低空经济的规模化发展对感知基础设施提出了覆盖范围、实时性与精度的综合要求。低空空域内的飞行器种类日趋多样化,包括物流配送无人机、城市空中交通飞行器及农业植保设备等,这些飞行器在高度、速度和航迹模式上存在显著差异,单一类型的感知节点难以实现全场景的有效监控。传统低空感知网络依赖民航雷达或专用监视雷达,其部署成本高、覆盖范围有限且主要针对中大型飞行器设计,对小型化无人机的探测能力不足。通感算一体化将通信、感知与计算三种功能融合于同一网络基础设施之中,利用通信基站的天线与信号处理资源同步完成目标探测、定位与识别任务,同时依托边缘计算节点对感知数据进行本地化处理,减少数据回传至云端造成的时延与网络负担。这一融合路径的核心价值在于将广泛分布的通信基站转化为感知节点,构建起跨区域的协同感知能力,使低空空域的监视从孤立点式探测跃迁至网络化全域覆盖,为低空飞行安全提供了底层物理支撑。
感知功能的实现依赖于无线信号与目标之间的电磁散射交互。通信基站在发射下行信号进行数据传输时,信号在传播路径中遇到无人机等目标会发生反射与散射,部分反射能量沿原路径返回至基站接收端或沿其他路径到达邻近基站。接收信号中蕴含的时延、多普勒频移及到达角度等信息,经过信号处理后可提取目标的位置、速度与航向。通信感知一体化的信号设计需要解决通信数据与感知参考信号在时间、频率与空间资源上的竞争关系。感知功能要求参考信号具有良好的自相关特性与互相关特性,以便在接收端进行匹配滤波时获得清晰的峰值,而通信功能要求数据信号具有较高的信息熵以保证频谱效率。在资源分配策略上,系统可采用时分复用或频分复用方式将感知参考信号插入通信帧结构的特定时隙或子载波中,这种复用方式需要针对低空无人机的探测需求进行优化,无人机目标反射截面积较小且运动速度较快,要求感知参考信号的发射周期远短于对民航客机的探测周期,以避免目标在两次探测间隔内的位移超过波束宽度导致跟踪丢失。
全域协同感知的实现依赖多个基站之间的信息交互与融合处理。单基站的感知能力受限于其自身视角,对目标的位置估计存在径向距离与角度测量的耦合误差,且无法直接获取目标的完整三维运动矢量。当目标同时被多个基站的波束覆盖时,各基站从各自视角提取的距离与角度信息通过前传网络汇聚至中心处理单元,经空间三角化或扩展卡尔曼滤波等算法处理后可获得目标的三维位置与速度矢量,其定位精度随参与融合的基站数量增加而显著提升。多站协同感知对基站之间的时间同步与频率同步提出了较高要求,时间同步误差会导致距离测量中的系统偏差在多站融合时引入定位误差。频率同步误差则使各基站测量的多普勒频移参考基准不一致,目标速度估计因此产生偏差。同步误差的容限与目标距离和系统带宽相关,在低空感知场景中,基站间距通常在数百米至数公里范围,对时间同步精度的要求较传统通信业务提升了一个数量级。无线同步方案虽可降低部署成本,但在基站数量较多时同步误差累积效应显著,有线同步方案精度更高但增加了回传网络的同步协议复杂度。
计算资源在网络边缘的部署方式是通感算一体化能否实现全域协同的关键环节。感知数据量随基站数量与探测刷新率的增加呈线性增长,若将所有基站的原始时域或频域采样数据全部回传至中心处理单元,前传网络的带宽压力将超出设计容量。边缘计算节点在基站侧完成部分信号预处理,包括目标检测、距离提取与多普勒估计等基本测量操作,仅将测量值与对应的信噪比及时间戳等元数据传递至上层融合节点。这种数据压缩与特征提取策略将前传链路的传输需求降低数个量级,但压缩过程本身需在边缘节点引入额外的计算硬件,同时边缘节点与中心处理单元之间的数据同步需保证各基站测量值对应同一探测时刻以避免融合中的时序错位。感知任务的计算量对边缘节点的算力要求取决于探测目标的密度与运动速度,在低空物流密集区域可能同时存在数十架无人机,每架目标需维持连续跟踪并定时更新位置与速度估计,计算负荷呈多目标跟踪状态下的组合优化问题,需采用基于高斯混合概率假设密度滤波器或联合概率数据关联等算法的实时实现方案。
通感算一体化在低空经济场景中的应用需处理感知网络与通信网络之间的干扰管理问题。基站在进行通信数据传输时发射功率通常处于较高水平,若同步执行感知探测,发射信号经过目标反射后的回波功率远低于通信接收端的干扰信号功率,因为基站自身的发射信号可能通过近端耦合或建筑物反射进入接收通道,其功率比目标回波高出数个量级。自干扰消除技术在该场景中的重要性由此凸显,射频对消通过在接收端注入与发射耦合信号幅度相等相位相反的参考信号来抵消近端干扰,数字对消则在模数转换后利用重建的发射信号进行自适应滤波消减残余干扰。自干扰消除的性能直接决定了感知接收机对弱回波信号的检测灵敏度,消除不充分的场景下目标回波将被近端干扰淹没。基站间的互干扰同样需要协调,邻近基站在相同或相邻频率上同时进行感知探测可能造成互相干扰,在时分双工系统中通过同步各基站的感知时隙可使发射与接收时间对齐,避免发射信号进入邻近基站的接收窗口。
通感算一体化的感知网络从单节点探测向全域协同融合的演进过程中,系统架构的重心正在从设备能力堆叠转向信息融合效率的提升。单节点探测方案中每个感知基站独立完成从信号发射、回波接收到目标提取的全部处理流程,基站之间的信息只在后端进行有限的交换,各节点对其邻近节点的感知状态缺乏了解。全域协同融合的架构中,感知任务被分解为多个层次的处理阶段,物理层信号采集与预处理在最靠近天线的边缘节点完成,目标状态估计与航迹管理在区域汇聚节点完成,全域态势生成与异常判决在核心节点完成。各层次之间的信息传递经过了充分的特征抽象与数据压缩,使系统能够在有限的回传网络带宽下支持大规模节点的协同感知。感知资源的调度从静态配置演变为动态自适应分配,系统根据当前空域内的目标密度与分布自动调整参与感知的基站集合与探测参数,在目标稀少的时段降低感知刷新率以节省基站功耗与频谱占用,在目标密集时段激活更多基站并缩短探测周期以保证跟踪连续性。这种从功能叠加到资源动态协同的演进路径,构成了通感算一体化重构低空经济感知网络的核心逻辑。