摘要：低空空域产业是未来航空领域发展的重要组成部分，呈现快速发展之势。现有的低空空域相关的通信、导航、监视等系统难以满足未来低空空域产业对管控方面的需求，本文以哈尔滨飞机工业集团有限责任公司下属通用机场：平房机场为例，探讨了一种基于5G无线蜂窝网络和卫星通信系统的低空智联网技术的原理与功能，给出了低空智联网的搭建方法，为低空智联网的发展开拓了更多的方向。

关键词：低空智联网；5G无线蜂窝网络；卫星通信；北斗卫星导航系统；广播式自动监视系统

第一章 低空智联网研究背景及总体架构

近年来，低空空域航空产业作为战略性新兴产业，呈现迅速发展之势，是未来科技、军事、经济等领域发展的重要组成部分。伴随着低空空域航空产业的发展，低空空域相关的通信、导航、监视等系统对低传输延时、高传输速度、高传输容量的需求同样日益增加[1]。现有的、依托于传统无线通讯或有线光纤的通信、导航、监视系统难以实现相互融通，无法满足未来新构型飞行器在低空空域中的泛在精准可信位置服务和高容量低延时通信的需求。因此，一种新型的，基于5G无线蜂窝网络和卫星通信系统的低空智联网技术亟待研究。

黑龙江哈尔滨平房机场 （Harbin Pingfang Airport） 坐落于黑龙江省哈尔滨市平房区，是哈尔滨飞机工业集团有限责任公司下属通用机场。平房机场可用空域近似矩形分布，机场周边分布有大量民宅、企业用楼等民用建筑，机场的低空空域环境十分复杂，各种复杂地形、障碍物、干扰源众多，现有的通信、导航、监视系统难以精确、低延迟地把控在低空空域中各种飞行器的实时飞行状态。本文将以平房机场为范例，论证一种基于5G无线蜂窝移动网络和卫星通信系统的，通信、导航、监视系统一体化的，低空智联网的搭建方法及其可行性。

为更好地服务于低空空域的通信、导航、监视系统应用，低空智联网将从以下几个方面进行搭建和组网：基础网络模块，由5G无线蜂窝网络和卫星通信系统两部分组成；功能应用模块，由低空智联网平台、北斗卫星导航系统、广播式自动监视系统、智能避让系统等组成。其中，基础网络模块旨在搭建起低空智联网的基础网络框架，为功能应用模块提供网络传输基础，以实现各项信息的高容量、低延时、高速度传输；功能应用模块则是以低空智联网平台为主体，组网、整合北斗卫星导航、广播式自动监视、智能避让等系统，以实现通信、导航、监视系统相互融通的目标。

第二章 基础网络模块

基础网络模块的主要作用是为低空智联网搭建网络传输渠道，满足未来低空空域航空产业在通信、导航、监视等方面的低传输延时、高传输速度、高传输容量等传输需求。同时也为功能应用模块的低空智联网平台以及各种功能应用系统提供网络基础，实现相互融通，由5G无线蜂窝网络和卫星通信系统两部分组成。

2.1 无线蜂窝网络搭建

5G无线蜂窝网络，即第五代移动通信技术无线蜂窝网络，是一种新型移动通信硬件架构，将具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高[2]。5G无线蜂窝网络具有高传输速度、大传输容量、低传输延迟的优点，是低空智联网的良好载体[3]。其搭建由以下两个部分组成：5G基础设施建设和无线蜂窝网络搭建。

现有5G无线蜂窝网络主要依靠5G基站与5G室内分布系统这两种基础设施实现。5G基站是无线蜂窝网络的重要构建模块，用于实现有线通信网络与无线终端间的无线信号传输[4]。

5G基站分为宏基站和小基站两种，以宏基站为主体，小基站为辅助的形式共同实现目标区域的信号覆盖。宏基站一般由主设备、动力配套设备设施、信号塔、机房等组成，一般以单独信号铁塔建筑形式存在，其信号覆盖面广，但由于5G信号位于高频段的固有属性，其所能覆盖的信号范围有限，还需一定数量的小基站协同宏基站进行连续覆盖和室内浅层覆盖。

小基站是微基站、皮基站、飞基站的总称，三者之间功率、覆盖范围等有所区别，但占地面积均较小，可搭载在其他建筑内使用。

5G室内分布系统简称5G室分，是一种能够在大型建筑内提供全覆盖、高速、稳定信号传输的无线覆盖技术，可以解决5G基站信号难以穿过建筑墙体覆盖室内的缺陷，将基站信号转换为室内覆盖所需信号。

平房机场位于哈尔滨市平房区内，周边民用建筑众多，分布有一定数量的宏基站。但传统5G宏基站主要服务于地面移动端用户，基站天线的主瓣向地面倾斜，在这种情况下，低空空域飞行器所传输的信号很可能由旁瓣进行传输，造成其传输信号质量较主瓣低且易受干扰因素干扰的现象。同时由于一些原因，哈尔滨飞机工业集团有限责任公司厂区内并未建设有宏基站。因此为实现低空智联网5G无线蜂窝网络的搭建，需在公司厂区内建设新的、适用于低空智联网搭建的5G基站，同时借用空域内现有运营商宏基站。现有5G宏基站覆盖面积半径约为300m，传统宏基站建设在地面区域，无法覆盖全低空空域，可通过建设空中5G宏基站作为信号中继站来解决。

