5G時代無線電監測站無人機云平臺建設方案研究*

韓將星

（吉林省延邊朝鮮族自治州工信局無線電監測站，吉林 延吉 133000）

0 引 言

如今，4G技術已經成熟，5G初露鋒芒，人工智能（Artificial intelligence，AI）[1]、大數據[2]、云平臺[3]等行業風聲水起，人類社會即將迎來第七次信息革命——以5G通信技術為基礎的智能互聯網時代[4]。5G低時延、高可靠、大帶寬的特性，可形成泛在感知、泛在連接、泛在智能[5]，賦能民用無人機行業的大規模商業應用，進一步為我國無線電監測站的無人機應用與平臺建設帶來美好的前景。

近年來，隨著無人機系統技術的迅猛發展，無人機由視距內人工遙控器操作發展為超視距內遠程無人機云平臺網絡操作[6]，民用無人機的大規模應用成為未來的發展趨勢。2019年2月，全國已有包括U-Cloud、U-Care、飛云、大翼云以及“沃天宇”等在內的10家無人機云運營商取得了相應的運行資質。據BIIntelligence預測，2021年無人駕駛飛機銷售額將超過120億美元，消費無人機出貨量將達到2 900萬架，復合年均增長率為31.3%。目前，中國大約有400個無人機制造商，是全球70%的無人機需求市場的供貨商[7]。

面對上述民用無人機發展態勢，我國無線電監測站無人機監管與應用面臨諸多問題。

（1）目前，我國無線電監測站領域無人機應用方面，如系留多旋翼無人機監測平臺[8]、空中無線電監測系統組網定位方法[9]、基于空中監測平臺的無人機操作者定位系統[10]以及無人機偵測與攔截系統[11]等陸續登場。但是，現階段各地區無人機相關技術與應用處于初級階段，技術相對落后，各地區、各業務系統之間無法實現互聯互通，信息無法共享，形成了“信息孤島”[12]，遠不能滿足5G智能互聯網時代復雜多變的無線電環境監管需求。

（2）非法無人機“黑飛”[13]事件日益頻繁，造成民航、軍隊等社會各空域受到嚴重的干擾與威脅，對非法無人機的監管需求日益增加。例如，2017年4月14日、17日、18日，成都雙流國際機場遭3起“黑飛”無人機干擾，導致58個航班備降西安、重慶、貴陽和四川綿陽機場，4架飛機返航，超1萬名旅客出航受阻被滯留機場[14]。

（3）“黑廣播”[15]、偽基站等非法無線電傳播日益嚴重，傳統的地面監測手段對隱蔽性強[16]、微功率、寬頻段的快速干擾查找面臨諸多困難。

為解決上述問題，無線電監測站無人機云平臺建設方案應運而生。根據中國民航局2019年第一季度無人機云數據統計，運行在超低空空域（120 m以下）的無人機占96.5%，低空空域（1 000 m以下）的無人機占據99.9%[17]。參考國務院、中央軍委空管委《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》對輕小微型無人機的適飛空域高度定義以及民航最低安全高度要求，本文主要依據低空空域（含300 m以下的空域）無人機交通管理現狀與未來發展趨勢，提出了無線電監測站無人機云平臺建設方案。

1 現階段無線電監測站無人機云平臺方案

為了規范民用無人機的運行，2015年12月中國民用航空局（簡稱民航局）飛行標準司下發了《輕小無人機運行規定（試行）》咨詢通告。該咨詢對民用無人機進行分類，如表1所示，并明確了民用無人機的運行監管（使用電子圍欄、無人機云等）、對無人機云提供商的要求等，對Ⅲ類以上無人機以及部分Ⅱ類、Ⅴ類無人機提出了接入無人機云系統的要求，在人口稠密區報告頻率最少每秒一次，在非人口稠密區報告頻率最少每30 s一次，且具備數據續傳功能[18]。

