低空經(jīng)濟(jì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的思考—詳解版

近年來，全國(guó)各地積極發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)，但“低小慢”飛行器存在“看不見、叫不到、管不住”的突出問題。由于缺乏統(tǒng)一精細(xì)化的低空基礎(chǔ)設(shè)施和管控平臺(tái)，低空通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等保障能力不足，政府部門難以有效監(jiān)管。全國(guó)多家運(yùn)營(yíng)企業(yè)紛紛嘗試自行搭建飛行規(guī)范和低空基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象，管理混亂，資源浪費(fèi)，給低空飛行帶來極大的安全隱患。

對(duì)于“異構(gòu)、高密度、高頻次、高復(fù)雜性”的低空飛行，相關(guān)的空中交通規(guī)則及法律法規(guī)建設(shè)還比較滯后。低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開有序的運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管，而運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管的前提是低空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。，目前低空空域尚缺乏有效的全天候監(jiān)測(cè)手段，其根本原因是為缺乏統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其無法對(duì)低空空域進(jìn)行全天候的“感知”。

構(gòu)建低空通信與感知為一體的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，賦能可計(jì)算空域，是發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)和打造可運(yùn)營(yíng)空域的前置條件。這一網(wǎng)絡(luò)將為低空管理與企業(yè)飛行運(yùn)營(yíng)提供感知、檢測(cè)與通訊保障能力。同時(shí)通過對(duì)低空網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的物理設(shè)施，尤其是低空飛行器進(jìn)行感知與定位，實(shí)現(xiàn)各類形式的低空飛行器運(yùn)行統(tǒng)一調(diào)度，集中管理和高效通行，推動(dòng)低空空域的安全有序發(fā)展。

為什么要通信和感知功能？

1、通信功能的需求

（1）飛控需求

- 實(shí)時(shí)飛控：下行低時(shí)延高可靠通信鏈路（URLLC）

1）飛行過程：當(dāng)前低空飛行器一般為預(yù)置飛行軌跡。但從未來演進(jìn)看，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)航線規(guī)劃、提升空域資源利用率，以及異常情況處理（如識(shí)別黑飛的時(shí)候下發(fā)飛控動(dòng)作）等功能，實(shí)時(shí)飛控是必須的。

2）起降過程：地面控制中心與低空飛行器之間需要高可靠的通信鏈路，從而傳遞飛行參數(shù)、飛行計(jì)劃以及接收指令，避免相互干擾或發(fā)生沖突，保證飛行的有序進(jìn)行。

// 需要保證通信的及時(shí)性（時(shí)延10ms），可靠性（99.9%），抗干擾性，通信安全性（認(rèn)證加密）。

- 狀態(tài)報(bào)告：上行低時(shí)延高可靠通信鏈路（URLLC）

1）狀態(tài)信息：合作或合法低空飛行器周期性匯報(bào)當(dāng)前位置，高度，速度，目的地等多維度狀態(tài)信息，用于創(chuàng)建飛行記錄等，輔助地面控制中心監(jiān)管。

2）身份ID：伴隨狀態(tài)信息，通過通信能力，上報(bào)身份ID，可以是飛機(jī)主動(dòng)上報(bào)類似ESN，也可以是開戶的類似IMSI信息；當(dāng)前所有低空管制，均要求低空飛行器會(huì)發(fā)送自己的身份ID信息。

（2）業(yè)務(wù)需求

- 機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸：上行大帶寬傳輸通信鏈路（eMBB）

1）飛行過程：低空飛行器可以將飛行過程中的傳感采集數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等周期性或?qū)崟r(shí)（部分場(chǎng)景和用途）回傳給地面控制中心。

2）降落過程：低空飛行器在靠近起降平臺(tái)的時(shí)候，快速的將機(jī)載數(shù)據(jù)offloading到地面控制中心。

// 大多數(shù)低空飛行器應(yīng)用和服務(wù)都需要從低空飛行器到地面服務(wù)中心或控制器的高清視頻反饋。例如，低空飛行器輔助管道和基站巡檢、搜救任務(wù)、重大賽事監(jiān)控和娛樂需要高達(dá)30 Mbit/s的上行鏈路傳輸數(shù)據(jù)速率。

