低空新基建中的感知技术
2024-09-22 00:00:00潘杨生
环球飞行 2024年7期
《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》于2023年6月28日正式公布并于2024年1月1日正式实施。2023年12月11日至12日在北京举行的中央经济工作会议指出，要以科技创新推动产业创新，特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力。
随着低空经济的快速推进，“低空+”已通过与快递物流、文娱旅游、个人出行、应急救灾、航道补给、农林植保、森林防火、管线巡检、安防巡逻、测绘勘探等各种实际业务需求相结合，形成了蓬勃发展之势。据不完全统计，2024年初已有超过26个省、市、自治区将低空经济列入政府工作报告的重点工作。无人机产业的年复合增长率约13.8%，全国无人机企业已超过1.5万家。越来越多的无人机用于快速物流、应急救援、农林植保、航空测绘等应用，年飞行量已达约2000万小时。无人机产业的重点正在从生产制造向专业化应用服务发展。
随着低空飞行架次及飞行时长的快速增长，将催生从隔离飞行到融合飞行的飞行运行模式的演进。虽然各地持续推进低空空域开放及低空应用的试点，但由于通信、导航及监视以及空域数字化技术发展和应用不足，导致低空空域的安全性以及用空合规性管理等方面都存在明显的挑战。
在用空合规性管理方面，由于低空空域感知信息的缺乏，导致对低空空域内的飞行活动的合规性判断缺乏必要的信息支撑，进而无法确保飞行活动的合规性。
在安全隐患方面，未来的低空飞行任务将更加频繁和复杂，传统的人盯着屏幕对“非合作”目标、航路/航线偏离、非法进入管制空域、进入不安全飞行区域、空中飞行间距过小等安全隐患的识别将更难以落实。且“人工盯看”模式容易受到疲劳、情绪、经验等人为因素的影响，从而增加安全风险。
为支撑加快低空开放，亟须通过新技术应用，尤其是数字化技术的应用，实现低空空域感知以及低空空域安全管理。其中低空空域感知，将通过飞行器上报的飞行数据以及地面监视基础设施对空域的主动感知能力相结合的方式，实现低空空域范围内飞行器的融合感知。低空空域安全管理则是在低空空域感知的基础上，通过多种技术与手段相结合，对低空空域安全事件及风险进行识别，以及多方语音、视频、数据等多手段协同，实现合规用空、安全用空。
5G-A通信感知融合技术
相比于中高空的航空器管理，传统的技术手段难以捕捉“低、慢、小”无人机，管理部门对低空飞行器的监视和通信存在一定的技术局限性。
2023年起发生多起由于机场净空区被无人机入侵导致机场空域关闭、进出港航班延误或备降的恶行事件。由于低空空域监视能力不足，事件发生后对无人机飞行轨迹及飞手追查难以落实，运输飞机的飞行安全风险难以得到排查与处置。直升机在起降过程中受到无人机干扰，导致无法安全起飞与降落的频率也快速上升。其他重要安全基础设施的低空安全风险也越来越严峻。
为了解决无人机的安全和高效飞行难题，各国都在探索技术手段，其中，基于海量地理信息规划无人机低空航路这一技术方案越来越得到认可。与此同时，与当下个人或企业等自用商业化航路规划不同，低空公共航路对所有符合飞行要求的大众用户开放，并通过一定的管控技术与管理手段维持安全、高效的交通流，可以做到“高效”飞行。如何充分利用城市基础设施和现有的地面交通构建一个安全、高效的低空航路网已成为一个迫在眉睫的亟待解决的课题并得到了各方高度关注。
移动通信延续着每十年一代技术的发展规律，已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了产业升级和经济社会发展。移动网络已融入社会生活的方方面面，深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。从1G到2G，实现了模拟通信到数字通信的过渡，移动通信走进了千家万户；从2G到3G、4G、5G，实现了语音业务到数据业务的转变，传输速率成百倍提升，促进了移动互联网应用的普及和繁荣。5G作为一种新型移动通信网络，不仅解决了人与人通信，同时也提供了人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。
