城市低空經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵支撐技術(shù)探討

曾晶 吳炎瑾 劉大暢

摘要：城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)引入大量無人飛行器，傳統(tǒng)民航技術(shù)并不適用于低空環(huán)境下的大量無人飛行器。針對(duì)城市低空環(huán)境以及低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，本文提出一種CSM架構(gòu)，即基于5G網(wǎng)絡(luò)的城市低空通信系統(tǒng)（communication），基于無線電、光電、雷達(dá)三系統(tǒng)融合監(jiān)測(cè)的城市低空感知系統(tǒng)（sensation），基于飛行風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性管理的人工智能城市空域管理系統(tǒng)（management），并探討了上述三系統(tǒng)的緊密結(jié)合如何支撐城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：低空經(jīng)濟(jì)；城市環(huán)境；低空通信；飛行器感知；空域管理

引言

城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相較于傳統(tǒng)的載人航空經(jīng)濟(jì)，其中一個(gè)重要特點(diǎn)便是引入了大量的無人航空器?？梢哉f，無人航空器是低空經(jīng)濟(jì)中十分重要的一環(huán)。然而傳統(tǒng)的無人機(jī)技術(shù)主要針對(duì)單一無人機(jī)的性能，主要目標(biāo)是確保其能完成給定任務(wù)，對(duì)于多機(jī)之間的協(xié)同工作則相對(duì)研究較少。但是城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中會(huì)出現(xiàn)大量無人飛行器同時(shí)運(yùn)行的情況，僅憑當(dāng)前常用的無人機(jī)技術(shù)難以應(yīng)對(duì)，這一點(diǎn)可以類比汽車技術(shù)和交通管理技術(shù)的區(qū)別。單一無人飛行器的性能發(fā)展如今已可以基本滿足城市低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，可以承擔(dān)諸如物流配送、城市治理、應(yīng)急救災(zāi)等任務(wù)。但是當(dāng)大量此類無人飛行器同時(shí)運(yùn)行，去執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)無人機(jī)便需要一套完整的保障系統(tǒng)對(duì)其通信和空域管理做支撐。同時(shí)城市環(huán)境內(nèi)，不僅存在正在執(zhí)行任務(wù)的無人飛行器，也會(huì)有各類非合作目標(biāo)，例如丟失信號(hào)的無人機(jī)、“黑飛”無人機(jī)、氣球，甚至部分鳥類。這些飛行目標(biāo)本身并不會(huì)主動(dòng)上報(bào)其位置及任務(wù)，會(huì)對(duì)其他正在執(zhí)行任務(wù)的飛行器造成極大的安全隱患。因而還需要對(duì)城市低空環(huán)境進(jìn)行全面感知，確定合作飛行器的位置，并避免非合作目標(biāo)的安全威脅。

因此，為了保障城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要結(jié)合通信、感知、管理三個(gè)方面，為低空飛行器提供保障支撐。本文提出一種CSM架構(gòu)，即基于5G網(wǎng)絡(luò)的城市低空飛行器通信系統(tǒng)（communication），用于支撐高并發(fā)場(chǎng)景下的大規(guī)模低空無人機(jī)應(yīng)用；基于無線電、光電、雷達(dá)三系統(tǒng)融合監(jiān)測(cè)的城市低空飛行器感知系統(tǒng)（sensation），用于感知各類飛行目標(biāo)的位置，并提供給空域管理系統(tǒng)，保障空域規(guī)劃的安全性；基于飛行風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性管理的人工智能城市空域管理系統(tǒng)（management），用于分配低空空域，管理各飛行器，保障其安全性并支撐其任務(wù)的執(zhí)行。

