低空智联网发展趋势、挑战及布局重点在哪？

低空经济飞行活动逐步向低空全空域拓展、常态化高密度飞行转变、载人载物混飞跃迁，低空通信将从原有的点对点视距窄带通信拓展到广域非视距宽带通信，这就需要大范围组网、高精度感知、精准化定位、智能化计算等能力支撑。

一、低空通信网

1. 发展趋势与面临挑战

当前低空通信以视距范围内的点对点通信为主，非授权频段通信技术基本能够满足需求。当前低空应用仍处于发展初期，低空农林植保、行业巡检、勘探测绘是主要应用场景，航空器飞行作业高度普遍在 120 米以下，活动范围多为视距范围，通信需求以实现飞行器和控制器之间点对点通信为主。现有低空通信普遍采用WiFi（2.4GHz和 5.8GHz）等非授权频谱通信技术进行点对点通信，基本能够视距范围内的低空应用数据传输需求。

未来低空通信网以 5G 网络为主体，综合采用WiFi、卫星通信等多种技术手段，打造综合立体、多层次的网络架构，以满足不同飞行范围、不同飞行高度、不同应用场景的业务需求。从覆盖区域看，在局域低密度的低空农林植保、勘探测绘等场景中，仍可主要使用非授权频段通信、WiFi 等通信技术；在低空物流运输、城市治理、载人飞行等广域高密度飞行业务场景中，可充分利用5G网络广覆盖、大连接、低时延的优势，满足低空规模化场景的应用需求。从覆盖高度看，对于 300 米以下空域，可利用现有 5G 基站，通过调整基站天线仰角等方式，实现网络连续覆盖；对于300 米以上、1000 米以下空域，需要新建对空覆盖的专用网络；对于1000 米以上的通航飞行空域，需要通过卫星提供通信服务。

尽管运营商现有地面 5G 网络规划优化已经较为成熟，但并未进行对空覆盖优化，直接用于低空通信仍存在部分问题和挑战。一是低空 5G 组网架构及立体覆盖方案尚不成熟。现有5G公网建设优化以服务地面用户为目标，天线下倾角较大且高度低，低空区域信号覆盖依赖波束旁瓣，存在天线零点现象导致信号电平波动较大。同时，地面 5G 信号在反射和散射会泄露到低空环境，越区干扰问题严重。如图 1 所示，从 5G 现网低空覆盖仿真和测试结果看，300米以下低空覆盖较强，但普遍存在较为严重的重叠覆盖问题，缺少清晰主覆盖小区，且主服小区碎片化随高度上升愈发严重。低空通信将地面二维覆盖向三维立体空间延展，需要对已有的通信设备进行改造或研发新型的低空通信设备，目前尚无成熟方案。

二是低空 5G 关键技术产业能力有待完善。低空通信网在对地对人覆盖基础上还需拓展对空对机覆盖，5G 网络在低空环境下电磁传播环境和干扰特征发生显著变化，而现有5G 技术产业在低空无线信道建模、空地网络协同、干扰控制、移动性管理、资源调度等方面尚无完善的解决方案。同时，无人机搭载 5G 通信模组，还需要信息通信产业与装备制造产业建立跨行业协同机制，解决适配兼容、控制协议开放对接等问题。

2. 重点布局方向

低空通信网络在对地对人覆盖基础上拓展对空对机覆盖，要充分考虑未来低空业务需求以及低空商业闭环，对网络部署方案进行规划，遵循复用公网、公专结合，适当新增设备对空构建立体低空覆盖的建设思路，在保证地面覆盖前提下，实现空地网络一体化协同优化，探索新型低空覆盖以及组网关键技术，满足对大规模飞行器的接入需求。

