曾晶 吳炎瑾 劉大暢

摘要：城市低空經(jīng)濟的發(fā)展會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。針對城市低空環(huán)境以及低空經(jīng)濟發(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、雷達三系統(tǒng)融合監(jiān)測的城市低空感知系統(tǒng)（sensation），基于飛行風(fēng)險和經(jīng)濟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)濟的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：低空經(jīng)濟；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)濟的發(fā)展相較于傳統(tǒng)的載人航空經(jīng)濟，其中一個重要特點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)濟中十分重要的一環(huán)。然而傳統(tǒng)的無人機技術(shù)主要針對單一無人機的性能，主要目標(biāo)是確保其能完成給定任務(wù)，對于多機之間的協(xié)同工作則相對研究較少。但是城市低空經(jīng)濟的發(fā)展中會出現(xiàn)大量無人飛行器同時運行的情況，僅憑當(dāng)前常用的無人機技術(shù)難以應(yīng)對，這一點可以類比汽車技術(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運行，去執(zhí)行不同任務(wù)時，傳統(tǒng)無人機便需要一套完整的保障系統(tǒng)對其通信和空域管理做支撐。同時城市環(huán)境內(nèi)，不僅存在正在執(zhí)行任務(wù)的無人飛行器，也會有各類非合作目標(biāo)，例如丟失信號的無人機、“黑飛”無人機、氣球，甚至部分鳥類。這些飛行目標(biāo)本身并不會主動上報其位置及任務(wù)，會對其他正在執(zhí)行任務(wù)的飛行器造成極大的安全隱患。因而還需要對城市低空環(huán)境進行全面感知，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)濟的發(fā)展，需要結(jié)合通信、感知、管理三個方面，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)場景下的大規(guī)模低空無人機應(yīng)用；基于無線電、光電、雷達三系統(tǒng)融合監(jiān)測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)險和經(jīng)濟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對點的，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）》，民用無人機可以申請使用840.5-845MHz、1430-1444MHz、2400-2476MHz、5725-5829MHz頻段頻率用于遙控、遙測、信息傳輸鏈路[1]。然而點對點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，當(dāng)同空域同時存在多架無人飛行器時，使用相同頻段的通信手段會導(dǎo)致信道阻塞。不同飛行器之間相互干擾，可能會造成數(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行的狀態(tài)其實更類似于多移動終端同時通信的問題，可以引入移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)來解決其擁塞和干擾的問題。

5G在設(shè)計之初就考慮了大帶寬、低時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，基于移動網(wǎng)絡(luò)的鏈路具有相當(dāng)高的優(yōu)勢[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，較少進行低空的空域覆蓋。有研究表明，在接入5G網(wǎng)絡(luò)進行低空飛行時面臨的主要問題是無主覆蓋小區(qū)以及空中信號雜亂[3]。由于無人飛行器需要基站的波束對空域進行覆蓋，直接調(diào)整現(xiàn)有5G基站可能會對公眾用戶產(chǎn)生一定的影響，可以在波束配置中采用SSB“1+X”設(shè)計，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)用的場景。抬高的部分波束用于覆蓋空域，同時減少對地面用戶的影響。針對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)于這個問題，傳統(tǒng)民航業(yè)通過ADS-B系統(tǒng)和空管雷達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，因為在城市超低空環(huán)境下傳統(tǒng)空管雷達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，同時由于我國的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]到無人機的數(shù)量在可以預(yù)見的未來會遠超民航飛行器的數(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，丟失報文和報文時延，干擾載人飛行器的正常運行。若要將ADS-B系統(tǒng)用于無人飛行器監(jiān)管，則需要進一步改進其數(shù)據(jù)鏈路，提升其鏈路容量。

中國民航局于2019年11月印發(fā)的《輕小型民用無人機飛行動態(tài)數(shù)據(jù)管理規(guī)定》的通知中提出，操縱輕小型無人機時應(yīng)當(dāng)按照要求，通過線上數(shù)據(jù)收發(fā)接口實時向民航局報送其真實的飛行動態(tài)數(shù)據(jù)[5]。因此現(xiàn)今各大消費者無人機廠商基本是通過其配套手機APP等方式，依靠各飛行器操作員將飛行數(shù)據(jù)實時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，一些情況下無人機操縱終端可能無法連接至互聯(lián)網(wǎng)，甚至部分無人機操作人員會選擇將其手機調(diào)整至飛行模式以免干擾遙控器控制信號。這些情況都會導(dǎo)致飛行動態(tài)數(shù)據(jù)無法被監(jiān)管系統(tǒng)實時獲取。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，仍然需要一些主動的手段來對當(dāng)前空域中的飛行器進行感知，這些手段一般可以分為有源和無源兩大類。