- 業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程控制：下行低時(shí)延高可靠通信鏈路（URLLC）

地面控制中心也會(huì)把一些業(yè)務(wù)類信息動(dòng)態(tài)傳遞給低空飛行器，例如，給低空飛行器發(fā)送拍攝需求。

//行業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)鏈路的訴求是：低空300米無縫覆蓋，上行傳輸帶寬15-60Mbps，飛行控制時(shí)延10ms。

2、感知功能的需求

（1）空域建設(shè)和管理

- 空域柵格化：通過地面感知功能，結(jié)合三位地理坐標(biāo)信息，提供空域柵格化能力，按照特定的長(zhǎng)寬高的方格，將空域資源切分標(biāo)記，統(tǒng)一管理。

- 空域可靠性維護(hù)：GNSS受到干擾的情況下，地面感知功能仍然可以維護(hù)航路的運(yùn)行。

// 無論是低空飛行器的自身的位置上報(bào)，還是基于ADS-B的廣播式位置報(bào)送，其數(shù)據(jù)來源都是本身的GNSS信號(hào)，在GNSS信號(hào)受到干擾或故意偽裝欺騙的情況下，飛機(jī)主動(dòng)發(fā)出的位置都不可靠。如果完全依賴則會(huì)出現(xiàn)航路完全失控的情況。

（2）監(jiān)測(cè)和監(jiān)控

- 身份匹配：針對(duì)合作低空飛行器，在“車牌”識(shí)別/身份識(shí)別時(shí)，根據(jù)場(chǎng)景需求可能會(huì)對(duì)低空飛行器進(jìn)行目標(biāo)類別、姿態(tài)和軌跡感知，并結(jié)合通信ID，確保證“”車“證”匹配。

- 交通監(jiān)管：對(duì)低空飛行器分配的預(yù)定飛行路線和軌跡的監(jiān)控和監(jiān)管，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)飛出航線、超速等情況；這些監(jiān)管能力不僅體現(xiàn)了對(duì)低空基礎(chǔ)設(shè)施的需求，同時(shí)也可能成為低空運(yùn)營(yíng)的創(chuàng)收手段。

- 黑飛識(shí)別：需要對(duì)低空飛行器進(jìn)行感知定位，軌跡跟蹤。這類低空飛行器的特點(diǎn)是“低慢小”，且不發(fā)送Remote ID等，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)無法探測(cè)到這些低空飛行器。包括禁飛區(qū)域或重要保護(hù)區(qū)域，禁止所有飛行物進(jìn)入。

- 故障檢測(cè)：針對(duì)一些通信故障低空飛行器，可以利用感知功能實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤，幫助企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位和尋回低空飛行器。

（3）起降引導(dǎo)

- 通過感知定位，導(dǎo)航引導(dǎo)，碰撞規(guī)避，提供低空飛行器的航向引導(dǎo)，為飛機(jī)建立下降線路，輔助低空飛行器精確降落。類似于民航的盲降，避免飛機(jī)單獨(dú)依靠衛(wèi)星定位或視覺定位來起降。

- 實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的調(diào)度管控，對(duì)多低空飛行器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)可視的有序起飛和降落。

（4）導(dǎo)航輔助

- 地形氣象感知：部分低空飛行器上也部署有感知系統(tǒng)，但受限于體積、功耗、算力感知能力和范圍。通過地面感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取飛行器及飛行路線周圍環(huán)境的信息，包括地形、氣象條件、其他飛行器的位置等，從而輔助導(dǎo)航和飛行控制，確保飛行器按照預(yù)定航線飛行并在需要時(shí)作出調(diào)整。

// 碰撞預(yù)警：通過感知結(jié)合飛行狀態(tài)、天氣、干預(yù)時(shí)間等因素，提供低空飛行器的碰撞評(píng)估和預(yù)測(cè)，為特定的低空飛行器碰撞提供預(yù)警和避免功能；// 智能航路規(guī)劃：通過感知，根據(jù)給定的起飛和降落點(diǎn)，空域流量、天氣等因素，結(jié)合安全性和成本，智能規(guī)劃出三維飛行線路，最大效率利用空域資源；

