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文 | 开山
今年，低空经济首次被写入政府工作报告，发展提速。本文介绍低空经济发展的驱动因素及发展现状，梳理制约低空经济发展的痛点和挑战，重点阐述5G-A通感一体化技术如何针对性助力低空经济发展，包括主要功能和核心技术，以及去年以来的试点情况。
01、 低空经济
“积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。”——《政府工作报告》，2024.3
今年，“低空经济”被首次写入政府工作报告，具有里程碑意义。低空经济指一般在垂直高度1000米以下、根据实际需要延伸至不超过3000米的低空空域范围内，以⺠用有人驾驶和无人驾驶航空器为载体，以载人、载货及其他作业等多场景低空⻜行活动为牵引，带动相关领域融合发展的综合性经济业态，涉及低空⻜行、航空旅游、支线客运、通航服务、科研教育等业务形态，覆盖通用直升机、eVTOL、无人机等飞行器，低空产业涵盖低空基础设施、低空飞行器制造、低空运营服务及低空飞行保障。
驱动因素
首先，市场需求方面，低空出行可以有助于解决30到150公里的高效交通出行需求。据测算，30公里内的公共出行以地铁、公交车为主，超过150公里则更适合选择高铁和飞机，每公里成本大约在0.3-0.7元左右。然而，在30到150公里范围内，如深圳这样地处大湾区、存在跨山跨海等特殊场景的城市，现有交通工具并不能完全满足需求。低空飞行产品的出现填补了这一空白，可以扩大城际和城市都市圈的出行范围，成为现有出行方式的补充。
其次，低空空域作为尚未充分开发的自然资源，具有巨大的经济潜力。通过数字化手段，可以将低空空域转化为可量化、可评估、可利用的经济资源，类似于士地使用权。这种新型生产要素的确立将推动低空空域的深度开发、流转和利用，为新经济的发展注入强劲动力，产生巨大的经济和社会价值。
再次，低空经济产业具备强大的产业带动作用。在传统基建投资面临边际效用递减的背景下，低空基础设施有望成为投资的重要选择。有望充分享受信息化、网络化、数字化和智能化技术发展所带来的红利，将实体经济与数字经济进一步融合，推动经济发展。
最后，有望在低空经济领域率先制定国际标准和规则。在当前竞争激烈的国际环境中，低空智能融合基础设施的全数字化方法已使我国处于技术领先地位。由于发达国家对基础设施建设的投入不足，使得我们有机会打破长期依赖外国规则和标准的局面，加速制定与低空经济相关的规则和标准，有助于我国在行业发展中取得主动地位，并在全球科技竞争中获得领先优势。
相关政策及发展现状
低空经济发展主要集中在北美、亚太和欧洲三大区域，整体来看以中美最为领先。美国凭借庞大的通用航空产业及附属行业积累了丰富的航空经验，在航线规划、飞行器设计等领域具备较大优势。中国在低空经济中存在后发优势，能针对低空飞行特点进行基础设施的快速铺开，具备巨大的市场潜力。低空经济并非近期才提出的概念，早在2010年，中央已经前瞻性的规划了我们低空产业及低空空域的改革，国务院、中央军委下发了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，民航局贯彻落实意见要求，制定《通用航空飞行服务站系统建设和管理指导意见（试行）》，明确了飞行服务站建设管理基本要求。2018年，国家空管委批准在四川进行低空空域综合管理改革试点，形成以地方政府为主导、军地民三方共同参与的低空管理模式。民航局制定《低空飞行服务保障体系建设总体方案》，规划建设国家、区域和飞行服务站三级服务保障体系。2020年以来，低空空域管理改革试点扩大至湖南、江西和安徽等地。民航局制定专门文件，规范飞行动态数据传输、低空飞行服务系统技术要求和专业人员基础培训，构建无人驾驶航空法规标准体系。2021年2月，低空经济被写入《国家综合立体交通网规划纲要》，在2022年后，政策提速，基础研究、产品落地、政策引导三者共振为低空经济产业发展提供支撑，2023年12月，中央经济工作会议进一步将“低空经济”提升至“战略性新兴产业”的高度。随着一系列政策举措推进实施，我国低空飞行服务保障体系基本成型。据中国⺠航局相关数据，截至2023年底，全国建成通用机场449个，完成国家信息管理系统、7个区域信息处理系统和32个飞行服务站建设，上线民用无人驾驶航空器综合管理平台，实现低空飞行监管、服务全覆盖。2023年我国低空经济规模已经超过5000亿元，2030年有望达到2万亿元。低空经济产业快速扩张，其中无人机及其应用是低空经济的重要形态。截至2022年底，全国的无人机运营企业达到1.5万家，年产值已达1170亿元。注册无人机95万架，无人机实时⻜行约为3.86亿架次，累计⻜行时⻓约为1668.9万小时。近日，电动垂直起降航空器(eVTOL)“盛世⻰”公开首次演示⻜行，从深圳蛇口邮轮母港起⻜后降落在珠海九洲港码头，将单程2.5-3小时的地面⻋程缩短至20分钟，该航空器预计将于2026年开启载人⻜行，有望在规模化落地后将单座票价压至两三百元。
