低空新基建中的感知技術(shù)

《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(shí)施。2023年12月11日至12日在北京舉行的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議指出，要以科技創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，特別是以顛覆性技術(shù)和前沿技術(shù)催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動(dòng)能，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。

隨著低空經(jīng)濟(jì)的快速推進(jìn)，“低空+”已通過與快遞物流、文娛旅游、個(gè)人出行、應(yīng)急救災(zāi)、航道補(bǔ)給、農(nóng)林植保、森林防火、管線巡檢、安防巡邏、測(cè)繪勘探等各種實(shí)際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，形成了蓬勃發(fā)展之勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2024年初已有超過26個(gè)省、市、自治區(qū)將低空經(jīng)濟(jì)列入政府工作報(bào)告的重點(diǎn)工作。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的年復(fù)合增長(zhǎng)率約13.8%，全國(guó)無人機(jī)企業(yè)已超過1.5萬家。越來越多的無人機(jī)用于快速物流、應(yīng)急救援、農(nóng)林植保、航空測(cè)繪等應(yīng)用，年飛行量已達(dá)約2000萬小時(shí)。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)正在從生產(chǎn)制造向?qū)I(yè)化應(yīng)用服務(wù)發(fā)展。

隨著低空飛行架次及飛行時(shí)長(zhǎng)的快速增長(zhǎng)，將催生從隔離飛行到融合飛行的飛行運(yùn)行模式的演進(jìn)。雖然各地持續(xù)推進(jìn)低空空域開放及低空應(yīng)用的試點(diǎn)，但由于通信、導(dǎo)航及監(jiān)視以及空域數(shù)字化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用不足，導(dǎo)致低空空域的安全性以及用空合規(guī)性管理等方面都存在明顯的挑戰(zhàn)。

在用空合規(guī)性管理方面，由于低空空域感知信息的缺乏，導(dǎo)致對(duì)低空空域內(nèi)的飛行活動(dòng)的合規(guī)性判斷缺乏必要的信息支撐，進(jìn)而無法確保飛行活動(dòng)的合規(guī)性。

在安全隱患方面，未來的低空飛行任務(wù)將更加頻繁和復(fù)雜，傳統(tǒng)的人盯著屏幕對(duì)“非合作”目標(biāo)、航路/航線偏離、非法進(jìn)入管制空域、進(jìn)入不安全飛行區(qū)域、空中飛行間距過小等安全隱患的識(shí)別將更難以落實(shí)。且“人工盯看”模式容易受到疲勞、情緒、經(jīng)驗(yàn)等人為因素的影響，從而增加安全風(fēng)險(xiǎn)。

為支撐加快低空開放，亟須通過新技術(shù)應(yīng)用，尤其是數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)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(bào)的飛行數(shù)據(jù)以及地面監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)空域的主動(dòng)感知能力相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)低空空域范圍內(nèi)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(chǔ)上，通過多種技術(shù)與手段相結(jié)合，對(duì)低空空域安全事件及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，以及多方語音、視頻、數(shù)據(jù)等多手段協(xié)同，實(shí)現(xiàn)合規(guī)用空、安全用空。

5G-A通信感知融合技術(shù)

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

2023年起發(fā)生多起由于機(jī)場(chǎng)凈空區(qū)被無人機(jī)入侵導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)空域關(guān)閉、進(jìn)出港航班延誤或備降的惡行事件。由于低空空域監(jiān)視能力不足，事件發(fā)生后對(duì)無人機(jī)飛行軌跡及飛手追查難以落實(shí)，運(yùn)輸飛機(jī)的飛行安全風(fēng)險(xiǎn)難以得到排查與處置。直升機(jī)在起降過程中受到無人機(jī)干擾，導(dǎo)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(chǔ)設(shè)施的低空安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越嚴(yán)峻。

為了解決無人機(jī)的安全和高效飛行難題，各國(guó)都在探索技術(shù)手段，其中，基于海量地理信息規(guī)劃無人機(jī)低空航路這一技術(shù)方案越來越得到認(rèn)可。與此同時(shí)，與當(dāng)下個(gè)人或企業(yè)等自用商業(yè)化航路規(guī)劃不同，低空公共航路對(duì)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(shù)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(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)有的地面交通構(gòu)建一個(gè)安全、高效的低空航路網(wǎng)已成為一個(gè)迫在眉睫的亟待解決的課題并得到了各方高度關(guān)注。

移動(dòng)通信延續(xù)著每十年一代技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，已歷經(jīng)1G、2G、3G、4G的發(fā)展。每一次代際躍遷，每一次技術(shù)進(jìn)步，都極大地促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已融入社會(huì)生活的方方面面，深刻改變了人們的溝通、交流乃至整個(gè)生活方式。從1G到2G，實(shí)現(xiàn)了模擬通信到數(shù)字通信的過渡，移動(dòng)通信走進(jìn)了千家萬戶；從2G到3G、4G、5G，實(shí)現(xiàn)了語音業(yè)務(wù)到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變，傳輸速率成百倍提升，促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及和繁榮。5G作為一種新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅解決了人與人通信，同時(shí)也提供了人與物、物與物通信問題，滿足移動(dòng)醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

