先进制造2024｜低空智联网——驱动低空经济腾飞的关键引擎（先进制造前沿第12期）

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一

低空智联网概述

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低空飞行活动对低空智联网的需求

通信需求

低空智联网需要为各种低空应用业务提供高带宽、低时延、高可靠的通信能力，以满足飞行控制、数据传输等需求。由于低空飞行器可以在不同区域飞行，低空智联网需要实现全域连续覆盖，确保飞行过程中的通信畅通无阻。

感知需求

低空智联网需要具备高精度感知能力，能够对低空飞行器进行精准定位和跟踪，同时感知周边环境的变化。低空智联网需要支持飞行器自主感知周边环境，避免与其他飞行器、建筑物或其他障碍物发生碰撞。

导航需求

在复杂多变的低空环境中，低空智联网需要为低空飞行器提供导航和定位服务，以确保飞行器的飞行轨迹准确无误。在部分低空飞行器作业过程中还需要低空智联网提供厘米及高精度导航，以保证任务顺利完成。

管理需求

面对数量庞大的无人飞行器，低空智联网需要建立高效、安全、统一的空中交通管理体系，以实现对低空飞行器的有效调度和监控，确保飞行安全和秩序。通过低空智联网，监管部门可以实时监控低空飞行器的运行状态，及时发现并预警潜在的安全风险。

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低空智联网定义

低空智联网是低空基础设施的重要组成部分，低空智联网是以地面网为主、卫星网和民航网为辅的，通感一体，空天地一体的网络体系，主要解决低空活动中通信、感知、导航、管理等方面的需求。低空智联网利用5G-A、低轨卫星等通信和感知技术，加强相关覆盖区域内的低空网络信号以及低空感知监视能力，从而保障飞行过程中的稳定通信与监视服务。同时，通过融合运用大数据、人工智能等新一代信息技术，低空智联网将成为智能化的服务网络。

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低空智联网全景

图1：低空智联网全景图

网络组成

地面网：作为低空智联网的主体网络部分，通过5G-A通感一体技术建设1000米以下的信号全覆盖区域，可以实现对低空飞行目标的测距、测角、测速、定位及追踪等任务，在通信和感知的同时收集来自低空领域的信息，并传输到低空智联网的数据中心。

卫星网：由同步轨道（GEO）卫星和低轨道（LEO）卫星星座组网建设，利用其覆盖广的特点，在偏远地区、海洋、沙漠等地面网络难以覆盖的区域提供通信和感知相关服务。卫星网可以与地面网、民航网等其他网络进行融合组网，实现空天地一体化的网络覆盖。

民航网：则以ADS-B和ATG技术实现对民航飞机的感知和网络服务，在低空领域可以和地面网和卫星网相互协同，为低空飞行器、通航飞机、民航飞机提供统一的空域调度、航线管理的服务，确保低空飞行活动和民航活动的安全和高效。

二

地面网

地面网主要以地面蜂窝通信网络为主体，随着技术的发展，5G-A已经实现通感一体技术，其是低空智联网的主要组成部分。3GPP对5G-A的定义是5G网络的演进和增强版本，5G-A是基于5G网络在功能上和覆盖上的进一步发展，旨在支撑互联网产业的3D化、云化、万物互联智能化、通信感知一体化、智能制造柔性化等产业数字化升级的关键信息化技术‌。5G-A在原有5G技术的基础上，大大优化了网络速度和时延、用户容量、覆盖范围等性能指标，还增加了‌通感算一体化等新技术性能。在低空领域应用的具体差别见下表。

表1：地面网络技术差别

三

卫星网

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卫星网架构

空间段

主要由卫星组成，包括地球静止轨道（GEO）卫星、非地球静止轨道（Non-GEO）卫星等。卫星上配备了通信、导航、遥感等有效载荷，负责接收、处理和转发信号。GEO卫星相对地球静止，可实现对特定区域的稳定覆盖；Non-GEO卫星则可通过星座组网等方式，提供全球覆盖或特定区域的增强覆盖。

地面段

包含地面控制中心、地面站等设施。地面控制中心负责卫星的轨道控制、姿态调整、故障监测与管理等；地面站则承担与卫星的通信链路建立、数据传输与接收等任务，是卫星网与地面网络及用户设备连接的重要节点。

用户段

主要是各种低空飞行器以及其他用户终端设备，如无人机、eVTOL、直升机、卫星电话、卫星通信模块、卫星导航接收机等，用户通过这些终端设备接入卫星网，实现通信、定位、数据传输等功能。