1. 城市低空飛行器通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)無人飛行器與地面控制端的通信通常是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，根據(jù)工信部無線電管理局于2022年11月發(fā)布的《民用無人駕駛航空器無線電管理暫行辦法（再次公開征求意見稿）》，民用無人機(jī)可以申請(qǐng)使用840.5-845MHz、1430-1444MHz、2400-2476MHz、5725-5829MHz頻段頻率用于遙控、遙測(cè)、信息傳輸鏈路[1]。然而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信在沒有中繼的情況下通信距離受限，且在城市受遮擋環(huán)境下容易斷聯(lián)。同時(shí)，當(dāng)同空域同時(shí)存在多架無人飛行器時(shí)，使用相同頻段的通信手段會(huì)導(dǎo)致信道阻塞。不同飛行器之間相互干擾，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)包丟失甚至部分通信中斷。多架無人飛行器同空域運(yùn)行的狀態(tài)其實(shí)更類似于多移動(dòng)終端同時(shí)通信的問題，可以引入移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)來解決其擁塞和干擾的問題。

5G在設(shè)計(jì)之初就考慮了大帶寬、低時(shí)延以及高可靠性的行業(yè)應(yīng)用需求。與衛(wèi)星、專用通信站等傳統(tǒng)的低空飛行器通信鏈路相比，基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的鏈路具有相當(dāng)高的優(yōu)勢(shì)[2]。而相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)可以提供更低的延遲及更高的連接數(shù)，非常適合低空無人飛行器的數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要以地面為主，較少進(jìn)行低空的空域覆蓋。有研究表明，在接入5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低空飛行時(shí)面臨的主要問題是無主覆蓋小區(qū)以及空中信號(hào)雜亂[3]。由于無人飛行器需要基站的波束對(duì)空域進(jìn)行覆蓋，直接調(diào)整現(xiàn)有5G基站可能會(huì)對(duì)公眾用戶產(chǎn)生一定的影響，可以在波束配置中采用SSB“1+X”設(shè)計(jì)，將水平和垂直覆蓋解耦。這一方法適用于多站址以及公專網(wǎng)復(fù)用的場(chǎng)景。抬高的部分波束用于覆蓋空域，同時(shí)減少對(duì)地面用戶的影響。針對(duì)無人飛行器密度較大的區(qū)域，復(fù)用已有5G基站的部分波束可能不足以支撐繁重的業(yè)務(wù)，因此也可以為其建設(shè)專用5G基站。

2. 城市低空飛行器感知系統(tǒng)

管理城市內(nèi)低空飛行器的前提是感知當(dāng)前管理空域的所有飛行器的位置信息。關(guān)于這個(gè)問題，傳統(tǒng)民航業(yè)通過ADS-B系統(tǒng)和空管雷達(dá)來確定所管轄空域內(nèi)的所有航空器位置和狀態(tài)信息。但這樣的方式很難直接用于感知超低空環(huán)境中的無人飛行器，因?yàn)樵诔鞘谐涂窄h(huán)境下傳統(tǒng)空管雷達(dá)很難獲取有用的信息。而ADS-B系統(tǒng)由于體積功率的限制，難以被無人飛行器使用，同時(shí)由于我國(guó)的ADS-B系統(tǒng)使用的是1090ES數(shù)據(jù)鏈，其與航管應(yīng)答和TCAS防撞共用信道[4]?？紤]到無人機(jī)的數(shù)量在可以預(yù)見的未來會(huì)遠(yuǎn)超民航飛行器的數(shù)量，若無人飛行器全部配備ADS-B OUT，則容易形成局部的信道阻塞，丟失報(bào)文和報(bào)文時(shí)延，干擾載人飛行器的正常運(yùn)行。若要將ADS-B系統(tǒng)用于無人飛行器監(jiān)管，則需要進(jìn)一步改進(jìn)其數(shù)據(jù)鏈路，提升其鏈路容量。

