基于北斗與5G技術(shù)的農(nóng)業(yè)植保無人機運行監(jiān)管架構(gòu)設(shè)計*

胡小蒙，王子楷，趙婧冰

（中國民航大學(xué)，天津 300300）

1 項目背景

我國為農(nóng)業(yè)大國，無人機航空植保具有廣闊發(fā)展空間與應(yīng)用前景。農(nóng)業(yè)植保無人機低空、低量施藥作業(yè)比傳統(tǒng)地面機械或人力噴灑作業(yè)具有效率更高、勞動強度更小的優(yōu)點;比大型飛機施藥作業(yè)成本更低，能滿足高效農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。隨著信息通訊、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機硬件已日趨小型化、智能化、低成本化、低功耗化，進而引發(fā)了一股無人機熱，但在已經(jīng)到來的無人機浪潮中，飛行安全受到了巨大的挑戰(zhàn)，對于無人機監(jiān)管運行系統(tǒng)的需求愈發(fā)凸顯。無人機運行監(jiān)管體系建立的基礎(chǔ)是無人機飛行信息（包括位置、三維航跡等）的獲取；無人機運行監(jiān)管體系建立的核心是無人機沖突探測與解脫；無人機運行監(jiān)管體系建立的標(biāo)志是一個成熟的軟件平臺。本團隊將從這三個切入點對無人機監(jiān)管運行系統(tǒng)的建立進行相關(guān)探索，進一步推動無人機運行規(guī)范化、有序化，促進我國無人機監(jiān)管運行服務(wù)的發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 無人機運行監(jiān)視技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)無人機屬于低空慢速小目標(biāo)（以下簡稱“低慢小”目標(biāo)）的一類，國內(nèi)外對于此類目標(biāo)的運行監(jiān)測研究較多，按照其運行監(jiān)測思路可大致分為地面基站主動搜索（以雷達技術(shù)為代表）與無人機自動廣播（以ADS-B技術(shù)為代表）兩類。

雷達技術(shù)方面，文獻[1]提出了一種基于微多普勒分析的檢測方法；文獻[2]提出了一種基于雜聲白化處理的MTD檢測新方法。但由于實際運行中雜波環(huán)境復(fù)雜等問題，利用雷達對于“低慢小”目標(biāo)進行探測仍然具有一定難度。

除了雷達技術(shù)，激光探測技術(shù)與光電探測技術(shù)也是屬于地面基站主動搜索一類。文獻[3]設(shè)計了基于激光探測技術(shù)的“低慢小”目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。文獻[4]研制了基于光電探測的“低慢小”目標(biāo)的光電系統(tǒng)。上述方案對設(shè)備精度及氣象條件要求較高，探測范圍有限且成本高，不利于系統(tǒng)的推廣以及復(fù)雜環(huán)境下的運行。

借鑒現(xiàn)有民航空中交通管理的成熟體系，無人機自動廣播其自身信息將實現(xiàn)無人機運行監(jiān)測的規(guī)范化運行。文獻[5]根據(jù)我國低空空域管理現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于北斗RDSS和ADS-B技術(shù)的無人機空管系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，為低空空域無人機的安全飛行提供了一種技術(shù)保障手段。文獻[6]基于北斗和ADS-B技術(shù)設(shè)計了一套裝載在無人機上的運行監(jiān)測模塊，以及對無人機進行定位以及管理的無人機監(jiān)視管理系統(tǒng)。文獻[7]通過分析得到監(jiān)視誤差主要由GPS接收機誤差、數(shù)據(jù)鏈誤差和系統(tǒng)延時誤差組成。

2.2 無人機運行監(jiān)管系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，世界范圍內(nèi)對無人機，尤其是消費級無人機的管控政策存在較大的差異。以美國為代表，美國現(xiàn)在已經(jīng)開始實行實名注冊制度，并且相關(guān)的無人機運行管理系統(tǒng)，如LATAS已經(jīng)開始接受項目（FAA“Pathfinder”和NASA“UTM”）測試。我國部分地區(qū)也已經(jīng)開始實行無人機實名登記的政策[8]，相關(guān)的管理系統(tǒng)，諸如優(yōu)云系統(tǒng)也取得了一定的成果。

