低空管理系统技术架构、方案及发展趋势分析

从技术路径来看，需要通过综合运用传统+新型的通信、导航、监视等技术，依托空 域网格时空数字化、网络化、智能化低空智联体系。

一、底层技术架构：数字网格空域为空域精细化提供可能

底层技术架构方面，空域数字化、网格化为空域资源的精细化管理和资源的优化配 置提供可能。据《浅析低空智联网与无人机产业应用》（樊邦奎等，地理科学进展， 2021年），低空数字化工程就是以空间信息剖分组织理论与技术为基础，将低空空 域物理空间剖分成各种尺度的连续网格或网格体，引接与汇聚每个网格空间的属性 数据，包括气象、雷达、地理地物特性及管理属性，为低空空域管控提供基础数据支 撑；实现了飞行实体空间到计算虚拟空间的映射，使无人机在空中的各种运行和管 理都能在计算虚拟空间建模重构。数字网格空域为大规模对象的协同控制提供了可 能性；构建基于网格的交通流量管理方法，为空域的精细控制提供先决条件。未来， 将基于全球统一时空格网模型实时动态的进行航空器航迹监测和管理; 利用时空网 格计算与分析技术实现对航路高度层资源的安全、精准利用，提高航路容量， 促进 空域资源的合理调度和高效利用；直观精准的判别各航空器之间在高度层、水平层 之间的空间关系，实现飞行安全预警，包括偏航监测、飞行冲突探测等工作，提高空 管安全运维效率，保障航空器的飞行安全。

北斗网格码在精细网格治理中优化管理粒度和精度、实现数据共享和整合、提高管 理决策效率。据《基于北斗网格码的空域资源精细化管理体系》（史洪芳等，民航学 报，2022年），北斗网格位置码是基于GeoSOT地球空间剖分理论（基于2 ?整型一 维数组的全球经纬度剖分网格）的适用于北斗导航系统各种应用端输出的离散化、 多尺度区域位置标识体系，将地心至地上6万公里的地球空间扣分成大小不等、多尺 度嵌套、最高精度达1.5厘米的网格群，同时为每一个网格赋予全球唯一的标识编码， 在空域精细化管理中具有降低计算复杂度、多源数据融合统一管理、全空域范围覆 盖的优势，为空域资源的精细化管理和资源的优化配置提供可能。北斗网格码一方 面是对全球全域空间的信息精准化编码表达，能为陆海空天电及地下的每一寸空间 赋予可计算、易检索的全球唯一空间标识，实现一位一码、一物一码、一事一码，使 得低空经济中的各类设备和活动都可以被数字化，实现精确的空间定位，便于进行 数据分析和决策优化；另一方面也是基于空间的大数据组织框架，结合时间编码可 为地球空间万事万物赋予时空数据属性，实现以时空编码为主索引的万物数据互联。 从国内技术发展情况看，据北斗伏羲公众号，中科星图联营企业北斗伏羲掌握全球 领先的GeoSOT全球剖分网格技术、北斗网格位置码技术和数字地球技术，是国内 第一家城市超低空空域北斗导航图的专利拥有企业，能够提供时空大数据领域的跨 行业数据解决方案。据北斗伏羲公众号，公司目前已中标衢州市低空空域基础设施 建设、四川成都低空智联网示范项目采购标段等低空试点项目。

二、外围设备：监视、通信、导航系统的低空技术方案

1. 监视系统：多设备协同实现低空监视全域覆盖

据《低空探测与监视管理技术》（秦琨等，2023年），低空空域监测设备已初步形 成以低空监视雷达为代表的非合作式监视和以广播式自动相关监视（ADS-B）设备 为代表的合作目标监视两大合作设备方向。 在空管雷达上，分为一次及二次雷达，可监视空域雷达波覆盖范围内所有航空器的 精确位置。据《浅析A/C模式与S模式二次雷达技术》（刘婷婷，中国新通信，2020 年），一次雷达为主动式监视设备，只能发现目标、不能判别敌我属性；二次雷达在 一次雷达基础上发展而来，通过设计和使用询问-应答的方式来探测目标位置，一般 由地面设备（实现询问功能）和机载设备（实现应答功能）两部分组成。其工作路径 为地面雷达发射出询问信号，机载应答机接收到询问信号，对信号进行分析后做出 回答，并将编码信息发送给询问雷达，地面从回答信号中解出飞机的代号、高度、距 离和方位，从而实现对飞机的定位、跟踪、指挥和监控。机上应答机分A模式、C模 式和S模式，A模式只回答身份信息，C模式在飞机的身份信息外，还提供飞机的高 度，S模式进一步提供空速、地速、航向等信息，系统精度更高、抗干扰能力更强、 传输信息量更大。