中國(guó)民航局于2019年11月印發(fā)的《輕小型民用無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理規(guī)定》的通知中提出，操縱輕小型無人機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)按照要求，通過線上數(shù)據(jù)收發(fā)接口實(shí)時(shí)向民航局報(bào)送其真實(shí)的飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[5]。因此現(xiàn)今各大消費(fèi)者無人機(jī)廠商基本是通過其配套手機(jī)APP等方式，依靠各飛行器操作員將飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至民航局無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱UTMISS）。然而這樣的方法存在一定的滯后性，一些情況下無人機(jī)操縱終端可能無法連接至互聯(lián)網(wǎng)，甚至部分無人機(jī)操作人員會(huì)選擇將其手機(jī)調(diào)整至飛行模式以免干擾遙控器控制信號(hào)。這些情況都會(huì)導(dǎo)致飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無法被監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取。綜上所述，除以上由飛行器或操作人員自行提交的位置數(shù)據(jù)外，仍然需要一些主動(dòng)的手段來對(duì)當(dāng)前空域中的飛行器進(jìn)行感知，這些手段一般可以分為有源和無源兩大類。

3. 無源檢測(cè)

3.1 無線電頻譜探測(cè)

無人飛行器的飛行控制和數(shù)據(jù)回傳都需要和控制者進(jìn)行通信，這個(gè)過程所產(chǎn)生的無線信號(hào)在頻譜和功率譜上都有較為顯著的特征可以被識(shí)別。無線電頻譜探測(cè)便是通過監(jiān)測(cè)無人飛行器與控制者之間的相互傳輸?shù)臒o線電信號(hào)，來獲取飛行器和控制者的方位信息，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控。常用的定位算法有到達(dá)時(shí)間法（TOA）、到達(dá)時(shí)間差法 （TDOA）、到達(dá)角度法（AOA）、接收信號(hào)強(qiáng)度法 （RSSI）等。無線電頻譜探測(cè)具有受自然環(huán)境限制小、實(shí)施程度高、電磁污染小、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)[6]。但當(dāng)?shù)涂諢o人機(jī)處在復(fù)雜電磁環(huán)境下時(shí)，無線電頻譜探測(cè)的穩(wěn)定性將大大降低，因此需要盡可能多地布置無線電探測(cè)設(shè)備，保證其覆蓋范圍。

3.2 光電監(jiān)測(cè)

光電監(jiān)測(cè)是低空飛行器感知中非常重要的一環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)無人機(jī)、確認(rèn)無人機(jī)性質(zhì)、進(jìn)行跟蹤取證，可單獨(dú)使用也可與其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，并且可以結(jié)合激光測(cè)距來提供目標(biāo)的高精度坐標(biāo)。光電監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為可見光識(shí)別和紅外識(shí)別，通常結(jié)合使用，來適應(yīng)不同的時(shí)間和環(huán)境。光電監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是圖像處理算法，目前已有的嘗試包括傳統(tǒng)的鄰域特征、連續(xù)幀間特征、紅外輻射建模以及深度學(xué)習(xí)算法等。光電監(jiān)測(cè)手段能夠獲得最精確的飛行器位置及型號(hào)信息，可以被用于識(shí)別、取證等各類用途，但是受自然環(huán)境影響較大，在天氣狀況較差的情況下可能難以獲取有用的信息。

4. 有源檢測(cè)

雷達(dá)是一種典型的有源檢測(cè)方式，其原理是雷達(dá)發(fā)射機(jī)向外發(fā)射電磁波，接收機(jī)接收從目標(biāo)反射回來的電磁波，并通過處理該回波來獲得相應(yīng)信息。理論上獲取的目標(biāo)信息包括：距離、徑向速度、角方向、尺寸、形狀、微多普勒特征等[7]。然而針對(duì)超低空環(huán)境，地面雜波會(huì)嚴(yán)重干擾其工作。考慮大氣衰減和地雜波的影響，采用地雜波MTI抑制技術(shù)，針對(duì)無人飛行器的雷達(dá)最佳頻率為16 GHz（Ku波段）。因此Ku波段是目前無人飛行器探測(cè)雷達(dá)的主流工作波段[8]。由于5G通信基站采用相控陣天線，可以實(shí)現(xiàn)天線主瓣波束的快速調(diào)度，可以基于5G通信的幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化，通過5G通信基站實(shí)現(xiàn)低空目標(biāo)探測(cè)[9]。能夠利用現(xiàn)有基站資源，在城市環(huán)境下保證感知覆蓋范圍。雷達(dá)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)便是可以同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)，可以有效跟蹤同一空域中出現(xiàn)的多個(gè)飛行器，同時(shí)其受天氣干擾小，可以做到24小時(shí)不間斷工作。

