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城市低空經濟的發展相較于傳統的載人航空經濟，其中一個重要特點便是引入了大量的無人航空器?？梢哉f，無人航空器是低空經濟中十分重要的一環。然而傳統的無人機技術主要針對單一無人機的性能，主要目標是確保其能完成給定任務，對于多機之間的協同工作則相對研究較少。但是城市低空經濟的發展中會出現大量無人飛行器同時運行的情況，僅憑當前常用的無人機技術難以應對，這一點可以類比汽車技術和交通管理技術的區別。
單一無人飛行器的性能發展如今已可以基本滿足城市低空經濟發展的需求，可以承擔諸如物流配送、城市治理、應急救災等任務。但是當大量此類無人飛行器同時運行，去執行不同任務時，傳統無人機便需要一套完整的保障系統對其通信和空域管理做支撐。
同時城市環境內，不僅存在正在執行任務的無人飛行器，也會有各類非合作目標，例如丟失信號的無人機、“黑飛”無人機、氣球，甚至部分鳥類。這些飛行目標本身并不會主動上報其位置及任務，會對其他正在執行任務的飛行器造成極大的安全隱患。
因而還需要對城市低空環境進行全面感知，確定合作飛行器的位置，并避免非合作目標的安全威脅。因此，為了保障城市低空經濟的發展，需要結合通信、感知、管理三個方面，為低空飛行器提供保障支撐。
本文提出一種CSM架構，即基于5G網絡的城市低空飛行器通信系統（communication），用于支撐高并發場景下的大規模低空無人機應用；基于無線電、光電、雷達三系統融合監測的城市低空飛行器感知系統（sensation），用于感知各類飛行目標的位置，并提供給空域管理系統，保障空域規劃的安全性；基于飛行風險和經濟性管理的人工智能城市空域管理系統（management），用于分配低空空域，管理各飛行器，保障其安全性并支撐其任務的執行。
城市低空飛行器通信系統
傳統無人飛行器與地面控制端的通信通常是點對點的，根據工信部無線電管理局于2022年11月發布的《民用無人駕駛航空器無線電管理暫行辦法（再次公開征求意見稿）》，民用無人機可以申請使用840.5-845MHz、1430-1444MHz、2400-2476MHz、5725-5829MHz頻段頻率用于遙控、遙測、信息傳輸鏈路[1]。然而點對點通信在沒有中繼的情況下通信距離受限，且在城市受遮擋環境下容易斷聯。
同時，當同空域同時存在多架無人飛行器時，使用相同頻段的通信手段會導致信道阻塞。不同飛行器之間相互干擾，可能會造成數據包丟失甚至部分通信中斷。多架無人飛行器同空域運行的狀態其實更類似于多移動終端同時通信的問題，可以引入移動蜂窩網絡來解決其擁塞和干擾的問題。
5G在設計之初就考慮了大帶寬、低時延以及高可靠性的行業應用需求。與衛星、專用通信站等傳統的低空飛行器通信鏈路相比，基于移動網絡的鏈路具有相當高的優勢[2]。而相比于4G網絡，5G網絡可以提供更低的延遲及更高的連接數，非常適合低空無人飛行器的數據鏈路。當前5G網絡覆蓋主要以地面為主，較少進行低空的空域覆蓋。
有研究表明，在接入5G網絡進行低空飛行時面臨的主要問題是無主覆蓋小區以及空中信號雜亂[3]。由于無人飛行器需要基站的波束對空域進行覆蓋，直接調整現有5G基站可能會對公眾用戶產生一定的影響，可以在波束配置中采用SSB“1+X”設計，將水平和垂直覆蓋解耦。這一方法適用于多站址以及公專網復用的場景。抬高的部分波束用于覆蓋空域，同時減少對地面用戶的影響。針對無人飛行器密度較大的區域，復用已有5G基站的部分波束可能不足以支撐繁重的業務，因此也可以為其建設專用5G基站。
城市低空飛行器感知系統
管理城市內低空飛行器的前提是感知當前管理空域的所有飛行器的位置信息。關于這個問題，傳統民航業通過ADS-B系統和空管雷達來確定所管轄空域內的所有航空器位置和狀態信息。
但這樣的方式很難直接用于感知超低空環境中的無人飛行器，因為在城市超低空環境下傳統空管雷達很難獲取有用的信息。而ADS-B系統由于體積功率的限制，難以被無人飛行器使用，同時由于我國的ADS-B系統使用的是1090ES數據鏈，其與航管應答和TCAS防撞共用信道[4]。
考慮到無人機的數量在可以預見的未來會遠超民航飛行器的數量，若無人飛行器全部配備ADS-BOUT，則容易形成局部的信道阻塞，丟失報文和報文時延，干擾載人飛行器的正常運行。若要將ADS-B系統用于無人飛行器監管，則需要進一步改進其數據鏈路，提升其鏈路容量。
中國民航局于2019年11月印發的《輕小型民用無人機飛行動態數據管理規定》的通知中提出，操縱輕小型無人機時應當按照要求，通過線上數據收發接口實時向民航局報送其真實的飛行動態數據[5]。
因此現今各大消費者無人機廠商基本是通過其配套手機APP等方式，依靠各飛行器操作員將飛行數據實時上傳至民航局無人駕駛航空器空中交通管理信息服務系統（簡稱UTMISS）。然而這樣的方法存在一定的滯后性，一些情況下無人機操縱終端可能無法連接至互聯網，甚至部分無人機操作人員會選擇將其手機調整至飛行模式以免干擾遙控器控制信號。