3. 無源檢測

3.1 無線電頻譜探測

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行通信，這個過程所產(chǎn)生的無線信號在頻譜和功率譜上都有較為顯著的特征可以被識別。無線電頻譜探測便是通過監(jiān)測無人飛行器與控制者之間的相互傳輸?shù)臒o線電信號，來獲取飛行器和控制者的方位信息，進而對其進行定位和實時監(jiān)控。常用的定位算法有到達時間法（TOA）、到達時間差法 （TDOA）、到達角度法（AOA）、接收信號強度法 （RSSI）等。無線電頻譜探測具有受自然環(huán)境限制小、實施程度高、電磁污染小、使用成本低等優(yōu)點[6]。但當(dāng)?shù)涂諢o人機處在復(fù)雜電磁環(huán)境下時，無線電頻譜探測的穩(wěn)定性將大大降低，因此需要盡可能多地布置無線電探測設(shè)備，保證其覆蓋范圍。

3.2 光電監(jiān)測

光電監(jiān)測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、確認無人機性質(zhì)、進行跟蹤取證，可單獨使用也可與其他監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動，并且可以結(jié)合激光測距來提供目標(biāo)的高精度坐標(biāo)。光電監(jiān)測技術(shù)主要分為可見光識別和紅外識別，通常結(jié)合使用，來適應(yīng)不同的時間和環(huán)境。光電監(jiān)測的關(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)測手段能夠獲得最精確的飛行器位置及型號信息，可以被用于識別、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

雷達是一種典型的有源檢測方式，其原理是雷達發(fā)射機向外發(fā)射電磁波，接收機接收從目標(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]。然而針對超低空環(huán)境，地面雜波會嚴(yán)重干擾其工作?？紤]大氣衰減和地雜波的影響，采用地雜波MTI抑制技術(shù)，針對無人飛行器的雷達最佳頻率為16 GHz（Ku波段）。因此Ku波段是目前無人飛行器探測雷達的主流工作波段[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)實現(xiàn)雷達通信一體化，通過5G通信基站實現(xiàn)低空目標(biāo)探測[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。雷達監(jiān)測的優(yōu)勢便是可以同時追蹤多個目標(biāo)，可以有效跟蹤同一空域中出現(xiàn)的多個飛行器，同時其受天氣干擾小，可以做到24小時不間斷工作。

但是這一方法受環(huán)境影響較大，在樓宇等遮擋環(huán)境下探測距離有限，因此在城市環(huán)境內(nèi)的部署點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)劃是針對少量的載人飛行器進行設(shè)計的，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。此類方法對于低空同時出現(xiàn)大量無人飛行器的情況缺乏充分考慮。同時當(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行直接溝通，而無人機操作人員與航空管制單位通常難以建立及時有效的通信聯(lián)系[10]。然而隨著低空經(jīng)濟的發(fā)展，無人機會大量普及，未來一公里航道可能會同時出現(xiàn)上百架無人機，一個城市的低空無人機就有可能上萬架，依靠人工管理難以及時協(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。面對如此高密度的無人機運行，需要引入動態(tài)規(guī)劃和資源優(yōu)化的方法，實現(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，可以實現(xiàn)低空空域的動態(tài)規(guī)劃和資源優(yōu)化，避免擁堵和沖突。同時，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。但是僅針對飛行器航路的有效性進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，其冗余相較于載人飛行器較少，因而故障造成的墜機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航路。因此針對無人飛行器的空域管理和路徑規(guī)劃，需要將風(fēng)險納入規(guī)劃范圍，可以劃定高低風(fēng)險區(qū)。綜上，城市低空空域管理需要統(tǒng)籌飛行風(fēng)險、天氣、噪聲、效率、經(jīng)濟性等多方面因素，充分利用三維空間。

結(jié)語

城市環(huán)境下的低空經(jīng)濟發(fā)展，需要通信、感知、管理這三個方向的技術(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)測為主導(dǎo)，光電監(jiān)測輔助判別，雷達通信一體化5G基站作為補充手段，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)險以及天氣、噪聲、經(jīng)濟性等元素，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、管理三個方向還會有更多新技術(shù)涌現(xiàn)。

城市低空經(jīng)濟的發(fā)展，需要將三個系統(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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作者簡介：曾晶，碩士研究生，高級工程師，研究方向：管理咨詢、信息通信工程咨詢規(guī)劃設(shè)計、IT咨詢。