1 概述

低空经济作为国家战略性新兴产业，近年来快速发展，低空通信系统是支撑低空领域发展的关键基础设施。低空机载通信设备是指安装在无人机、电动垂直起降飞行器（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）等低空飞行器上的通信设备，用于实现飞行器与地面站之间控制数据交互、飞行器导航、感知信息上报和业务数据传输，是低空通信系统的主要组成部分。目前低空机载通信系统、导航系统和感知系统使用不同的设备，设备成本高、安装空间受限、功耗大和重量大。通信方式多采用单一的自带的点对点遥控、4G/5G公网，或者公网结合卫星通信，通信网络比较单一，通信安全性、稳定性和可靠性低。目前公网基站的天线设计主要针对地面用户，信号向上辐射能力较弱，通常有效覆盖高度多限于距地面120 m以下的区域；而且公网采用共享频段，在人口密集区或高峰时段，基站可能因地面用户占用过多资源而无法保障低空设备的带宽需求；同时公网存在被恶意干扰、窃听或伪造基站的风险，威胁低空飞行安全。卫星通信时间延迟大，终端尺寸和功耗大，带宽受限难以满足高速率和大容量的密集低空通信需求。

本文设计一种低空机载通导感多模融合通信系统（简称多模融合通信系统），系统通过融合支持低空专网、4G/5G公网、低轨通信卫星等多种模式的通信手段实现与地面设备之间数据传输，通过北斗卫星实现导航功能，通过自动相关监视-广播系统（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast system，ADS-B）感知其他飞行器信息。该融合通信系统可以有效降低通信导航感知各个独立设备的硬件成本，减轻重量、降低功耗，满足大功率、远距离、稳定、可靠和安全的低空机载通信需求，扩大低空经济应用场景。

2 多模融合通信系统架构和设备组成

2.1 多模融合通信系统架构

多模融合通信系统架构如图1所示，包括低空飞行器上的多模融合通信设备、飞行控制单元、视频设备、其他设备、低空专网地面站、4G/5G公网地面站、低轨通信卫星地面站、低轨通信卫星、北斗系统、其他飞行器ADS-B通信系统、地面滤重设备和地面管控系统。

低空专网：低空专网是利用无蜂窝无线接入技术构建具有分层组网、公专融合的低空通信网络，可有效抑制传统蜂窝小区间干扰，显著提升传输距离，实现低空全程全域连续通信覆盖，为低空飞行器提供坚实、可靠的通信保障。

4G/5G公网：在城市、郊区等有公网覆盖且网络信号较好的地区，使用公网进行通信。

低轨通信卫星：在公网和低空专网的网络信号较差的场景下，或为了增加通信可靠性时，使用低轨通信卫星进行通信。

北斗系统：为系统提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。

ADS-B通信系统：ADS-B通信系统是一种基于卫星导航的航空监视技术，飞机通过全球导航卫星系统如全球定位系统（Global Positioning System, GPS）/北斗实时获取高精度位置、高度、速度等信息，并自动向外广播，供地面站、其他飞行器及卫星接收。飞行器通过ADS-B模块接收其他飞行器向外广播的信息，感知其他飞行器的位置、速度等信息，实现空管监视与空中防撞。如果用于微型、轻型、小型无人飞行器等无需主动对外广播的设备，可根据需求关闭ADS-B模块发射功能，只使用接收功能。

地面设备：地面滤重设备与地面管控系统共同构成地面数据处理与管控核心，负责数据去重、指令下发等功能。

2.2 多模融合通信设备组成

多模融合通信设备组成如图2所示，包括多模融合通信主板模块、低空专网模块、4G/5G公网模块、低轨通信卫星模块、北斗模块和ADS-B模块。

多模融合通信主板模块是多模融合通信设备的核心模块，通过网口、串口连接飞行器上的飞行控制单元、视频设备和其他设备，与其他模块共同完成多模融合通信系统的功能。低空专网模块包括无蜂窝通信模块和功放模块，配置不同发射功率的功放，可满足不同覆盖距离的通信需求。4G/5G公网模块用于接入 4G/5G 公网并实现数据高速传输。低轨通信卫星模块用于与低轨通信卫星建立稳定链路，满足偏远地区或复杂环境下的数据交互需求。北斗模块用于设备的导航、定位和授时。ADS-B 模块用于接收其他飞行器广播的位置、速度等信息，辅助飞行器感知周边空域环境。