通信链路

馈线链路：连接卫星网关与卫星之间的无线链路，用于传输控制指令、数据等信息，一般具有较高的带宽和稳定性，以保证卫星与地面网络之间的有效通信。

服务链路：位于用户设备与卫星之间，是用户终端接入卫星网的关键链路，为用户提供通信、定位等服务。

卫星间链路：在卫星星座中，卫星间链路用于卫星之间的直接通信，可实现数据的快速传输和交换，提高卫星网的整体性能和灵活性，但该链路通常是可选的，且需要卫星上安装再生有效载荷，并可在射频频段或光频段运行。

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卫星网在低空智联网中的主要作用

卫星网是低空智联网空间维度最高覆盖范围最广的部分，其在低空活动中的主要作用包括提供广域覆盖的通信服务、提供导航定位服务、支撑低空作业三个方向。首先，提供广域覆盖的通信服务，弥补地面通信盲区，在自然灾害或紧急情况导致地面通信设施损坏时，卫星网络可以快速建立应急通信链路。其次，提供导航定位服务，卫星导航系统可以为低空飞行器提供精确的位置、速度和时间信息。对于多架低空飞行器同时作业的场景，卫星导航可以为它们提供统一的时空基准，便于实现集群飞行和协同作业。最后，卫星网对低空作业的支撑为低空经济带来更多创新应用机会，在农业领域，无人机可以利用卫星网进行作物监测、病虫害防治等作业；在环境监测领域，无人机可以利用卫星网进行森林火灾监测、海洋污染跟踪等任务等，卫星网还可以为低空物流、空中交通管理等领域提供新的解决方案和服务模式。

四

民航网

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民航网架构

相较于卫星‌网，民航网的技术发展历史较长，技术相对成熟，应用范围也更家广泛。民航网包括监管网络、数据通信、指挥调度三个主要方向，其中ADS-B、VHF两个技术已经在民航领域发展多年，基本覆盖了全球的民航系统，其作为低空智联网的重要组成部分，能有效提高低空飞行器和民航飞机协同调度效率，民航网的发展经验也能为低空智联网的发展提供参考。

监管网络ADS-B

基本概念：ADS-B中文为广播式自动相关监视，是一种自动独立监视广播技术，被广泛应用于航空交通管理系统中，用于飞机的航迹监视、非合作目标的探测等。

工作原理：ADS-B技术利用卫星定位获取飞机的准确位置信息，并通过频繁广播的方式将这些数据传输给其他飞机、地面站和航空交通管理机构。传输的数据包括飞机的位置、速度、航向、高度等。

数据通信ATG

基本概念：ATG网络（Air to Ground Network）是一种利用陆地移动通信技术，为空中飞行器提供宽带互联网接入的网络技术。

‌工作原理：ATG网络是基于地面蜂窝通信技术改进而来，沿着飞机的航线，设置大量的地面基站。基站天线朝向天空，为飞机提供移动通信信号，以此实现飞机的互联网业务连接。ATG技术的发展经历了多个阶段，从3G到4G再到5G的应用，技术不断进步，目前中国移动等多家企业已经开展5G-ATG试点应用。

指挥调度VHF

基本概念：目前全球机场的塔台与民航飞机之间的通信技术主要依赖于无线电通信技术，甚高频（VHF）无线电是塔台与飞机通信中最常用的技术。VHF无线电设备具有较好的抗干扰能力和较远的通信距离，能够满足塔台与飞机之间的通信需求。

工作原理：在飞机起飞、降落或滑行过程中，飞行员会与地面塔台进行无线电通信。通信的初始建立通常包括双方呼号的确认和通信意图的告知。塔台操作员会通过无线电设备向驾驶员发出指令，如起飞和着陆的指示、滑行路径和停车位置的指示、气象条件的通报等。驾驶员在接收到指令后会进行回应，以确保指令的准确接收和执行。

五

低空智联网感知技术对比

感知功能是低空智联网的核心功能之一，目前地面网、民航网、卫星网都有感知监测飞行器位置的技术路径，其中5G-A通感一体化技术是目前的主要应用技术，其同时具备了感知/探测目标的功能与高可靠通信功能，在功能上实现了一网多能，在成本上能够充分复用广域部署的通信基站并降低感知系统的部署成本，相对于传统的感知技术具有多方面优势，具体差别见下表。

表2：低空智联网感知技术对比