重点布局方向 1：低空 5G 立体覆盖利用无线通信的方式满足空地通信需求首先需要解决无线电信号在作业区域的覆盖问题。以往，移动通信网络主要面向地面用户进行对地、对人的覆盖，少数通信基站天线能做到高楼层覆盖。低空立体覆盖方案包括基于公网的波束调优，空地一体化波束配置以及新增对空天线等。 基于公网波束调优需重点关注如何动态调整现有公共基站波束的方向和形状来增强低空无线信号覆盖和通信质量。波束调整的核心在于确定低空主覆盖小区波束，对施扰小区进行调整，普通天线波束通过调整工参实现调优，AAU 天线通过调整波束功率及数字角度实现调优。波束调优方案可灵活复用公网资源，节约建设时间，节省建网成本，但在地空同频组网模式中需要进一步突破干扰协调技术挑战。空地一体波束设计可重点关注垂直大张角以及自定义波束两种技术路线。垂直大张角配置的空地一体波束低空立体覆盖性能好，能保障飞行器在起飞和下降过程中的覆盖连续性，但也会对地面覆盖产生较大的干扰和影响。自定义波束能够同时兼顾对地和对空覆盖性能，通过双层波束设计保持原有对地覆盖波束对齐，干扰控制难度降低，是未来空地一体波束的主要演进方向。

型低空天线设计对空和对地一体化天线，天线水平方向对空和对地波宽基本一致，满足原有蜂窝网路架构的水平覆盖需求；天线垂直方向对空波形匹配空域覆盖特点进行零点填充，保证覆盖的连续性。新型低空天线具备空地波束功率分配功能，可在对空和对地波束之间进行覆盖能力的调整，具备远程灵活操作能力。中国联通目前已完成3.5G 以及 2.1G 低空新型天线产品研发，测试效果符合预期。低空空域覆盖延展主要有天线劈裂、功分设计和新建对空天线设备三种方案，实现网络对低空空域的覆盖延展。天线劈裂对已有射频设备端口分裂，功分设计新增功率分配方案方案，新建对空天线通过新建天线设备和波形重设计减少对地面原有覆盖的损失。

重点布局方向 2：低空立体组网 低空 5G 虚拟专网是基于 5G 公网，通过同频或异频组网方式实现低空覆盖的网络，包括异频组网和同频组网两种策略。对于异频组网方案，将 5G 现网可用频率划分为低空服务频率和地面服务频率，分别服务低空和地面用户，实现空地异频，异频组网在参数配置、移动性、互操作性、资源调度等方面更加灵活，网络干扰及切换频繁能够有效改善，但对地面网络的服务能力将产生影响。对于同频组网方案，低空通信网使用与地面公网相同的频率，需为低空用户组和地面用户组构建差异化配置，保障通信服务质量，同频组网也可以通过独立的低空 SSB 频点构建虚拟低空专网，但需研究对原有地面网络的影响。 基于公网的低空 5G 虚拟专网异频组网方案在某市试验区域测试效果优秀，同时具备部署快、成本低的优势。

新建低空 5G 专网是利用专用频率构建对空覆盖的网络，满足更高飞行高度的通信需求。新建低空 5G 专网使用频率与地面公网频率不同，且新建基站设备优先选择垂直波宽较大的AAU设备或者对空天线，以保障对空立体覆盖能力。 新建低空 5G 专网在某城市试验区域测试效果优秀，上行边缘速率 45Mbps 以上，同时可以降低对地面的影响，但建网成本较高。非 5G 低空专网是利用 430MHz 和 1.4GHz 等频段进行低空专网组网，具备较大的灵活性，可以针对低空业务需求进行定制化研发，包括底层通信协议、组网方案等，在较低通信速率需求的场景，可以达到较远的覆盖能力；同时该频段的干扰较小，通信稳定性具备优势。