据《低空探测与监视管理技术》（秦琨等，2023年），未来雷达探测技术的发展将 突破传统思维的束缚，向二维多视角布局、多探测器共形构型和多维信号空间处理 方向发展。可能会出现扁平网络化多站雷达、共形相控阵雷达；信号处理技术开始 使用跟踪后检测，距离-方位-时间三维跟踪检测，三维合成孔径成像，距离-方位-时 间三维处理，多波段、多极化、多波形等构成的多维信号空间处理技术等，并且开始 向网络化与多平台联合、认知与智能的方向发展，最终将走向探测、干扰、通信的综 合一体化。

ADS-B系统集监视和通信于一体，具有监视范围精度和成本方面的显著优势，逐步 成为当前监视技术的基石。据《ADS-B技术应用及发展趋势研究》（何昕，微型电 脑应用，2022年），ADS-B是新一代空中管理系统的重要组成部分之一，属于被动 式监视设备，不需要问询就可以发射并接收处理信息，由机载设备、地面辅助设备 构成，其中机载设备根据信息传输的方向分为ADS-B IN和ADS-B OUT。实际运行 中，ADS-B机载设备通过全球卫星导航系统（GNSS）获得飞机的四维信息（经度、 纬度、高度、时间），通过飞机自身各类传感器获得航向、风速、气压、温度等信息， 预处理之后由ADS-B OUT向其他飞机及地面站广播；同时ADS-B IN接收来自附近 飞机的广播信息，进而在多架飞机和地面站之间形成数据通信网，在与传统的地基 雷达数据融合后汇总到管制中心，加强地对空的监视和空对空相互监视。据《ADSB技术在低空空域安全中应用的现状与展望》（陈晓，毛烨炳，电子测量技术，2022 年），ADS-B具有地面站无人值守全天候运行、更高的精度和抗干扰性、数据更新 速度快、时效性强、相互监视保障飞机安全间隔、成本廉价等优势，将是未来空管监 视系统的重要组成，但目前还存在干扰和链路容量不足、安全性能有待提升、设施 搭载技术不完善等技术难点，需要进一步发展并拓展布局。

监视系统方面，各类监视手段都有各自的适用范围，通过一/二次雷达、ADS-B、无 线信标、Remote ID、光电探测、通感遥一体等监视手段的综合运用实现低空全域 监测。未来将进一步优化监视基础设施布局，提高新技术的应用水平，最大化地利 用各类监视技术保证航空器飞行安全。据《ADS-B监视技术介绍及其在空管自动化 系统中的应用》（王晨旭，中国新通信，2022年），未来空管自动化系统在雷达覆 盖能力不足或无雷达覆盖区域可以依靠ADS-B数据作为监视源，用来保障当前航空 器间隔标准或减少航空器的间隔标准，优化航路设置；也可以在有雷达覆盖的区域 同时引入ADS-B监视数据作为监视源之一参与融合，减少雷达覆盖边界区域航空器 的最小间隔标准，在保证监视水平不降低的同时减少所需要的雷达数量。在国内雷 达的发展上，我国目前正处于A/C模式向S模式的过渡阶段，现已装备的空管雷达以二次雷达为主，部分机场配置了一次监视雷达，二次雷达由于成本低、信息量大，通 过多点布站，监视范围在中高空域上已基本覆盖我国主要航路。在国内ADS-B发展 上，当前国内的ADS-B产品主要集中在地面设备，在机载设备研制方面，鉴于当前 国内相关技术标准规定还未发布，已取证产品主要集中在OUT方面，在IN产品方面 还均未取证，国内机载ADS-B设备主要集中在通航领域，而在民航运输领域的使用 还比较有限。