表1 無人機運行管理分類

為了更好地促進行業發展，民航局頒布了《無人機云系統接口數據規范》MH/T 2009-2017行業標準[19]，并研制了無人機云數據交換平臺[20]，實現了同一空域下全國多個無人機云系統數據共享，注冊無人機互相可見，提升了中國中低空飛行安全。目前，我國主要有民航局飛標司批準的各家無人機云系統和民航局空管辦主導開發的無人機交通管理信息服務系統，如圖1所示。如圖2所示，無人機云系統通過無人機云交換系統進行信息交互。無人機云交換系統通過數據分發，實現各云系統之間的數據互相交換，并記錄存儲與共享，并在民航局無人機交通管理信息服務平臺下實行統一集中化管理。無人機云系統提供無人機禁飛區查詢、身份識別、數據統計、電子圍欄、動態監視、軌跡回放以及告警與通知等功能。無人機云交換系統提供飛行信息服務、飛行計劃申請、審批以及放飛授權等信息交換功能。

水泥混凝土及瀝青混凝土是公路施工主要用料，不同施工材料應用于實際施工中各有劣勢及優勢。針對于路面施工質量而言，混凝土自身存在一定要求，可降低施工成本、縮短工期，所以裂縫的情況很少會出現。除此之外，瀝青混凝土路面施工中，不當的材料選擇必定影響到建筑周期[1]。總體上來說，因受到季節因素的影響以及施工條件自身較為嚴格，必然會影響后續施工的進行，會出現很多問題。水泥混凝土施工容易出現裂縫的情況，自身有穩定性高的特點，嚴重影響后續施工。另外的一個關鍵性影響因素是施工中的路面硬化問題。例如：當施工中混合材料瀝青含量低，則會造成路面位置移動、路面坑洞以及膨脹等問題，對施工的質量及進度產生嚴重影響。

圖1 現階段低空無人機交通管理框架

圖2 現階段無線電監測站無人機云平臺方案

根據目前我國低空無人機交通管理信息服務管理框架，提出了現階段我國無線電監測站無人機云平臺建設方案，如圖2所示。可以看到，運營商云平臺的民用無人機系統與無線電監測站云平臺的無人機系統，通過無人機管控數據鏈路（4G、5G網絡等）把無人機系統實時數據傳送給民航局無人機交通管理信息服務平臺的無人機云系統，再通過4G、5G網絡把實時數據傳送到各自的無人機云平臺系統。運營商與監測站無人機云平臺系統如無人機遙控器、移動監測車控制指揮中心以及固定監測站控制指揮中心等，通過指揮和控制通信數據鏈路如4G、5G網絡、衛星、地面站和移動站等進行實時控制指揮。監測站無人機云系統與監測站監測網云系統[21]之間，以深度數據融合協作方式實現無線電干擾信號查找等日常業務工作。

大數據時代的云計算、云存儲、云管理都是通過大型遠程云服務器來支撐。隨著互聯網技術的發展，網絡空間不受資源環境制約，突破了時空約束，打破了行政區域邊界限制[22]，創造了統一的信息物理空間，使得各種云服務器之間的融合與互聯互通變得更加便捷。所以，不同空間的云服務器平臺可以理解成一臺大型混合云服務器。圖2中把各類云平臺系統連接表示在一臺無人機云服務器也是這個道理。

各地區無人機云系統應用采用混合云模式（如圖3所示）。

圖3 各地區監測站無人機云平臺統一化管理混合云架構

實現各類無人機云服務（運營商云、航空云等）系統之間的數據交換與各地區監測站無人機云平臺統一化的高效管理，并且通過4G、5G基站、衛星[23]、地面站、衛星便攜終端、移動監測車以及監測網云等互聯網技術，實現不同無人機系統及各種傳感設備之間的互連互通，如圖4所示[24]。該方案的實施不僅可以打破當前“信息孤島”所帶來的融合技術上的缺陷，而且極大地提升了大數據時代我國無線電監管工作的效率。