二、低空感知网

1. 发展趋势与面临挑战

当前低空感知网尚处于起步阶段，雷达、光电、5G-A通感多种感知方式并存，表现出差异化的感知能力和适用场景，尚未形成明确技术方案及大范围部署。传统感知体系包括民航雷达、ADS-B（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，广播式自动相关监视）、光电系统等技术，主要实现重要区域的部署及飞行器感知监测。传统民航雷达利用电磁波回波探测目标，发射功率一般为百瓦级到千瓦级，探测感知距离能够达到 300 公里左右，但受制于电磁辐射大、建筑物遮挡等因素，难以在城市低空区域大规模部署。ADS-B地面站通过接收机载设备广播的状态信息，能够对400 公里范围内配备并启用ADS-B 功能的飞行器进行监测，稳定性和可靠性较高，但无法对未经注册和授权的“黑飞”活动、以及违反飞行规定的“违飞”活动进行有效监测。光电感知利用红外相机、光学望远镜等光学设备，对低空目标进行实时追踪和监视，具有精确度高、快速成像和识别等优势，但感知距离通常只有数十米，且容易受光照和能见度影响，无法在云层遮蔽、烟雾沙尘等恶劣天气进行监视。近年来，5G-A通感一体受到广泛关注，理想条件下单个基站具备 1000 米范围内10 米级的感知精度，但大规模 5G-A 组网感知有效性尚需进一步验证。

未来低空感知网将综合运用雷达、光电、ADS-B、5G-A通感一体等多种技术，构建多源感知能力融合感知体系，形成泛在监管、重点保障的低空感知能力。具体来说，面向机场、政府大楼、军队驻地等要地场景，主要布局雷达融合光电感知技术体系，构建由远至近的高精度融合感知能力体系；面向航线、区域等一般场景，结合5G-A泛在连续组网能力和雷达的远距离感知能力，打造广域覆盖的融合感知体系。面向重点设施、区域、航线等的差异化感知需求，探索多源感知能力融合的感知体系，成为满足差异化低空感知需求的发展重点。同时，多源感知能力协同的融合感知体系还将充分结合机器学习、数字孪生、大数据等工具，打造多源感知能力协同平台，利用全维度、各层次、多目标的实时监测结果，依据空域管理和调度等需求实现对感知数据的深度挖掘和智能分析，构建空域航路级空域流量和冲突模型，支撑空域、航路、飞行器等监测管理及实时动态调度能力，实现空域的精细化管理。 现阶段面向低空的感知技术和产品研发正处于起步阶段，感知技术体系尚未建立，多源感知融合技术和平台相对缺乏，导致低空感知服务能力还不能满足低空经济对精细化空域管理的安全要求，成为制约低空经济规模化发展的关键要素。

一是低空感知技术体系和融合架构尚不成熟。低空感知网络将是一个多种感知手段融合、能够实现多种目标感知探测的体系。然而，现有雷达、光电、5G-A 通感一体、ADS-B 等感知探测技术手段在低空领域的应用还不成熟，低空环境中的飞行物、气象等多种要素的实时精确感知能力尚未建立，多种感知方式的融合架构未形成，目前尚未出现能够支撑低空经济商业化落地的融合感知方案和产品。二是低空多感知能力协同算法及平台尚未建立。未来低空感知探测将充分融合多维感知探测传感数据，实现低空经济常态化安全运营。然而，现有感知探测技术产品各自为战，感知数据在特定感知需求和感知目标下独立完成感知计算与状态预测，“数据孤岛”现象严重，多种感知能力的协同算法和协同平台尚未建立，感知探测能力将与空域管理系统还未形成合力，无法有效支撑起空域管理部门精准空域管理的需求。

2. 重点布局方向

研究适用于城市场景部署的低功耗雷达，加速低空5G-A通感标准化和产业成熟，规划形成雷达、光电、5G-A 通感等设备的协同部署方案，实现对低空目标的多角度、多层次、全方位的感知探测，持续优化感知设备对飞行器、环境等低空全要素的感知精准度和可靠性。同时，构建多源感知能力协同机制，实现对感知数据的深度挖掘和智能分析，全面提升感知探测的准确性、有效性和实时性。

重点布局方向 1：低空雷达城市场景适配常见军用雷达、机场监管雷达一般用在空旷环境对空中目标进行监测和跟踪，有较大的发射功率和数百公里的探测距离，在城市环境这类设备一方面会给居民带来长期的无线电辐射，另一方面由于建筑及植被的遮挡、反射会出现空间电磁环境复杂度加剧或者功率浪费的情况。为了适配城市环境，需要对传统的侦测雷达进行城市场景的适配性研发，形成功率可控，波束可调的新型低空专用雷达。

