數(shù)字低空系列-泛在安全低空數(shù)智網(wǎng)技術(shù)體系白皮書_第1頁
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文檔簡介

管控等瓶頸問題,從低空空域的安全有序運(yùn)行角度出發(fā),提出感知網(wǎng)、定位網(wǎng)、通信網(wǎng)、管控網(wǎng)泛在安全低空數(shù)智網(wǎng)作為一種具備全時空連續(xù)的感知、定位、通信、管控的新型信息通信數(shù)智底座,能夠?qū)崿F(xiàn)物理與數(shù)字空間融合,支撐大規(guī)模低空無人機(jī)的全時空信息交互與高效智能管控。白皮書分析了低空經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)及泛在探測、跨域協(xié)同、安全管控需求,提出了低空 前 2023年中央經(jīng)濟(jì)工作會議中明確提出要將“低空經(jīng)濟(jì)”作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行打造,廣泛應(yīng)用數(shù)智技術(shù)加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。2024年國務(wù)院政府工作報(bào)告中也指出,要完善產(chǎn)業(yè)生態(tài),拓展應(yīng)用場景,將“低空經(jīng)濟(jì)”作為新增長引擎,促進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展。中央經(jīng)濟(jì)會議和隨著人工智能技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展,低空經(jīng)濟(jì)也將向智能化、網(wǎng)聯(lián)化、協(xié)同化方向演進(jìn),并與地面智能交通系統(tǒng)融合,形成“空地一體”的智慧交通體系,共同推動交通均海拔高度300米以下空域作為非管制空域,在這一空域中飛行不對航空器提供空中交通管制服經(jīng)突破了傳統(tǒng)邊遠(yuǎn)地區(qū)、旅游景區(qū)等局限空域,向城市中心區(qū)滲透。同時,飛行汽車eVTOL概念控制空路使用成為亟需解決的問題。2024120米120300米之間的低空空域規(guī)劃公共航路和臨展低空經(jīng)濟(jì)試點(diǎn),2024年底有消息稱中央空管委將在合肥、杭州、深圳、蘇州、成都、重慶六大目前國內(nèi)各行業(yè)都提出了低空認(rèn)知和數(shù)字化的思路,以支持低空無人機(jī)飛行管控。例如從低空通信覆蓋的角度,電信運(yùn)營商提出采用A完成低空空域探測和空地通信,以實(shí)現(xiàn)低空通感廣K能夠結(jié)合低空經(jīng)濟(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢有針對性的解決低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的“難感知”、”、難”1、難感知:雖然國家空管委、中國民航局規(guī)定了120米以下的W120300G類空域飛行是需要受到管制的。由于無人機(jī)飛行主要采BRID(BroadcastRemoteID)很難對低空環(huán)境進(jìn)行1“感知-認(rèn)知-決策-控制”閉環(huán)的具身智理。在網(wǎng)聯(lián)化的支持下,無人機(jī)不但能夠?qū)崿F(xiàn)空-地-云的業(yè)務(wù)運(yùn)營一體化,還能實(shí)現(xiàn)空域管理的A2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間、無人機(jī)與地面系統(tǒng)4G/5G技術(shù)為基礎(chǔ)的C-V2X體制確立為車車車路協(xié)同通信標(biāo)準(zhǔn),低空采用與V2X技術(shù)一致A2X體系將能夠與地面交通系統(tǒng)有效整合,從而建立起空地一體的交通體系。1所示。 飛行申請要求,但目前專用空地?cái)?shù)傳直通通信方式無法支撐低空廣域覆蓋,基于WiFi和藍(lán)牙的RemoteIDA2X通信技術(shù)支持無人機(jī)間直接通信,在滿足無人機(jī)自主協(xié)同的同時,支持空地一體化運(yùn)2所示。與通信能力融合的6G技術(shù),可以通過共享頻譜和硬件資源,實(shí)現(xiàn)高效的信息傳輸和環(huán)境感知。通MIMO和波束成形技術(shù)通過感