但是這一方法受環(huán)境影響較大，在樓宇等遮擋環(huán)境下探測(cè)距離有限，因此在城市環(huán)境內(nèi)的部署點(diǎn)位選擇需要慎重考慮。

5. 城市低空空域管理系統(tǒng)

現(xiàn)有的空域規(guī)劃是針對(duì)少量的載人飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，空域被提前靜態(tài)劃分，并預(yù)先分配給數(shù)量有限的飛行器。此類方法對(duì)于低空同時(shí)出現(xiàn)大量無人飛行器的情況缺乏充分考慮。同時(shí)當(dāng)前的空域管理主要依靠人工，管制人員可以通過各種途徑與飛行器駕駛員進(jìn)行直接溝通，而無人機(jī)操作人員與航空管制單位通常難以建立及時(shí)有效的通信聯(lián)系[10]。然而隨著低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無人機(jī)會(huì)大量普及，未來一公里航道可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)上百架無人機(jī)，一個(gè)城市的低空無人機(jī)就有可能上萬架，依靠人工管理難以及時(shí)協(xié)調(diào)，且管理成本太高，這在傳統(tǒng)的空中交通管理體系下很難得到妥善解決。面對(duì)如此高密度的無人機(jī)運(yùn)行，需要引入動(dòng)態(tài)規(guī)劃和資源優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)空域資源的最優(yōu)分配，避免擁堵和沖突，借助現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)空域資源的最優(yōu)分配。

通過引入人工智能算法和大數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)低空空域的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和資源優(yōu)化，避免擁堵和沖突。同時(shí)，采用區(qū)域劃分和三維空域管理的方法，可以更好地利用空中資源，提高空域利用效率。但是僅針對(duì)飛行器航路的有效性進(jìn)行空域管理以及路徑分配是不夠的，城市低空環(huán)境十分復(fù)雜，飛行器飛過不同位置的風(fēng)險(xiǎn)程度也是不同的。無人飛行器的體積、功率以及成本限制了安全冗余設(shè)計(jì)，其冗余相較于載人飛行器較少，因而故障造成的墜機(jī)等事故概率相較于傳統(tǒng)載人飛行器更大。雖然無人飛行器事故造成的影響相對(duì)較小，但是在特定環(huán)境下的事故依然需要提防。例如人流量較大的步行街上空，可能就不適合分配高密度的無人機(jī)航路。因此針對(duì)無人飛行器的空域管理和路徑規(guī)劃，需要將風(fēng)險(xiǎn)納入規(guī)劃范圍，可以劃定高低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。綜上，城市低空空域管理需要統(tǒng)籌飛行風(fēng)險(xiǎn)、天氣、噪聲、效率、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，充分利用三維空間。

結(jié)語

城市環(huán)境下的低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要通信、感知、管理這三個(gè)方向的技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐。通信系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)，并在部分高密度區(qū)域部署專用基站。感知系統(tǒng)需要融合多傳感器系統(tǒng)，以無線電監(jiān)測(cè)為主導(dǎo)，光電監(jiān)測(cè)輔助判別，雷達(dá)通信一體化5G基站作為補(bǔ)充手段，全面覆蓋城市低空環(huán)境。管理系統(tǒng)通過感知系統(tǒng)獲取飛行器數(shù)據(jù)，結(jié)合飛行風(fēng)險(xiǎn)以及天氣、噪聲、經(jīng)濟(jì)性等元素，基于人工智能等手段規(guī)劃管理城市低空空域，并通過通信系統(tǒng)發(fā)布管理信息。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來在通信、感知、管理三個(gè)方向還會(huì)有更多新技術(shù)涌現(xiàn)。

城市低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要將三個(gè)系統(tǒng)充分結(jié)合，以技術(shù)做支撐，用技術(shù)促發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：曾晶，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：管理咨詢、信息通信工程咨詢規(guī)劃設(shè)計(jì)、IT咨詢。