// 航路檢測(cè)：低空飛行器較多的情況下，不同的低空飛行器申請(qǐng)相同的航路時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、航線繁忙度等對(duì)初始航路計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整和實(shí)時(shí)的匹配。

為什么需要通感一體化？

1、傳統(tǒng)技術(shù)路線不滿足低空需求

傳統(tǒng)分立的通信或感知系統(tǒng)均不滿足，需要考慮新的技術(shù)路線。

低空?qǐng)鼍爸械涂诊w行物和低空環(huán)境呈現(xiàn)“異構(gòu)、高密度、高頻次、高復(fù)雜性”四大特征。傳統(tǒng)航空ADS-B系統(tǒng)性能和特性無法滿足低空?qǐng)鼍靶枨�；傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)無法支持低空?qǐng)鼍暗纳矸葑R(shí)別并存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

（1）民航ADS-B：只有通信功能，沒有感知功能；基于民用飛機(jī)密度低（一平方公里低于一架），通信速率低（基本坐標(biāo)信息傳遞），飛行速度高的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的；而低空?qǐng)鼍疤攸c(diǎn)是高密度（每平方公里大于百架），高速率（機(jī)載視頻回傳，機(jī)載傳感器，及動(dòng)態(tài)控制）。同時(shí)，ADS-B系統(tǒng)為明文發(fā)送，不滿足商用場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳輸安全性要求。

// ADS-B主要設(shè)計(jì)給民航使用，主要目的是用于降低一、二次雷達(dá)的建設(shè)費(fèi)用。ADS-B與二次雷達(dá)不同，位置等信息由機(jī)載的GNSS系統(tǒng)報(bào)送而非雷達(dá)檢測(cè)和計(jì)算所得，優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于一次、二次雷達(dá)，精度更高，可以縮小飛機(jī)之間的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是當(dāng)GNSS受到干擾時(shí)會(huì)失效，尤其在一些特殊區(qū)域和特殊時(shí)期，GNSS會(huì)受到持續(xù)的干擾。且ADS-B未加密無身份認(rèn)證。目前通常是一、二次雷達(dá)和ADS-B共覆蓋，通過數(shù)據(jù)融合的方式使用，ADS-B的信息須得到雷達(dá)確認(rèn)，以保證空域管理的可靠性。因此，并不適合管理低空的低空飛行器。

（2）傳統(tǒng)雷達(dá)：傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)成熟，探測(cè)距離遠(yuǎn)，但只能檢測(cè)有無，而無法對(duì)飛行物進(jìn)行“身份識(shí)別”。包括軍方Ku/Ka雷達(dá)，光電雷達(dá)和無線電偵聽等，只有感知功能，沒有通信功能；僅從感知功能而言，傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，但難以發(fā)現(xiàn)敏捷性的“低慢小”低空飛行器目標(biāo)，設(shè)備昂貴，視場(chǎng)角小，大規(guī)模組網(wǎng)費(fèi)用高；低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也必然是從近地區(qū)域開始的，一些涉及到國(guó)家及社會(huì)安全的非法低空飛行器也經(jīng)常在近地區(qū)域出現(xiàn)。由于傳統(tǒng)雷達(dá)一般為脈沖波體制，保證探測(cè)距離，存在百米級(jí)以上的探測(cè)盲區(qū)，難以滿足規(guī)模化低空飛行活動(dòng)監(jiān)控需求，近地的起降場(chǎng)更是難以應(yīng)用。

（3）低空飛行器主動(dòng)信息報(bào)送系統(tǒng)：（美國(guó)Remote ID和中國(guó)GB 42590-2023），基于WIFI協(xié)議和頻段，通過WIFI信標(biāo)和藍(lán)牙協(xié)議廣播，距離近，易受到干擾，可靠性低，且廣播非加密性質(zhì)�？赏ㄟ^手機(jī)WIFI+APP接收，適合娛樂用途的低空飛行器。

