基于北斗技術的無人機飛行監管系統開發與應用

任麗艷， 李英成,3， 薛艷麗,3， 丁曉波,3， 吳 豪

(1.航空遙感技術國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100039； 2.中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司，北京 100039； 3.中國測繪科學研究院，北京 100039)

0 引言

低空輕小型無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)具有成本低、易操作和高度靈活性的特點，能夠攜帶相關設備在空中執行一些特殊任務[1-2]。經過幾十年的發展，其技術已經較為成熟，并廣泛應用在國土資源監測、災害應急服務和農林遙感等多個領域[3-9]。然而，這類無人機機型多，裝備分散，缺乏統一管理，且飛行高度低、速度慢、體積小，沒有安裝大型無人機的通信應答設備，無法使用傳統的空管方式，給民航等正常飛行任務帶來嚴重威脅。隨著國家逐步對低空的開放，無人機飛行應用的快速發展迫切需要飛行作業的安全管理。

從監管技術發展來說，目前低輕型無人機多數采用無線電臺的飛行監管模式，受限于無線電臺功率，信號傳輸距離短，不具備遠程監管的能力[10-11]?，F階段國內外無人機遠程監管尚處于探索期，美國航空航天局開發的無人機空中交通管制系統，在無人機上安裝低空交通與飛行空間安全系統(low altitude traffic and airspace safety，LATAS)，利用無線網絡回傳數據，在云端軟件中顯示無人機的位置和姿態，并能自動警醒避免彼此碰撞[12]； 美國聯邦航空管理局推出的無人機網上登記服務，通過注冊備案無人機進行監管[13]； 國內的AOPA U-Cloud系統，在無人機上裝備SIM卡，基于互聯網和云計算技術，將其飛行航跡、速度等實時納入到云數據庫，實現對無人機的監控[14]； DJI GEO系統通過與其硬件產品綁定，利用無線網絡提供所在區域的飛行限制和安全信息提示[15]； U-Care系統也具備無人機云監管、飛行作業管理等無人機監管與運營功能[16]。

隨著無人機監管系統在推廣應用中的不斷完善，需要融入更多的高新信息技術。北斗導航衛星系統具有(導航)定位、(精密)授時和短報文通信功能，可以在全國范圍內提供全天候的衛星導航和短信傳輸服務。北斗衛星導航系統自1994年開始制定了“三步走”發展規劃，即實現“區域有源定位(2000年)—區域無源定位(2012年)—全球無源定位(2020年)”，最終將實現全球的衛星導航能力。

為滿足無人機資源的統一管理，實現飛行作業任務按照“注冊報批—合理判斷—任務統籌”的業務化流程，在充分研究北斗導航衛星技術特點的基礎上，基于“‘863’計劃”課題，本文項目組研發了基于北斗技術的針對低空輕小型無人機的飛行監管系統，以解決低輕型無人機的快速標識與有效監管問題。本文從該監管系統的研發思路、開發環境和功能構成等方面詳細闡述系統的開發與應用，并在四川省、新疆維吾爾自治區和湖北省等地區開展了多類型作業環境的測試和驗證工作。

1 系統研發

1.1 研發思路

低空輕小型無人機飛行監管系統研發思路主要是在硬件和軟件2個層面將北斗導航衛星技術與無人機飛行監管工作流程進行深度融合。研發內容包括標準規范制定、硬件研制、軟件研發、軟硬件集成和測試飛行等。

硬件方面： 研發機載/地面無人機監管單元、硬件接口協議以及飛行諸元(無人機位置、姿態參數)傳輸協議。在此基礎上，利用北斗短報文通信機制與鏈路，將無人機的飛行諸元實時回傳至監管中心數據庫，相關部門可以根據采集到的數據，利用軟件對無人機實施監控。

軟件方面： 設計并構建一系列無人機監管相關數據庫，實現數據的搜集和整理入庫； 研發軟件平臺，實現對無人機飛行監管前數據的注冊報批審核，飛行監管時的北斗數據接收、飛行軌跡可視化、違規報警、規劃調度以及飛行監管后的數據發布。主要涵蓋4個功能模塊： ①無人機資源與任務的注冊審批發布，實現飛行監管前數據的報批審核與資源統一管理； ②北斗數據接收，實現飛行諸元的實時接收； ③飛行任務監管，實現飛行監控與違規報警； ④資源規劃配置，實現無人機應急服務調度管理。