2．通信系统：低轨卫星与5G-A通感一体有望助力低空通信+监视体系建设

通信系统方面，有ADS-B、二次雷达、低轨卫星、5G-A等手段，其中低轨卫星和5GA二者互相补充，或为未来发展趋势。在低轨卫星应用上，据《关于低轨卫星通信的 分析及我国的发展建议》（陈山枝，电信科学，2020年），低轨卫星通信可以解决 陆地移动通信解决不了的偏远地区、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通信问题以及 作为地面移动通信网络因地震、海啸等严重自然灾害受损而导致通信中断时的应急 通信手段，将成为地面移动通信的有益补充。大多数的卫星终端形态是机载、船载、 车载的客户端设备（CPE），利用便携卫星终端直接通信。在5G-A的应用上，5G-A 实现了在速率、时延、连接数方面的优化和进阶，据《5G-Advanced 网络技术演进 白皮书》，5G-A支持下行10Gbps、上行1Gbps、宽带实时交互、毫秒级交互时延， 能够用于实现通感一体、万物互联以及高精度感知、多目标探测与跟踪、超远程控 制与精准定位。据《浅析低空智联网与无人机产业应用》（樊邦奎等，地理科学进 展，2021年），以5G通信和低轨卫星网络等为代表的信息技术为构建低空网络基础 环境提供了技术支撑。通过建设云、管、端一体化的低空5G专网，承担低空飞行器 的飞行信息管理、无人机注册、空域批准、预约服务等重要功能；通过低轨卫星通信 网络建设，提高重点区域的用户容量，将天基和地面多域异构网络融合，构建天空 地海一体化低空信息网络基础环境，为低空运行全过程提供实体网络支持。

3. 导航系统：以北斗为核心的组合导航实现高精度定位

导航系统方面，涉及的相关技术有雷达导航、卫星导航、视觉导航等，北斗导航系 统及其相关组合和GIS技术或有重要应用。针对低空飞行器，涉及技术包括基站定位 技术、卫星导航技术、雷达导航、视觉导航和惯导等。目前广泛应用的是 GNSS（全 球卫星导航系统，包括 GPS、北斗等在内）/IMU（惯性测量单元）组合导航手段， 但在城市超低空运行环境中，飞行器卫星导航定位系统受到干扰是事实存在的，因 此对于超视距运行的轻小型飞行器必须要面对信号易受城市电磁环境和建筑物遮蔽 影响这一可能，一般会考虑增加视觉导航、基站辅助定位等手段作为其冗余备份的 导航手段。在北斗导航方面，据《北斗+低轨通导一体位置服务网络与低空经济应用》 （贾诗雨，信息通信技术，2023年），低轨导航信息增强服务、低轨快速精密定位 服务北斗+低轨通导一体化位置服务网络都以北斗三号为核心，其他的低轨通导一体 化位置服务都是在其基础上的补充、改正、增强和改进，以为低空飞行器提供“泛 在、精准、可信”的位置服务。另外北斗系统的RDSS通信服务也可以作为卫星通信 服务的备份手段，提高低空通信服务的容量。在GIS应用方面，面对低空复杂的交通 网络以及飞行高度低导致的对地形、地物、电网、高塔等精细要求，在低空空域管理 系统建设上，GIS能提供可直接交付的智能化、实时化的三维地理信息系统，助力监 管部门在管辖范围内开展低空航路监管、低空飞行器监测、飞行计划审核等工作。

三、多技术协调融合：低空管理系统的技术发展趋势

1．星基ADS-B技术：实现空域监视全覆盖

基于低轨卫星与ADS-B的星基ADS-B系统可突破传统陆基系统限制，实现空域监视 的全球空域覆盖。据《星基ADS-B系统与传统监视手段对比研究》（罗云飞，电子 与通信技术，2022年），ADS-B目前已逐渐成为民航客机、货机甚至军用飞机的标 准配置，但需要大量布设地面接收基站，实现在航路航线、终端区的信号接收。传统 陆基ADS-B系统受地面部署条件的限制，要实现海洋全覆盖需要在大量浮标上部署 ADS-B地面站，要实现地面全覆盖则需要在大量无人区部署ADS-B地面站，海洋、 极地等偏远地区与地形复杂区域存在大量盲区，受限于建设条件和成本，全球目前仅有不到10%的区域实现了ADS-B飞行监视覆盖，尚不能满足未来航空监视全球化、 全程无缝监视覆盖的要求。由于卫星可以在服务区内实现不受地理条件限制的无缝 覆盖，通过在低轨卫星上搭载ADS-B接收设备（即星基ADS-B系统） ，接收航空器 ADS-B信息并通过星—地通信链路下传，再转发到空管中心后就能实现对全球航班 的实时连续无缝监视，以提升航空的安全性、效率和容量。

