段。5G-A是5G網絡的增強和演進，也被稱作5.5G，它在速率、時延、連接規模和能耗方面全面超越現有5G，旨在提供更豐富的能力和滿足更多場景的應用需求。

相比較于5G，5G-A可提供以下6大新增能力：

一是萬兆能力eMBB。得益于多項技術的支撐，包括多址技術、調制和解調、信號編碼和壓縮、多入多出（MIMO）技術等。5G-A eMBB能力能夠在發送和接收數據前，使用編碼和壓縮技術對信號進行處理和提高傳輸效率，并通過MIMO技術增加無線通信的傳輸速率和信號質量。

二是上行超寬帶UCBC。5G-A采用了上下行解耦技術，通過上行和下行鏈路采用不同的頻段和參數配置，優化上行數據的傳輸效率和吞吐量。上行超寬帶UCBC（Uplink-Centric Broadband Communication）將上行速率提升到最大1Gbps，相比傳統5G網絡有了顯著的提升。這樣的高速率上行傳輸能力使得高清視頻上傳、機器視覺等業務變得更加高效和便捷。

三是mMTC海量物聯網通信。5G-A進一步提升了海量物聯網通信mMTC（Massive Machine Type Communication）的連接能力，支持全場景全能力的千億連接的大規模物聯網（IoT）設備的連接和通信，如智能家居、工業自動化等，滿足大規模物聯網設備接入需求。

四是寬帶實時交互RTBC。5G-A通過提供高速、低延遲的實時數據傳輸能力，滿足寬帶實時交互RTBC（Real-Time Broadband Communication）高清視頻實時交互、全息通信、XR業務等場景對上行帶寬和實時性的需求。它為實時交互應用的發展提供了有力支持，并推動了數字化、智能化社會的進步。

五是超高可靠低時延通信URLLC。5G-A在網絡速度上實現了顯著提升，其下行速率可達10Gbps，相當于從原來5G的1Gbps提高至10倍。5G-A具有更低的網絡延遲，平均時延僅為毫秒級別，可以支持更多的實時應用，如遠程醫療、智能駕駛等。

六是通信感知融合HCS。通信感知融合HCS（Hybrid Communication and Sensing）通過將通信和感知技術相結合，以及高效利用頻譜、軟硬件等資源，不僅能夠實現超寬帶的數據傳輸，還能夠感知周圍環境，為應用提供更豐富的信息。在以無人機為主要飛行器的低空經濟中，通過感知技術提供更精準的導航、定位等服務和提高飛行的安全性和效率。

其中通信感知融合HCS是5G-A中的一項關鍵技術。如下圖所示，5G-A同時具備通信和感知兩項功能。通信部分，5G-A基站通過與用戶終端UE（User EndPoint）之間采用雙向信號傳輸實現數據傳輸。同時，5G-A基站通過在特定時隙通過發射電磁信號，接收物體反射信號，并通過對反射信號的分析實現對覆蓋區域的目標感知。

基于5G-A技術的低空空域融合通信感知可以充分利用已有的站址許可、塔站資源、供電、回傳網絡等移動通信地面基礎設施，以及遍布全國的專業維護專業技術人才資源，對空域波束進行規劃與設計，滿足低空大容量的飛行需求，保障低空通信高速低時延指標的同時，對飛行器的位置、狀態等進行全天候高精度監測，提高低空的管理效率。

基于5G-A技術的低空融合通信感知網絡建設需要從以下兩方面進行考慮：

（一）空域全覆蓋全感知能力。5G-A網絡建設需要以需求為前提，實現對低空航路無縫覆蓋。基于典型低空飛行場景分析可以看到，電動垂直起降航空器eVTOL對通信帶寬、時延、可靠性等要求較高。但我們也看到，不同的eVTOL廠家對通信帶寬、時延、可靠性等方面的需求存在較大差異，因此實施過程中需要移動通信網絡運營商根據eVTOL以及其他飛行場景運營企業及廠家共同確定各項指標參數，確?？沼蚓W絡覆蓋滿足低空飛行要求。