2021年4月，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）正式將5G演進(jìn)的名稱確定為：5G-Advanced（5G-A），標(biāo)志著全球5G發(fā)展進(jìn)入新階段。5G-A是5G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)和演進(jìn)，也被稱作5.5G，它在速率、時(shí)延、連接規(guī)模和能耗方面全面超越現(xiàn)有5G，旨在提供更豐富的能力和滿足更多場(chǎng)景的應(yīng)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(xiàng)技術(shù)的支撐，包括多址技術(shù)、調(diào)制和解調(diào)、信號(hào)編碼和壓縮、多入多出（MIMO）技術(shù)等。5G-A eMBB能力能夠在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)前，使用編碼和壓縮技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和提高傳輸效率，并通過MIMO技術(shù)增加無線通信的傳輸速率和信號(hào)質(zhì)量。

二是上行超寬帶UCBC。5G-A采用了上下行解耦技術(shù)，通過上行和下行鏈路采用不同的頻段和參數(shù)配置，優(yōu)化上行數(shù)據(jù)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(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)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(jī)器視覺等業(yè)務(wù)變得更加高效和便捷。

三是mMTC海量物聯(lián)網(wǎng)通信。5G-A進(jìn)一步提升了海量物聯(lián)網(wǎng)通信mMTC（Massive Machine Type Communication）的連接能力，支持全場(chǎng)景全能力的千億連接的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的連接和通信，如智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等，滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入需求。

四是寬帶實(shí)時(shí)交互RTBC。5G-A通過提供高速、低延遲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力，滿足寬帶實(shí)時(shí)交互RTBC（Real-Time Broadband Communication）高清視頻實(shí)時(shí)交互、全息通信、XR業(yè)務(wù)等場(chǎng)景對(duì)上行帶寬和實(shí)時(shí)性的需求。它為實(shí)時(shí)交互應(yīng)用的發(fā)展提供了有力支持，并推動(dòng)了數(shù)字化、智能化社會(huì)的進(jìn)步。

五是超高可靠低時(shí)延通信URLLC。5G-A在網(wǎng)絡(luò)速度上實(shí)現(xiàn)了顯著提升，其下行速率可達(dá)10Gbps，相當(dāng)于從原來5G的1Gbps提高至10倍。5G-A具有更低的網(wǎng)絡(luò)延遲，平均時(shí)延僅為毫秒級(jí)別，可以支持更多的實(shí)時(shí)應(yīng)用，如遠(yuǎn)程醫(yī)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(shù)相結(jié)合，以及高效利用頻譜、軟硬件等資源，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶的數(shù)據(jù)傳輸，還能夠感知周圍環(huán)境，為應(yīng)用提供更豐富的信息。在以無人機(jī)為主要飛行器的低空經(jīng)濟(jì)中，通過感知技術(shù)提供更精準(zhǔn)的導(dǎo)航、定位等服務(wù)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如下圖所示，5G-A同時(shí)具備通信和感知兩項(xiàng)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(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，5G-A基站通過在特定時(shí)隙通過發(fā)射電磁信號(hào)，接收物體反射信號(hào)，并通過對(duì)反射信號(hào)的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域的目標(biāo)感知。

基于5G-A技術(shù)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(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)通信地面基礎(chǔ)設(shè)施，以及遍布全國(guó)的專業(yè)維護(hù)專業(yè)技術(shù)人才資源，對(duì)空域波束進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)，滿足低空大容量的飛行需求，保障低空通信高速低時(shí)延指標(biāo)的同時(shí)，對(duì)飛行器的位置、狀態(tài)等進(jìn)行全天候高精度監(jiān)測(cè)，提高低空的管理效率。

基于5G-A技術(shù)的低空融合通信感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要從以下兩方面進(jìn)行考慮：

（一）空域全覆蓋全感知能力。5G-A網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要以需求為前提，實(shí)現(xiàn)對(duì)低空航路無縫覆蓋?；诘湫偷涂诊w行場(chǎng)景分析可以看到，電動(dòng)垂直起降航空器eVTOL對(duì)通信帶寬、時(shí)延、可靠性等要求較高。但我們也看到，不同的eVTOL廠家對(duì)通信帶寬、時(shí)延、可靠性等方面的需求存在較大差異，因此實(shí)施過程中需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)eVTOL以及其他飛行場(chǎng)景運(yùn)營(yíng)企業(yè)及廠家共同確定各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，確?？沼蚓W(wǎng)絡(luò)覆蓋滿足低空飛行要求。