2021年4月，国际标准化组织3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）正式将5G演进的名称确定为：5G-Advanced（5G-A），标志着全球5G发展进入新阶段。5G-A是5G网络的增强和演进，也被称作5.5G，它在速率、时延、连接规模和能耗方面全面超越现有5G，旨在提供更丰富的能力和满足更多场景的应用需求。
相比较于5G，5G-A可提供以下6大新增能力：
一是万兆能力eMBB。得益于多项技术的支撑，包括多址技术、调制和解调、信号编码和压缩、多入多出（MIMO）技术等。5G-A eMBB能力能够在发送和接收数据前，使用编码和压缩技术对信号进行处理和提高传输效率，并通过MIMO技术增加无线通信的传输速率和信号质量。
二是上行超宽带UCBC。5G-A采用了上下行解耦技术，通过上行和下行链路采用不同的频段和参数配置，优化上行数据的传输效率和吞吐量。上行超宽带UCBC（Uplink-Centric Broadband Communication）将上行速率提升到最大1Gbps，相比传统5G网络有了显著的提升。这样的高速率上行传输能力使得高清视频上传、机器视觉等业务变得更加高效和便捷。
三是mMTC海量物联网通信。5G-A进一步提升了海量物联网通信mMTC（Massive Machine Type Communication）的连接能力，支持全场景全能力的千亿连接的大规模物联网（IoT）设备的连接和通信，如智能家居、工业自动化等，满足大规模物联网设备接入需求。
四是宽带实时交互RTBC。5G-A通过提供高速、低延迟的实时数据传输能力，满足宽带实时交互RTBC（Real-Time Broadband Communication）高清视频实时交互、全息通信、XR业务等场景对上行带宽和实时性的需求。它为实时交互应用的发展提供了有力支持，并推动了数字化、智能化社会的进步。
五是超高可靠低时延通信URLLC。5G-A在网络速度上实现了显著提升，其下行速率可达10Gbps，相当于从原来5G的1Gbps提高至10倍。5G-A具有更低的网络延迟，平均时延仅为毫秒级别，可以支持更多的实时应用，如远程医疗、智能驾驶等。
六是通信感知融合HCS。通信感知融合HCS（Hybrid Communication and Sensing）通过将通信和感知技术相结合，以及高效利用频谱、软硬件等资源，不仅能够实现超宽带的数据传输，还能够感知周围环境，为应用提供更丰富的信息。在以无人机为主要飞行器的低空经济中，通过感知技术提供更精准的导航、定位等服务和提高飞行的安全性和效率。
其中通信感知融合HCS是5G-A中的一项关键技术。如下图所示，5G-A同时具备通信和感知两项功能。通信部分，5G-A基站通过与用户终端UE（User EndPoint）之间采用双向信号传输实现数据传输。同时，5G-A基站通过在特定时隙通过发射电磁信号，接收物体反射信号，并通过对反射信号的分析实现对覆盖区域的目标感知。
基于5G-A技术的低空空域融合通信感知可以充分利用已有的站址许可、塔站资源、供电、回传网络等移动通信地面基础设施，以及遍布全国的专业维护专业技术人才资源，对空域波束进行规划与设计，满足低空大容量的飞行需求，保障低空通信高速低时延指标的同时，对飞行器的位置、状态等进行全天候高精度监测，提高低空的管理效率。
基于5G-A技术的低空融合通信感知网络建设需要从以下两方面进行考虑：
（一）空域全覆盖全感知能力。5G-A网络建设需要以需求为前提，实现对低空航路无缝覆盖。基于典型低空飞行场景分析可以看到，电动垂直起降航空器eVTOL对通信带宽、时延、可靠性等要求较高。但我们也看到，不同的eVTOL厂家对通信带宽、时延、可靠性等方面的需求存在较大差异，因此实施过程中需要移动通信网络运营商根据eVTOL以及其他飞行场景运营企业及厂家共同确定各项指标参数，确保空域网络覆盖满足低空飞行要求。