低空飛行情報(bào)

低空飛行監(jiān)管

無人機(jī)綜合管理

接入網(wǎng)關(guān)功能

運(yùn)行控制功能

注冊服務(wù)功能

運(yùn)行管理功能開放服務(wù)功能

5G-A

WiFi/藍(lán)牙等RID廣播

蜂窩網(wǎng)移動通 D2D自組織通 專有移動通

5G-A

RTK

雷達(dá)視覺電磁等

衛(wèi)星高精度定位

5G-A

視覺紅外感知

通感一體主動感 多域融合感2、定位網(wǎng):根據(jù)不同的低空環(huán)境,定位網(wǎng)可以充分利用衛(wèi)星定位、RTK差分定位、網(wǎng)絡(luò)化的RemoteID廣播模塊,提供無人機(jī)當(dāng)前位置和運(yùn)動速度方向的廣播。但總的看,當(dāng)前并沒有一種專用的通信體制。RedCap(ReducedCapability)3GPP在Release17中引入的一項(xiàng)技術(shù),旨在為5GNR的低時延、高可靠和網(wǎng)絡(luò)切片功能同時,降低了芯片和模組成本,是一種比較合5GNR網(wǎng)絡(luò)集成。A2X與地面交通力。A2XRedCap可以共同組成蜂窩移動通信網(wǎng)解決低空空域覆蓋與多模式通信問題,并通過4無人機(jī)控制器等的接入和管控。當(dāng)前部署的無人機(jī)云服務(wù),由無人機(jī)運(yùn)營商完成航線和飛行計(jì)劃致的“看不見”、“連不上”、“控不住”問題。管控網(wǎng)將完成低空空域中的無人機(jī)運(yùn)營服務(wù)與無人機(jī)提供感知-認(rèn)知-控制能力,保證業(yè)務(wù)網(wǎng)只需要制定決策策略,即可完成管控閉環(huán)。管控網(wǎng)還提供無人機(jī)對抗UACFUARFUAMF空空/空地?zé)o線接入層面可以采用基于公眾移動通信網(wǎng)的空地通信和A2X通信,通過通信信在通信網(wǎng)層面,無人機(jī)的空地接入會在5GUPF進(jìn)行檢測和分流,低空飛行管控接入點(diǎn)的數(shù)UPF完成空地管控負(fù)載的分流,保證信號處理方法,解決通感信號結(jié)構(gòu)本質(zhì)差異化、多源信息異質(zhì)難融合等問題,保障通信-感知-定6G20GHz60~80GHz邁進(jìn),更高的從而可以在一個系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信感知一體化(ISAC:IntegratedSensingandCommunication),讓升通信性能,例如波束賦形更準(zhǔn)確、波束失敗恢復(fù)更迅速、終端信道狀態(tài)信息(CSI:ChannelStateInformation)追蹤的開銷更低,從而實(shí)現(xiàn)“感知輔助通信”。另一方面,通感一體化裝置也可中獲取距離、速度、角度信息,從而輔助完成物理世界的感知能力,實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)即傳感器(NetworkasaSensor)。通感一體化控制模型提供感知與通信分離(帶外感知)和感知與通信耦合(帶內(nèi)感知)4所示。TxRx空口完成無線信號收發(fā)。感知通道檢測到的目標(biāo)5GNR的幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通信與感知符號時分排布,從在具體實(shí)現(xiàn)過程中,5GNR幀結(jié)構(gòu)中的控制位參考信號和數(shù)據(jù)位有效負(fù)載可以用作主動感知。置以支持不同的需求。其中,以DMRS為例,可通過配置附加DMRS靈活調(diào)整時域密度,模糊函數(shù)尖峰隨密度增加而更加尖銳,如圖5所示。(1)表示前置DMRS,(2)-(4)分別表示附加1-3組0.2ms6所示。DLDMRSDL1Radioframe=1Radioframe=10ms(501subframe=0.2ms(14OFDM8Component CC2CC5-0123456789101112750123456789101112TimeFrequency120028GHz800MHz用于通信,100MHz用于傳感的測試環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證表明,RCS≤0.1平米無人機(jī)目標(biāo)的連續(xù)探測。