（二）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一性和長(zhǎng)期演進(jìn)性。低空經(jīng)濟(jì)逐步從低密到高密發(fā)展，對(duì)管理的訴求也是逐漸精細(xì)化的進(jìn)程。當(dāng)前低空空域以無人機(jī)為使用主體，由于低空環(huán)境復(fù)雜，無人機(jī)在人口密集城區(qū)的飛行隱患陡增。同時(shí)在低空環(huán)境下，無人機(jī)等飛行器體積小，起降點(diǎn)靈活，對(duì)非法入侵等的處置變得較為復(fù)雜，對(duì)感知準(zhǔn)確率也提出越來越高的要求。因此構(gòu)建低空通感網(wǎng)絡(luò)，通過移動(dòng)通信基站的多站協(xié)同等感知方式，不僅需能滿足網(wǎng)絡(luò)的快速部署，同時(shí)按感知精度遞進(jìn)部署。因此，技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一性和長(zhǎng)期演進(jìn)性，將是低空通感網(wǎng)絡(luò)可用性、高效性與安全性的一種度量衡。

多技術(shù)融合支撐低空空域感知

目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)基于多種技術(shù)的產(chǎn)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(dá)、無線電偵測(cè)、光電探測(cè)、陣列計(jì)算攝像等技術(shù)。通過實(shí)際應(yīng)用及測(cè)試，各技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性。

城市雷達(dá)是專門設(shè)計(jì)用于城市環(huán)境中進(jìn)行探測(cè)和監(jiān)測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)，它可以通過發(fā)射和接收電磁波來探測(cè)目標(biāo)的存在、位置、速度等信息。城市雷達(dá)可以覆蓋較大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，市場(chǎng)上典型的城市型雷達(dá)可探測(cè)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(dá)技術(shù)對(duì)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(yīng)的影響導(dǎo)致探測(cè)精度下降，由于樓宇遮擋導(dǎo)致盲區(qū)多。此外，對(duì)于超低空（如真高300米以下）區(qū)域由于背景雜波信號(hào)強(qiáng)，對(duì)識(shí)別效果的影響大。

無線電偵測(cè)是一種通過截收、分析無線電信號(hào)對(duì)低空空域范圍內(nèi)飛行器進(jìn)行探測(cè)。無線電偵測(cè)技術(shù)由于無須向空域主動(dòng)發(fā)射電磁波，因此具備很好的隱蔽性。部分無線電偵測(cè)設(shè)備可以覆蓋達(dá)5公里的較大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。由于無線電偵測(cè)技術(shù)通過探測(cè)飛行器的無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)空域感知，對(duì)于不予地面進(jìn)行通信的靜默飛行無人機(jī)等飛行器，無法實(shí)現(xiàn)感知。此外，在城市內(nèi)由于無線通信業(yè)務(wù)量高，通信背景雜波信號(hào)強(qiáng)，對(duì)識(shí)別效果的影響大。

陣列計(jì)算攝像設(shè)備是一種采用陣列式鏡頭和圖像處理技術(shù)的攝像設(shè)備。它通過多個(gè)鏡頭同時(shí)拍攝可見光和/或紅外圖像，結(jié)合圖像處理算法實(shí)現(xiàn)高分辨率（典型地達(dá)到億像素）、高動(dòng)態(tài)范圍的圖像輸出。陣列計(jì)算攝像設(shè)備通過同時(shí)捕捉高光和暗光區(qū)域的細(xì)節(jié)以適應(yīng)不同光照條件，同時(shí)通過采用高速圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)低空空域飛行器的識(shí)別。由于涉及多個(gè)鏡頭和圖像處理算法，系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)難度較高。同時(shí)，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(cè)技術(shù)是利用光電傳感器接收環(huán)境中的光信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別和跟蹤等領(lǐng)域。光電探測(cè)系統(tǒng)通?？刹婚g斷地為指控中心在晝夜操作中提供監(jiān)視、目標(biāo)捕獲、跟蹤功能。由于受到技術(shù)限制，在弱光環(huán)境和復(fù)雜天氣下探測(cè)效果受限，夜間或光線不足時(shí)探測(cè)能力下降，但可作為取證視頻使用。

根據(jù)《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》（國(guó)令第761號(hào)）以及《通用航空飛行管制條例》等相關(guān)法規(guī)，自2024年1月1日起，我國(guó)民用無人機(jī)駕駛航空器將實(shí)行實(shí)名登記和飛行申報(bào)流程，飛行無人機(jī)時(shí)需依法合規(guī)進(jìn)行，確保飛行安全，并上報(bào)飛行數(shù)據(jù)。飛行中的低空飛行器可以通過4G/5G地面無線通信網(wǎng)絡(luò)、北斗短報(bào)文以及ADS-B等技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行低空數(shù)據(jù)的上報(bào)，飛行數(shù)據(jù)主要包括飛行記錄編號(hào)、制造商代碼、實(shí)名登記號(hào)、時(shí)間戳、累計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)、坐標(biāo)系類型、位置經(jīng)緯度、飛行高度、飛行速度、航跡角等信息。

由于單一感知技術(shù)存在一定的技術(shù)局限性，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)低空空域的感知與管理，需要充分利用各種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合飛行數(shù)據(jù)，通過對(duì)于各種樓宇密度、各種地形等不同場(chǎng)景的深度學(xué)習(xí)、多源數(shù)據(jù)融合等技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐，逐步推動(dòng)技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

中國(guó)民用機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)垂直起降航空器（eVTOL）起降場(chǎng)技術(shù)要求》。本文作者為該文獻(xiàn)編寫專家。