通過對表1與表2的分析，國外研制的軟件記錄數(shù)據(jù)相對全面、性能穩(wěn)定可靠。相比之下國內(nèi)無人機管理系統(tǒng)仍存在許多不足，如監(jiān)視數(shù)據(jù)獲取需加裝U-Box，降低了無人機有效載荷；依賴于單一監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈，無法保證監(jiān)視數(shù)據(jù)的穩(wěn)定有效；缺乏實時危險探測功能[9]。

表1 國外無人機運行管理系統(tǒng)

表2 國內(nèi)無人機運行管理系統(tǒng)

針對上述研究，項目團隊提出了一種以基于北斗與5G的飛行信息共享技術(shù)，以一款軟件平臺實現(xiàn)可視化無人機監(jiān)管運行的架構(gòu)，實現(xiàn)對無人機飛行數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視以及管理，進一步推動無人機運行規(guī)范化、有序化，促進我國無人機監(jiān)管運行服務(wù)的發(fā)展。

3 架構(gòu)實現(xiàn)

3.1 飛行信息共享技術(shù)

無人機沖突探測與規(guī)范管控的前提是無人機能夠監(jiān)視，在無人機運行監(jiān)管體系的構(gòu)建中，最理想的飛行信息獲取方式是類似ADS-B技術(shù)的合作式方式：自動通過機載的導(dǎo)航設(shè)備來獲得本機的實時位置、高度、飛行速度等信息，并以全向廣播方式發(fā)送信息，以實現(xiàn)設(shè)備間交流共享。但傳統(tǒng)的ADS－B技術(shù)有兩個缺陷：

（1）定位系統(tǒng)單一：無人機的發(fā)展已經(jīng)進入智能化階段，在實際運用中被賦予諸多重要任務(wù)，在這些任務(wù)中不乏高密度機組飛行以及復(fù)雜城市空間內(nèi)的飛行，其運行環(huán)境等條件對無人機位置信息的精度要求較高。目前ADS-B技術(shù)的定位信息由GPS提供，受制于技術(shù)水平、相關(guān)政府政策等條件，目前GPS提供的定位精度并不能滿足未來無人機運行的要求。文獻[7]通過分析得到ADS-B技術(shù)的監(jiān)視誤差主要由GPS接收機誤差、數(shù)據(jù)鏈誤差和系統(tǒng)延時誤差組成。

（2）通信技術(shù)落后：通信技術(shù)在ADS-B技術(shù)上的應(yīng)用主要分為：

a.在定位系統(tǒng)內(nèi)，用數(shù)據(jù)鏈連接用戶設(shè)備和數(shù)據(jù)中心；b.在上/下行鏈路中傳播飛行信息數(shù)據(jù)。

基于以上分析，構(gòu)建了“飛行信息共享體系”，采取類ADS-B的方式，并采納了北斗技術(shù)與5G技術(shù)，以提高在通信、定位方面的能力。圖1展現(xiàn)了該體系的構(gòu)架。

圖1 飛行信息共享體系

該體系由發(fā)送模塊與接收模塊組成，發(fā)送模塊含：數(shù)據(jù)采集模塊、信息編碼模塊、調(diào)制驅(qū)動模塊、5G信號發(fā)送驅(qū)動模塊；接收模塊含：5G信號接收驅(qū)動模塊、解調(diào)校驗?zāi)K、信息解碼模塊。各模塊功能介紹如下：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：利用機載傳感器設(shè)備采集無人機設(shè)備的實時飛行信息，包括四維航跡、氣壓溫度等數(shù)據(jù)，并將上述信息打包發(fā)送至信息編碼模塊。