別調(diào)制方式變得更具挑戰(zhàn)性。自適應(yīng)調(diào)制識別(AMC:AutomaticModulationClassification)技術(shù)7所示。首先,根據(jù)獲取的各類輻射源個體輻射數(shù)據(jù),構(gòu)建輻射源目標(biāo)本征屬性與多維信號原始參數(shù)集合以及其表征參量,可基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)建立輻射源個體非線性表征方法;其次,構(gòu)建時-頻-空-參數(shù)-變換五域輻射源目標(biāo)完備表征范式,實(shí)現(xiàn)對輻射源目標(biāo)信號特征與個體本征屬性雙維度完備表征,構(gòu)建起泛用輻射源目標(biāo)時頻空參數(shù)-變換五域表征數(shù)據(jù)庫;最后,建立面向五域表征基于輻射源識別可對非授權(quán)的4G/5G移動通信系統(tǒng)控制無人機(jī)進(jìn)行識別?;景l(fā)送給無人機(jī)其中,協(xié)議解析的組成結(jié)構(gòu)基帶采樣信號經(jīng)過小區(qū)搜索、PBCH解析、PCFICH解析以及公用PDCCH解析等過程獲取協(xié)議級指標(biāo)參數(shù)。在5G系統(tǒng)環(huán)境下,可以對整個基站小區(qū)的分析拆分為PDCCHC-RNTIDCI,以此統(tǒng)計(jì)DCIDMRS映射位置,計(jì)REMCSTBS,估計(jì)用戶用頻時OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交頻大小的瓶頸問題,其測距精度可達(dá)到信號波長(3.5GHz8.6厘米)的百分之9傳統(tǒng)無人機(jī)主要采用專用數(shù)傳鏈路完成無人機(jī)與無人機(jī)控制器之間的直連通信,20241月空空間臨近地面,2.45.8兩個開放頻段非常擁擠,雖然采用改進(jìn)的信道選擇與抗干擾技術(shù)可以通過適當(dāng)調(diào)整天線角度等方式,對低空空域進(jìn)行更完整的覆蓋,同時隨著5G-A通感一體技術(shù)的300~500米。由于無人機(jī)飛行速度較快,較小的基站覆蓋范圍會導(dǎo)致無人機(jī)3GPPR17NRRedCap(ReducedCapability)技術(shù),針對數(shù)據(jù)傳輸速率、電池供電、通信模組復(fù)雜性等進(jìn)行優(yōu)化,在與現(xiàn)有5G基礎(chǔ)設(shè)施兼容的同時,簡化了終端設(shè)備的需求并優(yōu)低了終端復(fù)雜度(終端成本降低約60%),并在繼承大帶寬、低時延等5G特征的同時,降低了終NRRedCap5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠特性,并能夠通過網(wǎng)11所示。據(jù)量最高可降低60%,可以提高低空環(huán)境中無人機(jī)通信及抗干擾能力。雖然語義通信增加了計(jì)算用5G蜂窩通信能夠有效覆蓋低空無人機(jī),但從飛行安全的角度,仍需提供空空直連通信技術(shù),支ASTM國際標(biāo)準(zhǔn)化組F3411-22aWiFiIEEE802.11s的無人機(jī)自組織網(wǎng)(Mesh組網(wǎng))協(xié)議,則用于完成多無人機(jī)間組件多跳中繼通信網(wǎng)。由WiFi使用公共頻點(diǎn),作用距離近,低空空空直連通信受地面干擾較大。IEEE802.11s主LoRa(LongRangeRadio)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。LoRa基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制(CSS)技術(shù)產(chǎn)生-20dB信噪比下仍能保持通信,但缺點(diǎn)是帶寬低,最大下行速率只有約50kbps,且通信延遲比較針對空空直連通信目前存在的空白,3GPP于2024年推出R18版本,其中引入了直通通信技術(shù)(LTE-V2X)20173GPPR145GNR-V2X則V2X:CellularV2X)。