1.2 開發環境

按照監管平臺應滿足用戶廣泛性和數據保密性的要求，系統設計了外網B/S架構和內網C/S架構2部分，外網和內網的開發環境如表1—2所示。

表1 外網開發環境Tab.1 Development environment of the wide area network

表2 內網開發環境Tab.2 Development environment of the local area network

1.3 功能構成

系統功能構成如圖1所示。其中，外網平臺注冊、審核飛行監管前的無人機資源與任務數據以及發布飛行監管后的數據，并將數據同步更新至內網； 北斗一體機中的北斗模塊通過串口直接與內網監管平臺連接，實現無人機飛行諸元數據的傳輸； 內網平臺則通過匹配外網數據與北斗數據實現無人機飛行時監管功能以及三維可視化。

圖1 系統功能構成

1.3.1 注冊、審核和發布

系統設計了3類用戶： 未注冊用戶、注冊用戶和管理員，不同級別的用戶具有不同的權限。未注冊用戶通過外網平臺中的用戶注冊模塊注冊、審批成為注冊用戶。擁有無人機資源的注冊用戶進入資源注冊系統填報無人機資源信息(如基本信息、飛行平臺信息、飛控信息和擁有單位等)，用于無人機系統的登記統計及規劃管理； 計劃執行飛行任務的注冊用戶進入任務注冊系統填報任務信息(如任務范圍、飛行時間、飛行高度和所用無人機型號等)，報批飛行任務。管理員根據資源注冊信息的合法性、合理性和重復性以及任務注冊信息的空域審批、時間審批等條件，24 h內確認和審核注冊信息并反饋審核結果狀態。審核通過后,系統會為無人機和任務分配唯一的標識ID。審核通過的任務信息即可進行無人機飛行任務監管，審核未通過的則反饋存在問題。

完成飛行監管后，系統根據用戶注冊權限提供所有信息的匯總瀏覽、各項指標的介紹信息，共享無人機資源與任務數據以及飛行結果數據，相關部門可以有效掌控無人機的信息資源，以備優化配置并統一管理和調度。

1.3.2 北斗數據接收

如圖2所示，首先將機載無人機監管單元采集的飛行諸元數據和接收方ID的通信申請信號加密，并利用北斗短報文技術發送至北斗衛星； 然后，北斗衛星將信號以短報文方式轉發到地面無人機監管單元； 最后，地面無人機監管單元實時接收和解密短報文，并推送給無人機飛行監管軟件系統的數據接收模塊。

北斗數據接收軟件模塊操作流程為： 啟動無人機通訊設置，配置端口、波特率等硬件參數，完成北斗監管裝置的軟硬件連接； 點擊“跟蹤”啟動監管，當連接狀態顯示經緯度坐標信息時，表示數據接收成功； 點擊“斷開”則停止監管，當連接狀態顯示關閉時，表示數據接收失敗。

(a) 北斗數據接收流程 (b) 北斗數據接收模塊界面

圖2北斗數據接收邏輯流程與功能

Fig.2LogicalprocessandfunctionofBeidoudatareception

1.3.3 基礎功能

系統是基于自主研發的“神州遨游TopWorld”基礎平臺開發的三維可視化平臺，其基礎功能包括： ①圖層化管理,加/卸載監管區域的影像、地形等基礎數據以及管制區和飛行任務注冊范圍等無人機監管專題數據，控制數據的顯示模式； ②視圖,提供一系列基本瀏覽操作功能，包括旋轉、平移及縮放等； ③符號化表達,對系統中無人機等專題對象配置相應的符號； ④空間分析,提供空間距離量測和面積量測等功能。

1.3.4 飛行任務監管

在任務飛行過程中，借助北斗模塊獲取飛行諸元信息(如飛行瞬時空間位置、飛行航向及飛行速度等)并將其入庫，然后在監管平臺上進行三維實時監管、匹配預警和可視化分析。具體包括以下4方面內容：

1)一鍵啟動對所有任務的監管，可切換當天任務資源列表和在線資源樹形分布2種監管模式，通過動態監管面板顯示當前任務的基本信息和任務狀態信息，并在三維場景中疊加飛行任務注冊范圍和管制區范圍。