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司占地面积约3.6km²，宏基站覆盖半径约为300m，为实现厂区内5G信号全覆盖，约需建设宏基站12到14个。平房机场目前空域近似矩形，为实现该空域内5G信号全覆盖，需借用该空域内现有通信商宏基站900个左右。同时还需在厂区及空域内设置小基站以补充宏基站覆盖范围，并在厂区内航管楼及其他有需求的建筑内搭建5G室分，以实现5G蜂窝网络在厂区及空域内的全面覆盖。

5G基础设施搭建完成后，即可开展5G无线蜂窝网络的搭建。目前国内5G无线蜂窝网络的搭建分为以下两种：

1） 由移动运营构建的隔离5G局域网；

2） 公网与专网之间部分共享的无线网。

由于国家相关政策要求，本文中低空智联网的5G无线蜂窝网络拟采取由移动运营构建的隔离5G局域网的方案。该方案下，移动运营商在厂区及空域内使用特定的、被许可的5G频率构建和运行5G无线蜂窝网络，与公用网络隔离，提供完整的数据安全性，低空智联网无线蜂窝网络内的数据不会外流，可以满足国家安全、保密等方面的要求。该方案的缺点是相较于搭建公网与专网之间部分共享的无线网方案，资金花费较高。

2.2 卫星通信系统搭建

5G无线蜂窝网络虽然具备高传输速度、低传输延迟、大传输容量的优点，但受限于5G宏基站覆盖范围，仅依靠地面宏基站，难以覆盖1000m以下的全低空空域，这时，就需要卫星通信系统进行辅助信号传输。目前宏基站覆盖半径约为300m，在300m至1000m的高度范围内，若不搭建空中5G宏基站，该范围内飞行器信息仍需通过卫星通信系统传播。

卫星通信系统属于无线电微波信号传输，现处于宽带低轨卫星互联网阶段，其发展非常成熟，具备完整的信号传输体系和数量庞大的通信卫星群，同时具备以下优点与缺点[5]。

优点：

1） 通信距离远，在卫星波束覆盖区域内均可实现；

2） 通信成本较低，且成本随距离增加增幅较少。

缺点：

1） 传输延迟高，有500ms到800ms甚至更高的传输延迟；

2） 通信质量受通信卫星数量、信号强度等因素影响严重。

搭建卫星通信系统，只需借助现有的，正运行的通信卫星，通过卫星信号发射、接受装置就能实现卫星通信。若想提高卫星通信的强度，传输容量等指标，可通过租用专用通信卫星、自行发射通信卫星等方式达成。

现阶段，5G与卫星网络的融合，即“星地融合”可以弥补卫星通信的缺点而保留其优点[6]。“星地融合”将为提高全球通信网络的覆盖范围、可靠性和灵活性提供了有效途径，5G的低延迟、高带宽和广泛连通性将与卫星通信的全球覆盖能力相结合，为各种应用市场带来创新的解决方案和服务。

第三章 功能应用模块

功能应用模块是实现低空智联网具体通信、导航、监视功能的模块。该模块需要依托于基础网络模块进行信号传输，分为低空智联网平台与具体功能应用系统两部分。

3.1 低空智联网平台

低空智联网平台是一个统筹管理具体功能应用系统的平台系统，类似于计算机的Windows系统，具体功能应用系统需在该平台上进行运行，共同使用低空智联网基础网络进行信号传输，同时通过智联网平台可以管控其他具体功能应用系统，实现通信、导航、监视等具体功能的相互融通。

3.2 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统简称 BDS，是中国自行研制的全球卫星导航系统。目前，其在全球已具备约60颗导航卫星，自2003年开始初步部署建成以来，为用户提供了高精度的空间定位、导航及授时服务，广泛地地应用于能源、通信、交通运输、农林及公共安全等领域，并融入到了国家重大基础设施建设中， 产生了显著的经济效益和社会效益[7]。

北斗卫星导航系统是未来低空空域飞行器必备的卫星导航定位系统，可实现在全球范围内、全天候、全天时地为用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具备短报文通信功能，本身具备一定的信息传输能力，但信息传输量较小。若通过低空智联网实现相互融通，可以实现地面指挥站、飞行器本体、空域内其他飞行器等各方实时共享定位、导航等信息，以达到空管一体化等目标。

3.3 广播式自动监视系统

广播式自动监视系统简称ADS-B系统，是指在具有广播位置播报能力的飞行器之间互相进行空对空的交通监视[7]。它依赖于飞行器自发位置报告而获得对其监视的能力，因此属于相关监视系统，其对提高驾驶员空中交通的觉察能力，具有重大作用。