五大痛点与挑战
为了实现低空经济规模化、高质量、安全可控的发展，传统网络面临五大挑战：挑战一：缺乏高效的技术监控手段为了实现低空经济规模化、高质量、安全可控的发展，需要凭借高效、完备、科学的低空飞行监管技术对大密度、高频次、多类型的低空飞行活动进行监控，及时识别与管控不合理和不合法的飞行行为。然而，对于传统的雷达技术而言，其单站监控方式能力有限，难以发现和应对在雷达显示器上时隐时现、忽明忽暗的“低慢小”目标。同时，多站组网费用高昂，难以满足规模化的低空飞行活动监控需求，且受光照条件影响，难以满足远距离、全天候的监控需求。当前，由于缺乏高效的技术监控手段，政府监管部门难以第一时间发现低空空域中“乱飞”、“黑飞”等不合理和不合法的行为，企业也难以保证其飞行任务的安全性和可靠性。这严重阻碍了低空经济规模化的步伐。因此，高精度、低时延、全天候的感知技术和支撑无人机与无人机、无人机与地面之间通信的蜂窝技术是实现有效、便捷监控和飞行任务管理的基础，也是亟需突破的主要技术挑战。挑战二：缺乏统一的低空飞行监控技术标准由于缺乏统一的低空飞行监控技术标准，各个地区各自探索本地的低空空域开放措施和监管方案。此过程中，各地容易形成不同的低空空域技术监控体系，给未来各地低空飞行监控技术的互联互通埋下隐患。因此亟需研究高效、完备、科学的技术监控体系，建立统一的低空监控平台与完备的信息化服务基础设施，从而为采集和分析低空数据，构建规模化、高质量、安全的低空经济提供技术支撑。挑战三：亟需低空立体连续覆盖无线网络传统无线网络以地面覆盖为主要目标，而低空信息网络则需实现对空立体覆盖。随着低空经济的快速发展，无人机应用对于低空网络的广域连续覆盖提出了更高的要求。大量的试验结果表明，尽管当前对地覆盖的无线网络利用天线旁瓣对空中有一定的信号覆盖，但是由于天线旁瓣较多且杂乱、信噪比普遍较差且起伏不定等因素，较难保障无人机全路程连续业务服务和不中断飞行操控。因此，构建一张低空立体连续覆盖的无线网络是低空经济高质量发展的基础，也是亟需攻克的关键技术挑战。挑战四：需要满足大上行、低时延业务需求越来越多的低空无人机业务将普遍要求有视频或图片回传，甚至是高清视频回传，上行速率普遍要求在每秒几十到几百兆速率，而对于下行速率要求通常不高，因此无人机业务具有明显的上下行不对称的特性。而传统对地覆盖的移动网络则主要服务于人，以下行业务为主，移动通信领域以往更多聚焦在提升网络的下行链路容量。因此，如何基于蜂窝移动网络技术来保障未来大量无人机的大上行、低时延业务需求是将要面临的较大挑战。挑战五：低空网络安全不同于传统航空运输服务，低空经济活动更会呈现出“数字化“和“信息化”的特征。此时，低空信息网络安全问题也是保障低空经济活动所要解决的关键挑战。由于低空经济活动复杂，其安全挑战并不局限于硬件、软件、通信链路和网络本身，还包括了行器入侵破坏等方面。因此，为了满足低空经济活动的需求，需要多方联合，共同设计更加灵活、智能、安全的信息化服务系统。
02、 通感一体化技术
5G-Advanced是5G与6G之间承上启下的重要阶段，据IMT-2020(5G)推进组发布的《5G-Advanced场景需求与关键技术白皮书》，5G-A面向六大主要应用场景：沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联和天地一体，进一步增强网络、终端、云等端到端技术能力，支撑数字、智慧、绿色低碳社会基础设施的构建。
其中，通信感知一体化技术（Integrated Sensing and Communication，ISAC）是5G-A网络侧关键技术之一，具体指通信网络实现通信感知一体化，这为低空管理中航空器的侦测提出了新路径。
优势
通感一体化技术的主要优势在于：