重点布局方向 2：低空广域动态感知无线信号在传播过程中会随着距离的增加而逐渐衰减，通过测量接收信号强度（RSSI），可以推断出信号源与接收点之间的距离。但RSSI 容易受到周围环境的影响，如天气、障碍物等不利因素都会对信号强度产生不同程度的影响，从而降低定位精度。在低空场景中，由于地理环境和气象环境复杂以及 UAV 产生的气流扰动，UAV的RSSI 波动比地面通信可能更大，极大地影响了定位性能。未来将利用无线信号在低空环境中的传播特性，构建基于位置、气象等不同条件下的信道特征数据库，实现高精度的感知定位。此外，除了RSSI 数据，应同时考虑到达角度（AOA）、到达时间差（TDOA）、载波相位等特征数据，利用大规模多天线和毫米波技术，在空域、角域和时域的高分辨率能力来提高多径分量的可分辨性，将采集到的数据通过无线信号传播的物理模型建立起关系，形成含有物理意义的异构特征数据库，最后通过算法实现高精度的动态定位。

重点布局方向 3：多源感知组网规划与能力协同为达到更广区域、更小盲区的低空感知，根据不同感知技术的特点和有效监测范围，需要进行分层组网覆盖。例如，5G-A网络可利用其广泛的基站分布，实现低空飞行器的广域初步监测和通信保障，形成第一层覆盖；光电雷达可在重点区域或对精度要求较高的区域进行部署，作为第二层覆盖，实现对低空飞行器的高精度识别与跟踪；低空雷达则可在更高空域或作为补充手段，对低空飞行器进行远距离探测，构成第三层覆盖。通过这种分层覆盖的方式，确保低空飞行器在不同高度和区域都能被有效感知探测。对于分体式的异构感知设备，提升感知效能首先需要确保 5G-A、光电雷达、传统雷达等不同监测设备在时间和空间上的同步。时间同步可通过网络时间协议（NTP）或精确时间协议（PTP）等技术实现，保证各设备采集数据的时间一致性。空间同步则需要通过精确的坐标系统和定位技术，将不同设备的监测数据统一到同一空间参考系中，以便进行准确的目标定位和轨迹融合。例如，在光电雷达和传统雷达的部署中，可以使用RTK定位配合激光全站仪的方法，确保其空间位置的准确性和一致性；同时还需要依据各层感知技术数据进行关联建模，构建特定场景、特定需求的感知追踪能力。

三、低空导航网

1. 发展趋势与面临挑战

当前低空导航网主要以 GPS、北斗等为代表的卫星导航系统为主，逐步融合惯性导航、视觉导航等能力。低空导航为无人机或其他低空飞行器提供的准确位置信息，助力低空飞行器精准路径规划，躲避飞行障碍物，提高飞行效率，确保低空飞行安全性。卫星导航能够为无人机提供全天候、全天时、高精度的定位和导航服务，随着我国北斗三号系统全球卫星组网的完成，将进一步支撑低空导航网的自主化能力。国内通信运营商也积极打造 5G+北斗高精度定位网络，为低空提供高精度定位、低空管理授时、三维地图等导航网引擎能力，能够为航空器飞行提供精确的位置、速度、时间服务等信息。同时，惯性导航、SLAM 视觉导航（同时定位与地图构建）等技术日趋成熟，并逐渐融合应用与低空领域，低空飞行器通过多传感器实时采集周围环境和自身姿态信息，构建飞行环境深度地图，实现自主避让和自主导航，并且能与定位导航系统结合，进一步提高导航的精度和可靠性。

未来低空导航网以高精度北斗卫星定位系统为基础，融合惯性导航、视觉导航等辅助定位手段，实现高精度定位导航体系。卫星导航一般通过卫星和用户的信号收发时间间隔测量和距离计算得到定位结果，在较为开阔的低空区域，卫星定位可以作为重要的全局导航定位手段，但在城市密集区域，卫星定位导航容易受到建筑物遮蔽的影响，需要惯性导航、视觉定位等其他定位手段的辅助。惯性导航利用加速度计、陀螺仪高频采样数据，通过机械编排算法或航位推算技术计算相对位置和姿态信息，惯性导航误差会随工作时间逐步积累，需要卫星导航相结合，定期更新导航计算坐标系。视觉定位导航利用相机、激光雷达作为传感器，通过同步定位及地图构建技术达到局部坐标系下的导航定位效果，定位精度高。视觉定位导航需要在可视范围内进行，因此范围较小，一般在起降阶段用于辅助起飞降落过程。