圖4 無線電監測站無人機系統工作流程

2 未來無線電監測站無人機云平臺方案

隨著無人機技術的迅猛發展與大規模應用，民航局監管的民用無人機數量和運行數據呈現井噴式增長，給傳統的民航局數據管理方式帶來了極大挑戰。因此，2019年我國也提出了自己的無人機運行管理（UAV Operation Management，UOM）系統框架，如圖5所示[17]。可以清楚看到，我國的無人機系統由國家無人機綜合監管平臺統一集中化管理。

2019年初，中國民航局飛標司、適航司和空管辦聯合發布了《特定類無人機試運行管理規程》（AC-92-01），針對特定類行業級無人機應用啟動無人機空中交通空域管理、流量管理、飛行管制與風險評估等的研究與試點，未來低空無人機交通管理框架如圖6所示。

圖5 中國無人機運行管理（UOM）框架

圖6 未來低空無人機交通管理框架

根據未來中國無人機運行管理系統框架，提出了我國無線電監測站無人機云平臺建設方案，如圖7所示。與現階段不同的是，國家無人機綜合監管平臺重點負責無人機的飛行監視、交通管制、信息服務和飛行計劃等，且無人機云交換系統、無人機實名登記系統均屬于國家無人機綜合監管平臺的子系統，這些功能和模塊均統一由政府部門提供。無人機云系統升級為無人機交通服務系統，無人機交通服務系統之間可通過區域間信息共享和無人機云交換系統的輔助協同，并與有人機空中交通管理系統進行協同，最終達到實現低空無人機空中交通管理的目的。未來我國無線電監測站無人機云平臺與其他監管部門無人機云平臺[25]之間的協作關系模型，如圖8所示。

圖7 未來無線電監測站無人機云平臺方案

圖8 無線電監測站無人機云與其它監管部門協作關系模型

3 無人機云平臺相關技術應用

3.1 5G移動通信技術應用

Massive MIMO[27]技術具有豐富的空間自由度，可實現信號的立體覆蓋，吻合了無人機通信網絡的三維性質，可以精準定位無人機的空中網絡節點[28]。網絡分片[29]技術的靈活應變能力，能夠滿足無人機多種業務的差異化應用需求，達到優化網絡、降低成本、提高資源利用效率的目的。智能邊緣計算[30]技術可以很好地改善遠程云端與邊緣通信之間的網絡延遲問題，形成邊云協同的泛在智能網絡，可實現智能化所需的數據高效連接，從而極大程度地豐富空中無人機的智能化應用場景。

3.2 無人機集群產生背景與應用

有著“空中機器人和協作機器人鼻祖”之稱的韋杰·庫瑪（Vijay Kumar）曾提出“5S”理論[31]，認為空中機器人會朝著微型、安全、智能、快速和集群方向發展。面對日益復雜的應用環境和多樣化需求，單架無人機受自身硬件、燃料等多方面條件的限制，已無法實現對任務區域的多維度、大范圍覆蓋。當執行高風險任務時，單架無人機可能因為受到攻擊或自身故障而失效，從而導致任務系統容錯性不足等。為此，無人機應當以集群的方式協同工作，即由多架相同或不同型號的無人機組成無人機集群，協同作業，共同完成任務，最終讓個體之間協同配合，發揮1+1＞2的集體作用[32]。

3.2.1 查找黑廣播、偽基站方面的應用

在城市高層建筑密集區，由于無線電信號在地面傳播時受到反射、折射等介質的影響，使地面監測很難快速準確地定位信號源；有些黑電臺搭在幾十公里以外的山區，這時候如果想準確定位，多數情況下利用空中組網定位方式，且兩個測試點距離10 km以外是基本要求；有些非法電臺、偽基站搭在移動車輛或無人機上，這時候很難利用地面監測設備快速定位查除。遇到以上幾種情況時，利用無人機云平臺技術，可以使多架無人機協同作戰、與地面監測網云進行實時數據共享與融合，從而快速定位查除信號源。