2．基于ADS-B技术的低空领域导航监视系统：优势互补实现监视优化

北斗+ADS-B技术主要应用于一般航空器的高度层变更、辅助进近以及小型通用飞 机的交通态势感知、冲突防撞上，通用机载导航监视系统将通过融合ADS-B技术与 “北斗”来实现优势互补。据《ADS-B技术在低空领域通用机载导航监视中的应用》 （扈胜超，张阎，中阿科技论坛，2021年），以“北斗”为导航，向ADS-B系统提 供定位功能，并以ADS-B作为数据信息传输链路，利用“北斗”创建卫星链路，能 够实现ADS-B的广域监视。根据功能差别将系统分为三层，分别是硬件层、协议层 以及应用层。硬件层主要由服务器系统平台、ADS-B数据采集节点、飞机承载终端 系统等元素构成，用于服务器与机载终端的设计与开发；协议层主要包括ADS-B报 文信息、“北斗”定位信息编码、通航飞机监视信息编解码等，用于实现通航飞机 状态数据信息传递；应用层包括服务器系统端与机载系统端，其主要作用是实现监 视系统的信息化显示与终端设计。采用广播式自动相关监视技术和北斗RDSS短报 文通信技术能够实现通用航空监视数据在空-地间的有效传输，满足地面监管人员对 通用航空器运行的监视服务需求。

3．北斗+低轨通导一体化：“泛在、精准、可信”导航及“高容量、低延时”低轨 通信方案

北斗+低轨通导一体化位置服务支撑未来低空环境下数字化无人系统等的高精度定 位、通信、导航和监控服务需求。据《北斗+低轨通导一体位置服务网络与低空经济 应用》（贾诗雨，信息通信技术，2023年），北斗+低轨通导一体化位置服务网络由 北斗卫星导航系统、低轨通导一体化卫星、地面导航信号监测网和北斗+低轨位置服 务平台组成。其主要有两条技术路径：（1）泛在精准可信的位置服务技术路线：通 导一体化技术能够实现通信导航相互赋能，是提升位置服务能力的重要途经以及解 决低空环境下无人机泛在精准可信导航问题的首选方案；（2）高容量低时延的低轨 通信服务技术路线：卫星通信手段是必要甚至是唯一的通信保障手段。针对4G/5G 等地面通信网络系统覆盖范围受限及高轨卫星因距离较远导致通信容量有限的制约， 需要通过低轨卫星通信和其它地面通信组合实现更大范围更高容量的低空通信，以 解决低空服务中飞行器数字化通信管理缺失和监视容量不足的问题。北斗+低轨通导 一体位置服务网络具备基于网络化时空资源统一管理与协同监测，可实现具有“泛 在、精准、可信”特征的位置服务和具有“高容量、低延时”特征的低轨通信服务， 将推动低空经济向着无人化、精准化和智能化的方向发展。

4．北斗+智能5G宽带自组网技术：高精度、高可靠、高效率通信导航路线

北斗+智能5G宽带自组网技术是将北斗卫星定位技术和智能5G宽带自组网技术相 结合，在各个领域实现高精度、高可靠、高效率的数据传输和定位服务。据《北斗+ 智能5G宽带自组网在未来通信中的应用场景与趋势》（朱焕，杨林峰，通信与信息 技术，2024年），北斗卫星定位技术可以实现精确定位和高可靠性的数据传输，同 时具有低成本、低功耗、低速率等优点，适用于广泛的应用场景；智能5G宽带自组 网技术可以实现高速率、低延迟、大容量的数据传输和组网具有智能化、自适应、高 效率等特点，适用于多种复杂环境下的数据传输；北斗+智能5G宽带自组网技术可 以利用两种优势相互补充，实现高精度、高可靠和高效率的数据传输和定位服务， 适用于各个领域的应用场景。