1. 与传统雷达探测的范围相比，通过5G+多基站协同探测方式可以缩小感知盲区，实现整个区域全覆盖。5G-A频段和一般雷达相比，频率较低，更容易绕过障碍物，从而实现在建筑物较多的情况下更好的覆盖。通感一体化基站的探测距离可超过1.5千米，探测精度达到亚米级，这意味着在基站覆盖范围内，感知到的目标物位置和实际位置误差小于1米；
2. 成本低、部署快。由于基站覆盖率较高，不需要重复建设，只需增加一个面向空域的通信基站即可，通感一体技术成本和部署速度具备明显优势。如中国工程院邬院士表示：“在不改变5G基站天线仰⻆的前提下，低空探测空间高度近600米，这将避免低空专网的重复建设，有助于城市对‘低慢小’⻜行物的识别和管理。”；
3. 节省频谱资源。使用的都是已授权的通信频段，无需另外划分频段；
4. 基站通感一体的无线信号发射功率极低，不会对居民健康造成影响，干扰小。
关键技术
目前，基于5G-Advanced空口的ISAC关键技术主要包括六大技术方向：
1. 通感一体化波形与信号设计：在5G-A通感标准化中，波形设计可以分为两个主要研究方向：基于现有波形的一体化波形适配性研究，新型通感一体化波形设计及研究。基于现有通信和感知波形，如OFDM、FMCW、LFM等，通过分析这些波形在通信和感知的能力，形成单一波形或者复合波形，从而实现通感融合波形的需要；
2. 多天线感知技术：方位向的位置精度受限于天线阵列的孔径，因此，在硬件技术上需要采用大规模的天线阵列以提升方位向的位置精度和波束增益。目前，主流技术方向包括高隔离大规模天线阵列、天线分组和虚拟子阵列、稀疏MIMO阵列；
3. AI和算力技术：5G-A的蜂窝通信网络中的接入网和核心网都具备强大的运算处理能力，因此可以采用内嵌AI的高维超分辨感知技术和通感融合算力技术，排除噪声干扰，以提高目标特征的分辨能力和识别准确率，并且根据每种感知技术或算法的特性和需求，以及网络的总体运算资源状况，制定出最合适的资源分配方案；
4. 组网技术：组网技术是一种将多台电子设备连接在一起，形成可互相通信和共享资源的网络系统的技术。通感一体化的组网架构主要包括了网络大脑、感知控制功能、通信控制功能、计算控制功能、用户控制功能等功能实体，以及计算节点、通信节点、感知节点和终端节点等资源实体；
5. 时频域感知资源分配技术：通过时域、频域或空域通信和感知分离设计，可以有效避免感知与通信间的相互干扰，同时可以通过合理分配资源尽可能保证通信用户、感知用户以及一体化用户间的公平性，便于通感业务的协调联动，进而提升通感系统的整体性能；
6.通感融合信道建模：信道建模是指无线信号从发送端传输到接收端的过程。传统的信道建模方法可能无法满足5G-A的需求。5G-A需要重新思考传统的随机信道建模方法，针对感知评估需求做出创新，具体模型方向包括随机信道模型、确定性信道模型，以及混合信道模型。
03、 基于通感一体的低空网络系统
基于通感一体的蜂窝网络覆盖已成为低空网络系统发展的主要方向之一，据中国电信《通感一体低空网络白皮书》，在总体架构上，低空网络系统依托蜂窝移动通信网络、物联网、云计算等基础设施，形成通信、感知、计算一体化的智能互联低空数字化服务体系。
低空网络系统包含通信、感知、智算三个主要功能，其基本功能和性能指标如下：
1. 通信功能及性能要求
通信能力旨在满足低空网联无人机多样化通信功能，包含基础的接入、数据/指令转发、信息上报、身份标识认证等。对于网联无人机的身份认证尤为重要，是无人机有效监管的基石。针对网联无人机，需要提供数据传输和控制指令传输等基础通信能力保障。无人机载荷采集的图像和视频数据、无人机全球定位系统（GPS）及传感器获得的位置信息、姿态信息可以按周期或实时上报给各个低空业务平台和低空管控平台。飞行系统能够将对无人机的控制指令精准传送给无人机，指导其按要求行驶或应对紧急情况。无人机通信方式可能包括5G/4G和其他宽带/窄带无线通信方式。根据业务场景的具体需求，无人机可以配置不同的的通信方式。对于应急通信、航道控制等要求高可靠、低时延场景和对于高清（HD）视频传输、巡检监控等大带宽场景，5G技术在速率、时延、覆盖等方面具有明显优势，可实现网联无人机高效可靠的通信保障。根据3GPP TS22.125无人机应用的性能需求：- 对与8K视频直播，要求达到上行100Mbps数据速率，端到端时延200ms，下行600Kbps数据速率，端到端时延20ms；- 对于通过高清视频的远程无人机控制，要求达到上行25Mbps数据速率，端到端时延100ms，下行300Kbps数据速率，端到端时延20ms。
2. 感知功能及性能要求