（二）技术和网络统一性和长期演进性。低空经济逐步从低密到高密发展，对管理的诉求也是逐渐精细化的进程。当前低空空域以无人机为使用主体，由于低空环境复杂，无人机在人口密集城区的飞行隐患陡增。同时在低空环境下，无人机等飞行器体积小，起降点灵活，对非法入侵等的处置变得较为复杂，对感知准确率也提出越来越高的要求。因此构建低空通感网络，通过移动通信基站的多站协同等感知方式，不仅需能满足网络的快速部署，同时按感知精度递进部署。因此，技术和网络的统一性和长期演进性，将是低空通感网络可用性、高效性与安全性的一种度量衡。
多技术融合支撑低空空域感知
目前市场上已出现基于多种技术的产品与解决方案，其中典型的包括5G-A通信感知融合、城市型雷达、无线电侦测、光电探测、阵列计算摄像等技术。通过实际应用及测试，各技术各有其优势，但也存在一定的局限性。
城市雷达是专门设计用于城市环境中进行探测和监测的雷达系统，它可以通过发射和接收电磁波来探测目标的存在、位置、速度等信息。城市雷达可以覆盖较大的区域，实现远距离探测，市场上典型的城市型雷达可探测距离约5公里。且不受光照、天气等自然条件的影响，可以全天候工作。但受限于雷达技术对障碍物的穿透能力弱，如在城市高楼大厦之间，由于受到多径效应的影响导致探测精度下降，由于楼宇遮挡导致盲区多。此外，对于超低空（如真高300米以下）区域由于背景杂波信号强，对识别效果的影响大。
无线电侦测是一种通过截收、分析无线电信号对低空空域范围内飞行器进行探测。无线电侦测技术由于无须向空域主动发射电磁波，因此具备很好的隐蔽性。部分无线电侦测设备可以覆盖达5公里的较大的区域，实现远距离探测。由于无线电侦测技术通过探测飞行器的无线电信号实现空域感知，对于不予地面进行通信的静默飞行无人机等飞行器，无法实现感知。此外，在城市内由于无线通信业务量高，通信背景杂波信号强，对识别效果的影响大。
阵列计算摄像设备是一种采用阵列式镜头和图像处理技术的摄像设备。它通过多个镜头同时拍摄可见光和/或红外图像，结合图像处理算法实现高分辨率（典型地达到亿像素）、高动态范围的图像输出。阵列计算摄像设备通过同时捕捉高光和暗光区域的细节以适应不同光照条件，同时通过采用高速图像处理技术实现低空空域飞行器的识别。由于涉及多个镜头和图像处理算法，系统的复杂性和维护难度较高。同时，由于受到天气、光照条件等因素的影响大，可作为取证视频使用。
光电探测技术是利用光电传感器接收环境中的光信息，并将其转化为电信号，进而进行目标探测、识别和跟踪等领域。光电探测系统通常可不间断地为指控中心在昼夜操作中提供监视、目标捕获、跟踪功能。由于受到技术限制，在弱光环境和复杂天气下探测效果受限，夜间或光线不足时探测能力下降，但可作为取证视频使用。
根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》（国令第761号）以及《通用航空飞行管制条例》等相关法规，自2024年1月1日起，我国民用无人机驾驶航空器将实行实名登记和飞行申报流程，飞行无人机时需依法合规进行，确保飞行安全，并上报飞行数据。飞行中的低空飞行器可以通过4G/5G地面无线通信网络、北斗短报文以及ADS-B等技术和设备进行低空数据的上报，飞行数据主要包括飞行记录编号、制造商代码、实名登记号、时间戳、累计飞行时长、坐标系类型、位置经纬度、飞行高度、飞行速度、航迹角等信息。
由于单一感知技术存在一定的技术局限性，为了更好地实现对低空空域的感知与管理，需要充分利用各种技术优势，并结合飞行数据，通过对于各种楼宇密度、各种地形等不同场景的深度学习、多源数据融合等技术应用和实践，逐步推动技术的演进与发展，实现更高置信度的空域感知，为低空空域管理提供“唯一”“可信”的低空空域感知数据。
参考文献：
中国民用机场协会团体标准《电动垂直起降航空器（eVTOL）起降场技术要求》。本文作者为该文献编写专家。