C-V2XPC5D2DUu接口提供蜂窩通V2X的PC5接口則進(jìn)一步支持單播、組播和廣播三種模式。LTE-V2X的PC5接口直通通信時延低20ms250km/h10Mbps。NR-V2XPC5直通通信時延更是低于3ms,支持的車輛相對速度小于500km/h,峰值傳輸速率小于90%C-V2X技術(shù)性能更好,且與移動通信網(wǎng)絡(luò)具有更好的兼容性,2023年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)宣布在美國14個州部署基于5.9G頻段的C-V2X,2024年FCC通過了5.9G頻段智能交通系統(tǒng)向C-V2X技術(shù)過渡的最終規(guī)則,為C-V2X提供了30MHz帶寬,至此,使用C-V2X作為車輛之間和車路之間的直通通信技術(shù)成為地面交通的主要技在地面交通的車路協(xié)同智能駕駛實(shí)踐過程中,C-V2X技術(shù)面臨的主要問題是地面交通系統(tǒng)中A2X應(yīng)用的直接交互(A2X5接口)UuA2XA2X服務(wù)之間的交互(A2X1接口)。地面的無人機(jī)控制器(UAV-C)可以通過多種A2X1A2X服務(wù),從而完成多無人機(jī)與無人機(jī)控制器之間的協(xié)同。V2X UEV2XnAppV2XNG-UEUEUEV2XnV2X12A2XA2X支持低空飛行管控,區(qū)域空域管理者(AAM:AreaAirspaceManager)可以通過PC5Uu蜂窩通信回傳和無人機(jī)控制器通過直通通信收集信息回傳等三種方式,實(shí)現(xiàn)對低空無人機(jī)廣播的身份信息(BRID:BroadcastRemoteIdentification)、直接探測與避讓信息(DDAA:DirectDetectAndAvoid)等的獲取,并完成對低N51,...A2X通信技術(shù)在無人機(jī)與無人機(jī)控制器之間的專有直通通信之外,提供了基于公眾移動通信4G/5G通信技術(shù)兼容的直通通信支持。A2X不但可以提供無人機(jī)之間自A2X技術(shù)建設(shè)獨(dú)立于無人機(jī)與無人機(jī)控制器之間直通通信的低空空域管控網(wǎng)絡(luò),航空系統(tǒng)主要使用航空電信網(wǎng)(ATN:AeronauticalTelecommunicationNetwork)完成空空和VDL、AeroMACS等無線通信技術(shù)和ATN/IPS數(shù)據(jù)組網(wǎng)技術(shù)完成組網(wǎng),提供無人機(jī)對抗5GAMFSMFPCF無人機(jī)對抗5GAMFSMFPCFUDM5G-A1A2XUuA2X體PC5直通通信接入,也可以采用專用空地直通通信接入。由于存在多電信運(yùn)營商和不同無人就近接入,并通過無人系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能(F)完成專用接口向飛行管控統(tǒng)一接口的接入適配,2行服務(wù)下沉到區(qū)一級。為此,低空飛行管控網(wǎng)絡(luò)需要提供無人系統(tǒng)控制功能(F)完成飛行服F分發(fā)訂購等功能。同時提供無人系統(tǒng)注冊功能(F)完成所管轄的飛行服務(wù)域注冊的無人機(jī)和3G合作式無人機(jī)上報(bào)D等多種異構(gòu)方式的低空飛行狀態(tài)感知信息,需接入電磁干擾感知與定位務(wù)域內(nèi)的感知融合通過無人系統(tǒng)管理功能(F)提供,域內(nèi)和跨飛行服務(wù)域的內(nèi)容開放由無F)完成,F(xiàn)在FUAGF之間的直通通信,降低回傳云端的時延,保障無人機(jī)與無人機(jī)控制器之間飛控交互UAGF將空地飛控UAGF向無人機(jī)下達(dá)飛行超控指令, 16所示。UARF-UARF-低空飛行監(jiān)管 交通安服務(wù)平 公共安公眾移動通信網(wǎng)已經(jīng)廣泛采用控制和用戶平面分離(CUPS:ControlandUserPlaneSeparation)17所示。