（二）技術和網絡統一性和長期演進性。低空經濟逐步從低密到高密發展，對管理的訴求也是逐漸精細化的進程。當前低空空域以無人機為使用主體，由于低空環境復雜，無人機在人口密集城區的飛行隱患陡增。同時在低空環境下，無人機等飛行器體積小，起降點靈活，對非法入侵等的處置變得較為復雜，對感知準確率也提出越來越高的要求。因此構建低空通感網絡，通過移動通信基站的多站協同等感知方式，不僅需能滿足網絡的快速部署，同時按感知精度遞進部署。因此，技術和網絡的統一性和長期演進性，將是低空通感網絡可用性、高效性與安全性的一種度量衡。

多技術融合支撐低空空域感知

目前市場上已出現基于多種技術的產品與解決方案，其中典型的包括5G-A通信感知融合、城市型雷達、無線電偵測、光電探測、陣列計算攝像等技術。通過實際應用及測試，各技術各有其優勢，但也存在一定的局限性。

城市雷達是專門設計用于城市環境中進行探測和監測的雷達系統，它可以通過發射和接收電磁波來探測目標的存在、位置、速度等信息。城市雷達可以覆蓋較大的區域，實現遠距離探測，市場上典型的城市型雷達可探測距離約5公里。且不受光照、天氣等自然條件的影響，可以全天候工作。但受限于雷達技術對障礙物的穿透能力弱，如在城市高樓大廈之間，由于受到多徑效應的影響導致探測精度下降，由于樓宇遮擋導致盲區多。此外，對于超低空（如真高300米以下）區域由于背景雜波信號強，對識別效果的影響大。

無線電偵測是一種通過截收、分析無線電信號對低空空域范圍內飛行器進行探測。無線電偵測技術由于無須向空域主動發射電磁波，因此具備很好的隱蔽性。部分無線電偵測設備可以覆蓋達5公里的較大的區域，實現遠距離探測。由于無線電偵測技術通過探測飛行器的無線電信號實現空域感知，對于不予地面進行通信的靜默飛行無人機等飛行器，無法實現感知。此外，在城市內由于無線通信業務量高，通信背景雜波信號強，對識別效果的影響大。

陣列計算攝像設備是一種采用陣列式鏡頭和圖像處理技術的攝像設備。它通過多個鏡頭同時拍攝可見光和/或紅外圖像，結合圖像處理算法實現高分辨率（典型地達到億像素）、高動態范圍的圖像輸出。陣列計算攝像設備通過同時捕捉高光和暗光區域的細節以適應不同光照條件，同時通過采用高速圖像處理技術實現低空空域飛行器的識別。由于涉及多個鏡頭和圖像處理算法，系統的復雜性和維護難度較高。同時，由于受到天氣、光照條件等因素的影響大，可作為取證視頻使用。

光電探測技術是利用光電傳感器接收環境中的光信息，并將其轉化為電信號，進而進行目標探測、識別和跟蹤等領域。光電探測系統通常可不間斷地為指控中心在晝夜操作中提供監視、目標捕獲、跟蹤功能。由于受到技術限制，在弱光環境和復雜天氣下探測效果受限，夜間或光線不足時探測能力下降，但可作為取證視頻使用。

根據《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》（國令第761號）以及《通用航空飛行管制條例》等相關法規，自2024年1月1日起，我國民用無人機駕駛航空器將實行實名登記和飛行申報流程，飛行無人機時需依法合規進行，確保飛行安全，并上報飛行數據。飛行中的低空飛行器可以通過4G/5G地面無線通信網絡、北斗短報文以及ADS-B等技術和設備進行低空數據的上報，飛行數據主要包括飛行記錄編號、制造商代碼、實名登記號、時間戳、累計飛行時長、坐標系類型、位置經緯度、飛行高度、飛行速度、航跡角等信息。

由于單一感知技術存在一定的技術局限性，為了更好地實現對低空空域的感知與管理，需要充分利用各種技術優勢，并結合飛行數據，通過對于各種樓宇密度、各種地形等不同場景的深度學習、多源數據融合等技術應用和實踐，逐步推動技術的演進與發展，實現更高置信度的空域感知，為低空空域管理提供“唯一”“可信”的低空空域感知數據。

參考文獻：

中國民用機場協會團體標準《電動垂直起降航空器（eVTOL）起降場技術要求》。本文作者為該文獻編寫專家。