2、通感一體化可以分享移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈帶來的價(jià)值紅利

（1）通感一體成為5G-A/6G的典型技術(shù)路線和核心技術(shù)特征；有較高的數(shù)據(jù)通信和可靠性保證能力，有完整的認(rèn)證、加密等安全流程；有全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)支持可以長(zhǎng)期演進(jìn)和升級(jí)。

（2）為配套5G-A/6G地面通信的技術(shù)要求，相關(guān)芯片產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)快速催熟、完備。低空經(jīng)濟(jì)作為應(yīng)用場(chǎng)景，可以充分分享移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈，進(jìn)一步降低成本。

3、通感一體降低了對(duì)硬件/軟件部署的要求

（1）低空?qǐng)鼍暗臉I(yè)務(wù)需要通信和感知的功能，則部署通感一體的設(shè)備能使得整體部署成本最優(yōu)，包括運(yùn)維和管理。

（2）傳統(tǒng)設(shè)備為單一技術(shù)，則需要部署兩套獨(dú)立設(shè)備，增加了設(shè)備本身的成本、站點(diǎn)租賃成本、人工維護(hù)成本、設(shè)備維護(hù)成本等。

（3）低空?qǐng)鼍靶枰�感知和通信系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通感一體化系統(tǒng)，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)也是由一套軟件架構(gòu)進(jìn)行處理，減少了多個(gè)系統(tǒng)部署、對(duì)接的復(fù)雜度。

4、通感一體化可以賦能低空?qǐng)鼍案�多的業(yè)務(wù)特性

（1）頻率資源的高效利用：頻率資源是寶貴的戰(zhàn)略資源，通感一體化可以根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域、頻域和空域的頻率資源調(diào)度和復(fù)用；靈活分配通信和感知的資源，實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，提高頻譜的資源利用效率。

（2）通感一體融合互助：通信的被動(dòng)定位跟蹤與感知的主動(dòng)跟蹤融合，可提升定位跟蹤精度；感知的環(huán)境探測(cè)和位置跟蹤可輔助通信進(jìn)行環(huán)境重構(gòu)、波束管理和移動(dòng)性管理等，提升通信性能。

（3）多維度數(shù)據(jù)源的一致性：在通感一體網(wǎng)絡(luò)下，通過通信獲得低空飛行器的信息，通過感知獲得低空飛行器的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以做到數(shù)據(jù)源在時(shí)間和空間上的獨(dú)有關(guān)聯(lián)性，確保管理的實(shí)時(shí)性，無需多系統(tǒng)的多頭數(shù)據(jù)源的二次融合。

// 如通過通信獲得低空飛行器的實(shí)時(shí)位置跟蹤及歷史的運(yùn)動(dòng)軌跡分析，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的小區(qū)和航路的流量，提供實(shí)時(shí)調(diào)度能力。通過低空飛行器的傳感器數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智算分析，提供低空飛行器的異常檢測(cè)、非法入侵監(jiān)測(cè)等智能化的能力。

低空通感一體網(wǎng)絡(luò)頻段選擇

低空通感一體網(wǎng)絡(luò)到底選擇哪個(gè)頻段合適？sub 6G還是毫米波？

現(xiàn)在5G-A被廣泛提及，5G-A是3GPP標(biāo)準(zhǔn)版本特性演進(jìn)。5G-A本身可以使用已有的5G sub6G頻段（當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)部署的5G，諸如3.5GHz、2.6GHz、4.9GHz，統(tǒng)稱sub6G），也可以使用5G毫米波頻段（24.75~27.5GHz）。從目前行業(yè)內(nèi)各種交流語境里，很多專家把5G-A和毫米波當(dāng)作兩條技術(shù)路線，此說法不嚴(yán)謹(jǐn)，這里僅作澄清。