3 多模融合通信系统功能

3.1 通信功能

3.1.1 飞控和管控数据通信

飞行器上飞行控制单元的数据传输方式如图3所示。飞行器的飞控数据通过网口或串口传输到多模融合通信设备，然后通过无线通信系统（低空专网、公网和低轨通信卫星其中的一种或多种同时工作）传送到地面，经过地面滤重设备，最后传输到地面管控系统。反过程即为地面管控系统的飞控和管控数据传输到飞行器的飞行控制单元。

3.1.2 视频及其他数据通信

飞行器上的视频设备及其他数据传输方式如图4所示。飞行器视频设备和其他设备的数据通过网口、串口传输到多模融合通信设备，然后通过无线通信系统（低空专网和公网其中的一种或两种同时工作）方式传送到地面，经过地面滤重设备，最后传输到地面管控系统。反过程即为地面管控系统的数据传输到飞行器的视频设备或其他设备。

3.1.3 通信模式

为满足使用者对通信系统的可靠性、设备功耗和使用成本等方面不同需求，多模融合通信系统一共设计3种可选的通信模式，内容如下。

1）单网通信：4G/5G公网、低空专网、低轨通信卫星同时只有一种通信网络工作，3种网络根据网络环境进行自动切换，这样可以降低多模融合通信设备的功耗，同时节省卫星通信费用。

2）双网通信：4G/5G 公网与低轨通信卫星、低空专网与低轨通信卫星两种通信网络同时工作，低轨通信卫星作为冗余链路持续工作，公网或专网作为主链路根据网络环境自动切换；重要的飞控和管控数据通过主链路与冗余链路同时传输，非核心数据仅通过主链路传输，这样既保证了重要信息传输的可靠性，也降低多模融合通信设备的功耗。

3）三网通信：4G/5G公网、低空专网、低轨通信卫星同时工作，无需网络切换，避免了切换过程中通信中断的风险，确保了通信可靠性。

3.2 导航

多模融合通信设备接收北斗卫星系统持续发送的含时间、轨道参数的无线电信号，解析数据并计算与各卫星的距离，基于三角定位原理，结合卫星精确位置，快速解算出自身三维坐标、速度及时间信息，将获取的导航定位信息传输至飞行器飞控系统，飞行器结合电子地图实现精准飞行导航。

3.3 感知

飞行器通过多模融合通信设备接收空中其他飞行器向外广播的信息，经过ADS-B模块解析电文获取其他飞行器的位置、速度、识别等信息，并传输给飞行器，飞行器可以感知附近其他飞行器的信息，采取主动进行避障。飞行器也可以通过多模融合通信设备ADS-B模块主动广播自身的位置、速度、识别等信息，实现空中交通网络对自身的实时监控，该广播功能可以根据实际需求关闭。

4 结束语

本文提出的多模融合通信系统技术方案，低空专网可满足安全性高、大功率、远距离、高速率的通信需求，尤其适用于边远地区与地面120 m以上低空区域通信需求，利用无蜂窝技术有效解决传统蜂窝技术小区间切换干扰，提升传输距离和稳定性。通导感一体设备，可有效降低硬件成本、减小设备体积和重量、提高安装布局灵活性，提升系统能效。多模融合通信系统可提高低空飞行器和地面设备之间通信的稳定性、可靠性。有多种通信模式可选用，满足用户综合考虑通信可靠性、设备功耗、使用成本等因素选择最佳通信模式的需求。