3.2.2 重大活動保障或者考試保障方面的應用

重大活動、考試保障時，無人機云平臺可以派遣多架偵查無人機在周圍空域進行盤旋監測。如果遇到異常信號，多架無人機集群第一時間進行快速協同定位，并根據信號源情況，快速派遣相應的反制型無人機進行壓制，可大幅度提高保障效率。

3.2.3 查找、寬頻、微功率干擾源方面的應用

隨著5G等移動通信技術的發展，不斷涌現出隱蔽性強、寬頻和微功率干擾源，使得地面監測手段由于受到建筑物等介質的影響而很難快速進行定位查除。比如，方向性對地、對空發射天線衛星干擾源[33]、寬頻微功率通信鏈路非法無人機等干擾源或隱藏在高層建筑內的微功率干擾源時，無人機集群利用高空組網定位、電平值逐步逼近目標方式等方法，可快速查除信號源。

3.2.4 反制非法無人機應用方面

近年來，非法無人機[34]“黑飛”事件日趨嚴重，影響社會的安寧。為此，對非法無人機監管[35]技術的要求不斷加重，對無線電空中監管工作帶來了很大挑戰。無人機云平臺技術可有效解決此類問題，如同一時刻遇到多架非法無人機“黑飛”，通過地空監測手段（如雷達探測、無線電信號探測、光電跟蹤以及聲波識別等）[36]的數據融合，可迅速認知、判斷、定位并跟蹤目標方位，從而派遣反制（如捕網槍、無人機捕網、熱武器或激光炮、信號干擾、信號欺騙、聲波干擾、無人機信號劫持以及黑客技術等）無人機或地面反制手段進行壓制。

綜上所述，無線電監測站無人機云平臺可以有效解決各類空中無線電監管問題，減少人力資源消耗，大幅度提高工作效率。

4 結 語

如今，無人機云平臺技術廣泛應用于公共安全、基礎設施建設、環境監測、線路巡檢、能源勘探、農林作業、邊境巡邏、治安反恐以及遙感測繪等行業，出現了如U-Cloud、U-Care、飛云、北斗云BD-Cloud、大翼云以及“沃天宇”等無人機云服務商。目前，從無人機云行業服務商的技術應用領域來看，每家服務商都有自己的技術領域特點，沒有一家能夠在所有技術領域表現得完美。因此，建議與多家無人機云服務商進行技術協作與共享，開發出適合無線電監測站應用領域的無人機綜合管理PaaS云平臺系統，實現全國各地區無線電監測站無人機系統應用領域的統一智能化科學管理。例如：使用U-Cloud、U-Care以及“沃天宇”3家不同的無人機云系統服務時，無線電監測站無人機PaaS云平臺可以擔任3家無人機云基礎設施平臺與監測站無人機應用系統之間的橋梁，即擔任數據交換平臺（公有云）的作用，混合并匹配適合監測站無人機云系統應用的其他平臺。無線電監測站無人機PaaS云平臺也可以IaaS的方式，專門為無線電監測站定做的無人機系統提供無人機云平臺服務，擔任私有云的作用。各地區無線電監測站的無人機云系統應用上，無人機綜合管理云平臺系統以SaaS方式給各地區監測站提供相應的無人機云系統應用軟件及維護。

為應對現階段及未來電磁環境變化趨勢，更好地維護空中無線電秩序，本文以5G智能互聯網時代為技術背景，提出了現階段的各種問題點，根據現階段我國低空無人機管理狀況及未來發展趨勢，提出了我國無線電監測站無人機云平臺（Platform as a Service，PaaS）建設方案，并闡述了相關技術應用，并對該方案的實施提出了建議。該方案的實施不僅對現階段的黑廣播、非法無人機“黑飛”、考試保障以及空中微功率干擾源快速查找等多領域監測與反制具有舉足輕重的實效性，而且對未來無線電監測站的空中電波秩序監管具有重要的指導意義。