感知能力旨在利用无线信号实现对目标无人机或环境的主动感知功能。通过有效提取无人机等动态目标以及环境等静态目标对无线信号特征的影响，低空网络能够实现对低空飞行目标的测距、测角、测速、定位、追踪等功能。这些信息可辅助实现无人机的入侵检测和碰撞规避，对无人机进行路径追踪，进而实现远程监控等。对于具备飞行资质的合法无人机，网联无人机将按照监控要求通过通信网络定期上报位置、状态等飞行信息。非网联无人机信息则可从航线申报信息系统获取飞行路线和无人机型号参数。低空网络的感知功能将通过无线感知技术判断每一架可识别无人机位置和轨迹数据，并与前述无人机预知信息进行比对和联合分析，则可有效侦测不具备飞行资质的非法无人机，进而实施有效驱离，以保证低空空域安全。根据3GPP TR22.837性能需求：- 对于无人机入侵检测，要求达到5-10m定位精度，感知时延小于1000ms，不超过5%的漏检率和虚警率；- 对于无人机防撞，要求达到1m水平定位精度，感知时延小于500ms对；- 于无人机飞行路径跟踪，要求达到1-10m的距离分辨率和1-10m/s的速度分辨率。感知功能的实现是基于网络物理资源。在通感一体化系统中，感知功能与通信功能共享物理资源，可根据业务场景需求进行时域、频域、空域的资源动态管理和多维度复用。低空网络需要具备灵活的资源配置能力，考虑不同应用场景的业务指标进行通信和感知资源分配，实现感知和通信资源的协同优化，从而提高频谱资源的利用效率，在保证通信性能的同时最大程度提升感知性能。
3. 智算功能
智算能力旨在为低空网络提供可靠的智能计算功能，实现基于图像、声音及相关数据的智能处理，以支持低空系统中业务预测、故障诊断和飞行决策等功能。针对无人机获得的传感器数据、视频数据进行智能计算和分析，提供无人机状态异常检测、非法入侵监测等多样化低空业务保障能力。通过对无人机等目标的特征提取与分析，实现目标种类的识别。通过对无人机的位置跟踪以及其历史运动轨迹的分析，预测其未来的轨迹及可能驻留的小区。低空网络集成了无人机及用户的基础数据、无人切采集上报的数据、第三方服务数据等信息，要求网络具备全面、高效、智能的数据处理和计算能力。智算功能的实现是基于算力资源，这很大程度上决定低空网络服务的性能和效率。算力资源的分布和协同也将对低空网络系统的时延产生决定性影响。因此，需要灵活调度计算资源、存储资源以及网络资源，实现云、边、端协同的低空信息网络。
04、 发展提速
去年以来，5G-A助力低空经济发展明显加速，全国多处启动试点并完成验证，5G-A通感一体赋能低空经济已进入快速发展的新阶段。2023年10月，在IMT-2020(5G)推进组的组织下，业界首个5G-A通感融合演示验证测试完成，此次验证采用了毫米波频段和4.9GHz频段，涵盖室内和室外环境，验证场景包括无人机、交通、入侵检测、呼吸检测等多种通感融合典型应用场景。
图4 5G-A通感融合组网验证，来源：IMT-2020(5G）推进组今年3月，全球首个5G-A智慧机场通感一体基站在云南保山云瑞机场建成开通。该项目将5G-A通感一体技术应用于防范机场入侵，能自动识别预警潜在的安全隐患，包括无人机、飞鸟、车辆和人员活动等。在杭州钱塘江边、亚运村里、奥体中心旁的5G-A通感一体示范项目中，在钱塘江畔实现约3平方公里的连片覆盖的通感一体化关键技术验证，突破了通信感知融合、感知连片组网、自适应干扰协同、多模型智能融合，雷视联动等关键技术瓶颈，实现了低空无人机飞行轨迹、速度、经纬度等飞行数据精确感知。同时，北京、海南、江西等省市均有大量的5G-A通感一体试验项目陆续进行，无人机管理和低空经济试点是大部分项目的核心，为进一步扩大规模应用奠定了基础。
参考文献
1. 《政府工作报告》，国务院，2024年
2. 《通感一体低空网络白皮书》，中国电信，2024年
3. 《5.5G商用元年已来，新技术有望催生新场景》，招商证券研究所，2024年
4. 《2024中国低空经济行业研究报告》，亿欧智库，2024年
5. 《低空网络信息服务能力白皮书》，中国移动，2023年
6. 《高质量建设低空飞行服务保障体系》，宋志勇，2024年
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本书由吴冬升、董志国两位博士主编，机械工业出版社2023年隆重出版。书中详细分析5G、智慧交通及自动驾驶的现状及发展趋势, 阐述城市公共交通、共享出行、智慧物流的最新进展。
吴冬升 博士
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