现有的广播式自动监视系统有地基和星基两种，地基基站安装较为容易，星基基站则可以覆盖海洋、荒漠等偏远地区。

将广播式自动监视系统接入低空智联网，可以加快各方获取监视信息的速度，以实现地面指挥员、空中驾驶员对未知飞行器、突发气象状况等紧急事件的快速觉察、快速相应能力。

3.4 智能避让系统

直升机智能避让系统是哈尔滨飞机工业集团有限责任公司近年引进的，针对复杂环境下，高可靠的，实时共享试飞现场各直升机态势及提供通讯保障的数字组网传输电台产品应用系统。该系统包含塔台指挥终端及各直升机单元终端，通过指挥终端与单元终端组网，能够使所有作用距离范围内的终端实时查看其他终端位置信息，并能实现接近报警。

目前智能避让系统使用产品自带的卫星通信系统进行各终端间的组网，存在传输延迟较高，数据传输量较小的缺点，接入低空智联网后，各终端间的信息传输可通过低空智联网系统的基础网络进行组网，更高效地实现智能避让系统本身的功能。

3.5 其他功能系统

低空智联网依托于基础网络模块和功能应用模块搭建，所有符合低空智联网要求的各种功能系统均可以通过低空智联网平台进行搭载，通过基础网络模块进行数据或信号传输，进而省去自身冗余的天线等设施，节省资金、减少设备占用空间，同时实现通信、导航、监视系统相互融通的目标。

第四章 其他地面系统

上述功能应用系统主要针对机上各项系统进行叙说，实际的低空智联网不仅可以对低空空域的飞行器进行通信、导航、监视，部分地面系统、设备也可以通过低空智联网实现无线连接功能，下面通过机场监控系统与试飞测试系统两部分进行示例。

4.1 机场监控系统

为保障机场安全，记录机场周边环境，为指挥员提供场道实时信息和信息回放，便于指挥员掌握机场全面情况，及时掌握机场所有道口动态，降低侵入跑道和相撞风险，平房机场配备有机场监控系统。目前机场监控系统以视频监控为主，监控数据通过有线光缆进行传输。有线光缆的数据传输速度快，延迟低，但存在新光缆铺设困难，施工周期长，施工费用高；已铺设光缆需定期维护，维护成本高，易被污染等缺点。

将机场监控系统纳入低空智联网，监控数据就可以通过低空智联网基础网络进行数据传输，在保持低延迟、高传输速度的标准下，可以增大传输容量，降低维护费用。若有计划增加机场监控系统的监控探头数量，通过接入低空智联网，摒弃传统的有线光纤传输方式，可以大大缩短施工周期，降低施工费用和维护费用。

4.2 试飞测试系统

平房机场作为哈尔滨飞机工业集团有限责任公司进行各种型号旋翼机、定翼机试飞的场地，建设有各种试飞测试设备，和机场监控系统类似，这些设备大多通过有线网络相互传输数据，或自身呈封闭系统，不与外界进行信息交互，这对试飞试验的信息整合提供巨大阻力。

低空智联网系统可以为试飞测试系统提供数据信息传输的渠道，实现各试验设备间的数据记录、汇总与整合，从而更有效地开展试飞试验。

第五章 结论与展望

本文通过基础网络模块、功能应用模块、其他地面系统三个方面介绍了低空智联网在低空空域中对飞行器在通信、导航、监视等方面的作用，提出了在平房机场搭建低空智联网的方案，同时拓展了部分地面设备搭载低空智联网系统的方向，为低空智联网的建设提供了思路与方法。

在不久的将来，对低空空域飞行器的通信、导航、监视需求必将迅速提高，升级现有低空空域各项系统将不可避免，而基于5G无线蜂窝网络与卫星通信系统的低空智联网，在通信、导航、监视等各个方面均具有独特而巨大的优势。建设低空智联网是未来面临日益复杂的低空空域环境、不断增加新构型飞行器种类的必然选择，5G无线蜂窝网络融合卫星通信的网络建设，通信、导航、监视一体化的低空智联网平台，符合未来低空空域管控的发展规划，低空智联网必将在未来低空空域航空产业的发展中发挥巨大的作用。

参考文献

[1] 全权， 李刚， 柏艺琴， 等. 低空无人机交通管理概览与建议[J]. 航空学报， 2020，41（1）：23238.

[2] 尤肖虎， 潘志文， 高西奇， 等. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 中国科学：信息科学， 2014，44：551-563.

[3] 王胡成， 徐晖， 程志密， 等. 5G网络技术研究现状和发展趋势[J]. 电信科学， 2015（9）：156-162.

[4] 张明明. 基于5G 网络的通信基站建设与维护概述[J]. 数字技术与应用， 2023，41（1）：104-106.

[5] 张更新， 张杭. 卫星移动通信系统[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2001.

[6] 汪春霆， 翟立君， 卢宁宁， 等. 卫星通信与5G 融合关键技术与应用[J]. 国际太空， 2018（6）：11-16.

[7] 于素君， 易昌华， 李春芬， 等. 北斗卫星导航系统定位原理及其应用综述[J]. 物探装备， 2020，30（1）：59-63.

[8] 李自俊. ADS-B广播式自动关监视原理及未来的发展和应用[J]. 中国民航飞行学院学报， 2008（5）：11-14.