AMFSMFPCFUDM5G-ADNN2互聯(lián) 模 無人機(jī)運(yùn)營移動網(wǎng)絡(luò)接入可以通過接入點(diǎn)名稱(APN:AccessPointName)來區(qū)分移動終端所連接的網(wǎng)APN標(biāo)識的內(nèi)網(wǎng),從而支持將接入訪問與公網(wǎng)隔離,保證移動終端的網(wǎng)絡(luò)APN5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片選擇。5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱(DNN:DataNetworkName)支持基于用戶面功能(UPF:UserPlaneFunction)的網(wǎng)絡(luò)“切片”DNNSLA保障和安全隔離的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)。在低空飛行服務(wù)的實(shí)踐中,可以通過在終端側(cè)設(shè)置不同的APN,分別用于支持低空飛行管控網(wǎng)絡(luò)的接入和面向低空業(yè)務(wù)的移動互聯(lián)網(wǎng)接入,從而保證通過統(tǒng)一的5G-A/A2X網(wǎng)絡(luò)體系提供相互隔離的差異化網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS:QualityofService)支持,并將APN完成空地通信接入,飛控的空地通信會在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)直接接入低空飛行管控網(wǎng)絡(luò)的UAGF,從而保證低空飛行管控網(wǎng)源和邊緣計(jì)算資源會產(chǎn)生競爭,影響空空/空地協(xié)同效率。因此,需要根據(jù)低空無人機(jī)的業(yè)務(wù)需求,,實(shí)現(xiàn)空間-通信-計(jì)算資源的一體化按需調(diào)度。根據(jù)低空任務(wù)的實(shí)時性、復(fù)雜度和能耗需求,低空網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源態(tài)勢,并結(jié)合空域資源態(tài)勢和多無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃,完成物理-通信-計(jì)算資源的聯(lián)合1、難以平衡用戶均衡與系統(tǒng)最優(yōu):Wardrop平衡原理由用戶均衡(第一平衡原理)和系統(tǒng)最并且所有的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間可能有k條潛在的路徑,那么一共存在????種匹配的可能性。雖然可以18所示,通過反復(fù)的推演過程,最終得到無人機(jī)的最優(yōu)飛行路線決策。AMFSMFPCFUDMAMFSMFPCFUDM網(wǎng)絡(luò)化探測網(wǎng)絡(luò)化定位 注冊(含BRID、ICAO代碼、注冊地、飛行計(jì)劃等信息)(含BRID、飛行速度方向、位置坐標(biāo)等信息)。UAGFUACF判斷無人機(jī)注冊地,向UARF進(jìn)行無人機(jī)管控信息注冊。UARF5G核心網(wǎng)請求UAMFUANF發(fā)布給訂購了低空空域態(tài)勢的各個飛行管控相關(guān)方,保障各

在無人機(jī)和無人機(jī)控制器完成接入注冊后,UACF會根據(jù)無人機(jī)類型建立服務(wù)合約,該服務(wù)UAGF和服務(wù)訂購方(無人機(jī)還是飛手),并維持訂購關(guān)系直到無人機(jī)或低空飛行監(jiān)管及服務(wù)需要具備對空中的合作式無人機(jī)進(jìn)行超控的能力,以避免無人機(jī)出現(xiàn)影“感知認(rèn)知決策控制

空域/無人機(jī)管控操作

在無人機(jī)完成接入注冊后,UAGF會維持無人機(jī)接入鏈路,UAMF匯聚的低空空域態(tài)勢會通UANF提供給公安、民航、空軍等管制中心,形成低空飛行監(jiān)管的聯(lián)動體系。在低空空域發(fā)生臨24UARF部署在

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