從是否支持通信感知一體化功能特性的角度來看，可以說之前的5G標(biāo)準(zhǔn)版本不支持，在5G-A的標(biāo)準(zhǔn)版本里是支持的；在討論低空通感一體技術(shù)路線的時(shí)候，結(jié)合低空?qǐng)鼍昂托枨髮?duì)通感性能的要求，需要討論的是選取哪個(gè)頻段，即sub 6G，還是毫米波，頻段的不同意味著可用的頻譜資源的多少不同，以及對(duì)應(yīng)的頻率特性不同，從而會(huì)極大影響了5G-A的通感一體這個(gè)功能特性的性能指標(biāo)。

現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商部署的5G公網(wǎng)頻段sub 6G頻段，與毫米波頻段相比較，在覆蓋距離上有一定優(yōu)勢(shì)，但在低空空域有明確的覆蓋距離（通常低空空域在1km范圍，部分地方到3km），超過這個(gè)覆蓋距離，本身會(huì)帶來對(duì)其他系統(tǒng)的干擾；作為5G毫米波頻段而言，覆蓋當(dāng)前開放的低空空域本身就是毫米波系統(tǒng)的基本特征，同時(shí)針對(duì)低空?qǐng)鼍�，毫米波頻段相對(duì)sub6G（2.1/2.6/3.5/4.9GHz）有如下優(yōu)勢(shì)：

1、毫米波頻段可提供更短的通信時(shí)延，滿足飛控需求

（1）5G網(wǎng)絡(luò)通常以時(shí)隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)，而空口時(shí)隙長(zhǎng)度越短，意味著在空口傳輸時(shí)延就越小。（2）毫米波系統(tǒng)其空口時(shí)隙長(zhǎng)度最小可達(dá)0.125ms，僅為目前主流低頻5G系統(tǒng)的1/4。

（3）如果采用短時(shí)隙（mini slot）調(diào)度，空口時(shí)延甚至?xí)�更小�?/P>

這使得毫米波系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)極低時(shí)延，從而滿足飛行控制或工業(yè)控制等對(duì)短時(shí)延場(chǎng)景需求嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景。

2、毫米波頻段帶寬大頻段高，更好滿足通導(dǎo)監(jiān)需求

（1）更高的感知精度：毫米波頻段具有較大的帶寬，較小的波長(zhǎng)，較大的天線陣列規(guī)模，可以支持更高的距離分辨率/精度和角度分辨率/精度，例如，在800M帶寬下，可分辨20厘米距離的2個(gè)物體。（2）更豐富的感知特征：毫米波頻段頻點(diǎn)高，感知可獲得的物體特征豐富，可用于飛行物體的分類與識(shí)別，也可基于微多普勒檢測(cè)懸停的旋翼無人機(jī)。

（3）更多維度的感知應(yīng)用：基于毫米波內(nèi)生的感知能力，可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境成像，微觀氣象和微動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域。

3、5G-A毫米波通感一體化設(shè)備，具備更低功耗和成本

（1）毫米波采用大規(guī)模相控陣架構(gòu)，天線陣列增益可以做到20～30dBi以上，可用更低的功率，更低功耗的毫米波設(shè)備滿足低空通感覆蓋。

（2）毫米波所需的設(shè)備功耗低，就意味著整機(jī)成本低和供電成本低、功耗低同時(shí)意味著重量輕（主要重量來自散熱金屬結(jié)構(gòu)），重量輕站點(diǎn)配套成本就低，不需要高承重的鐵塔和抱桿。

現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商地面公網(wǎng)還是專頻專網(wǎng)？

當(dāng)前，構(gòu)建低空通感一體網(wǎng)絡(luò)主要有兩種部署方式可供選擇：一是基于現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)系統(tǒng)，二是針對(duì)低空的專用網(wǎng)絡(luò)，其本質(zhì)是成本問題。

毋庸置疑，基于現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)的改造方案能夠在初期部署時(shí)復(fù)用現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，然而，現(xiàn)有地面公網(wǎng)的設(shè)計(jì)初衷是為地面用戶服務(wù)，在低空飛行場(chǎng)景中的適用性存在顯著局限。

1、現(xiàn)有地面移動(dòng)通信系統(tǒng)無法滿足低空?qǐng)鼍暗男滦枨?/STRONG>