2)當接收到無人機飛行數據時，三維場景中顯示出無人機標識并實時繪制其飛行軌跡，可實時動態顯示飛行諸元信息并查看無人機的資源信息。

3)實時監管過程中，將飛行軌跡(或坐標)與飛行管制區域和任務注冊信息進行實時匹配，預警提示越界飛行、進入飛行管制區以及未注冊飛行等多種情況，出現違規現象時，無人機閃爍提示，并顯示和發送告警短信。

4)監管結束后，統計分析當天任務執行情況，生成統計文檔，如飛行時長、違規信息等內容。

1.3.5 資源規劃配置

系統的無人機資源與飛行任務注冊數據庫提供了大量的信息資源，因此，通過查詢統計等功能建立了一套應急服務調度流程，在此基礎上，通過對無人機資源規劃、配置和調度，為相關部門提供管理和決策支持。主要包括以下3個環節：

1)災害點的選取標注。主要采用符號標注的功能。

2)資源的綜合查詢和顯示。系統提供了基于語義和空間范圍2種查詢模式。語義查詢可以通過輸入行政區域和系統型號等進行精確查詢或模糊查詢； 空間查詢可按空間范圍或者按距災害點的空間距離進行設置查詢。查詢結果可通過彈出結果面板和表格記錄等方式進行瀏覽，并在三維場景中顯示。

3)調度方案生成。統計輸出查詢結果并生成調度方案，包括執行飛行任務的注冊用戶、無人機機型和飛行任務安排等。

2 系統應用

該系統在四川省、新疆維吾爾自治區和湖北省等多地進行了測試應用。本文僅以武漢市試驗為例介紹系統的應用流程。本次測試監管中心設在北京，共設計了3架無人機在武漢進行飛行試驗。

測試人員通過B/S客戶端完成用戶注冊并登錄B/S客戶端。在資源注冊模塊和任務注冊模塊分別完成無人機資源信息和飛行任務信息的注冊，提交信息進行審核； 審核通過后，分別自動生成標識無人機和任務的唯一ID號。

無人機資源和飛行任務注冊完成后，相關信息同步傳輸到C/S客戶端，監管用戶通過C/S客戶端對飛行任務進行監管。監管功能界面如圖3所示。

圖3 系統內網監管功能界面

從圖中可見區域三維地形地貌、注冊任務范圍、飛行軌跡和無人機標識等監管場景。根據北斗模塊獲取的飛行諸元信息，獲知在線的3架無人機狀態分別為越界并在禁飛區飛行、未注冊飛行和正常飛行，點擊單架無人機可以獲取該無人機的實時姿態信息及其報警信息。

本次試驗還全面測試了監管系統的功能和性能，包括注冊系統數據上傳、無人機飛行諸元實時傳輸的穩定性和可靠性以及無人機飛行監管的可靠性和可視化效果。監管平臺在數據接收過程中非常穩定，接收的數據未出現錯誤，可視化效果良好。

3 結論

基于北斗技術的無人機飛行監管系統通過對無人機資源與任務注冊、北斗飛行諸元接收、無人機飛行監管與告警、資源規劃配置等關鍵技術的研究和實現，并基于B/S和C/S框架實現了無人機系統注冊與監管功能。多地區的測試應用試驗表明：

1)系統可實現無人機資源與任務的注冊、審批以及共享，統一管理和唯一標識無人機資源任務，為飛行監管提供數據支撐。

2)可實現多架無人機飛行諸元的同時遠程傳輸與3D可視化，提供無人機的實時位置服務與姿態信息。

3)在中心節點可實現全局無人機飛行的實時監控和指揮，提供了無人機實時位置、飛行軌跡以及違規飛行報警信息，可聯系作業人員執行控制指揮。

4)通過資源規劃配置和管理為管理部門指揮調度和決策提供依據。

5)本監管系統首次將北斗通訊技術應用于無人機飛行監管，具有重要的應用價值。一方面，北斗導航衛星系統的引入解決了無人機飛行監管目前所面臨的系列問題，使得國家空管和科技部門能夠有效掌控無人機遙感網絡的信息資源，實時監管無人機飛行作業安全，實現資源的優化配置、統一管理和調度； 另一方面，基于北斗技術的無人機飛行監管系統的廣泛應用為北斗導航衛星系統的推廣提供了技術和硬件基礎，有利于其在無人機領域的扎根和快速發展。隨著我國民用無人機空管技術和管理機制的逐步形成，低空輕小型無人機的監管功能將會不斷得到完善。

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