尽管导航技术发展已有几十年经验，但是在低空场景下，建筑遮蔽、电磁干扰等因素都会对导航精确度产生影响，同时多种导航定位融合算法尚不成熟，导致低空导航还面临如下挑战。一是北斗卫星导航存在覆盖盲区。在城市或山区等复杂地形环境中，建筑物、山脉等障碍物会阻挡导航信号的传播，形成信号覆盖盲区，影响低空飞行器的导航。此外，山谷、丘陵等地形也会干扰导航信号，使飞行器难以接收到准确的导航信息。二是导航的精度和可靠性有待提升。低空环境中存在着大量的电磁干扰信号，如电信业务干扰、其他无线设备干扰、雷雨电磁干扰等，影响导航的精度和可靠性。同时，目前的低空导航地面基础设施还不够完善，如导航台站、监视设备等的覆盖范围有限，难以满足低空飞行器对导航精确度和可靠性的需求。

三是北斗当行与其他补充导航的融合定位方案欠缺。北斗卫星导航系统在复杂环境或特定需求下，需与惯性导航、视觉导航等补充导航手段进行融合，以实现更高精度和更可靠的定位。然而，目前北斗与其他导航系统的融合定位方案仍存在不足，包括融合算法的优化、系统间的互操作性、数据共享与协同处理等方面的问题，限制了北斗卫星导航系统在复杂环境下的应用范围和性能发挥。

2. 重点布局方向

着眼于低空经济发展需要，积极推动低空无人机搭载北斗模组，突破北斗模组与不同无人机适配、轻量化、性能提升等关键技术已成为重中之重。现阶段载波差分(RTK)卫星定位技术是重点发展方向，但在城市密集区域，卫星定位导航容易受到建筑物遮蔽的影响，需要惯性导航、视觉定位等其他定位手段的辅助，通过构建多源融合导航方案，满足差异化低空环境的导航需求。

重点布局方向 1：导航性能增强演进PPP-RTK（Precise Point Positioning Real-Time Kinematic）是卫星导航领域重点布局方向，通过全球 100 余个地面站的信息进行导航状态域建模和估计，包括卫星轨道误差、钟差、卫星相位偏差和电离层延迟等，补偿信号传播过程中的误差项，精度可达到3~5cm。PPP-RTK相比传统 PPP 技术收敛更快，与网络 RTK 相比对地面站的依赖大幅减少，且不容易泄露用户位置信息。惯性导航将与卫星导航等其他导航技术组合使用。例如，在卫星信号受到遮挡或干扰时，惯性导航可以提供短时间内相对准确的导航信息，待卫星信号恢复后，再利用卫星导航的高精度定位信息对惯性导航的误差进行修正，从而实现高精度、高可靠性的低空导航。无线电导航将甚高频全向信标（VOR）和测距仪（DME）融合使用，测算低空飞行器相对于地面信标的方位信息，确定飞行器在二维平面上的位置，可以在一定区域内为飞行器提供准确的导航定位服务，尤其适用于没有卫星导航信号或者需要备用导航手段的情况。SLAM 视觉导航在视觉里程计的基础上增加回环检测和优化功能，进行飞行路径的累计误差消除，同时构建飞行环境的地图进行精确定位导航，是飞行器起降环节导航重点突破方向。

重点布局方向 2：多源融合导航方案多源融合导航方案通过将雷达传感器等设备所获取的环境信息来与卫星、惯性导航和视觉导航数据进行融合，建立各传感器的误差模型，以确定在数据融合时传感器所提供数据的置信度和权重，并在一些特殊环境完成粗差的探测和剔除，从而在复杂环境中能够发挥各自优势，增强导航系统的稳定性并提升精度。