（2）信息編碼模塊：將飛行信息數(shù)據(jù)編碼為特定格式的幀，并通過UDP報文傳輸至調(diào)制驅(qū)動模塊。

（3）調(diào)制驅(qū)動模塊：將編碼數(shù)據(jù)由二進制轉(zhuǎn)為復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，并將復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖碼后調(diào)制為5G信號。

（4）5G信號發(fā)送驅(qū)動模塊：將經(jīng)過調(diào)制后的5G信號發(fā)送至功率放大器放大，并驅(qū)動發(fā)射天線發(fā)射5G信號。

（5）5G信號接收驅(qū)動模塊：驅(qū)動接收天線接收5G信號，并獲取經(jīng)過低噪聲信號放大器放大后的5G信號。

（6）解調(diào)校驗?zāi)K：將5G信號解調(diào)為有效的連續(xù)脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)為特定格式的幀，并根據(jù)前導(dǎo)脈沖的相關(guān)檢測算法判斷幀的有效性，經(jīng)校驗后有效的幀通過UDP報文傳輸至信息解碼模塊。

（7）信息解碼模塊：對通過UDP報文接受到的幀進行規(guī)范解碼，將其轉(zhuǎn)化為飛行信息數(shù)據(jù)。

目前，北斗技術(shù)已具備在全國范圍內(nèi)提供厘米級，后處理毫米級高精度定位基本服務(wù)能力，結(jié)合5G通信技術(shù)高速率、低延時、超高密度連接等特點，該飛行信息共享體系能夠幫助無人機設(shè)備實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速確定自身飛行信息并交流共享。該飛行信息共享體系還得益于北斗技術(shù)特有的短報文功能與5G技術(shù)的D2D鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)普通移動通信信號不能覆蓋地區(qū)與大規(guī)模機隊機群的飛行任務(wù)，完善了該系統(tǒng)的應(yīng)用情景，探索了無人機監(jiān)管運行體系的進一步覆蓋。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一款基于北斗與5G的無人機監(jiān)管運行服務(wù)架構(gòu)平臺（下稱“平臺”）的軟件框架（如圖2），該架構(gòu)將北斗定位、5G通信等技術(shù)融入，并添加飛行信息管理、沖突預(yù)警等功能，具有一定可行性。

圖2 無人機監(jiān)管運行服務(wù)平臺軟件框架圖

3.2.1 平臺服務(wù)對象

該平臺面向無人機所有個人/企業(yè)、飛行操縱者（下稱“飛手”）、空域管理員、飛行計劃審批員、飛行調(diào)度員、平臺管理員等不同用戶類型開放，相應(yīng)職能如下：

（1）無人機所有個人/企業(yè)：購買及注冊對應(yīng)無人機的擁有者，可將該機飛行權(quán)限授權(quán)于飛手。

（2）飛手：獲取無人機單次或長期飛行權(quán)限的操縱者，在執(zhí)行飛行任務(wù)前需通過平臺提交飛行計劃，經(jīng)批準(zhǔn)后在規(guī)定時間內(nèi)飛行作業(yè)。

（3）空域管理員：在指定分配的空域內(nèi)進行流量監(jiān)控、預(yù)報等。

（4）飛行計劃審批員：通過平臺接收飛行計劃申請，依照規(guī)章、環(huán)境條件、流量預(yù)測等進行無人機放行。

（5）飛行調(diào)度員：確保各無人機在獨立不受干擾情況下完成起飛地至降落地的飛行任務(wù)，在沖突預(yù)測及解脫規(guī)劃后與飛行操縱方溝通。

（6）平臺管理員：作為平臺監(jiān)管方，統(tǒng)籌管理上述所有類型賬戶信息。

3.2.2 平臺軟件架構(gòu)

平臺軟件按服務(wù)需求分為注冊登錄、平臺服務(wù)兩大界面。

注冊登錄界面承擔(dān)用戶身份注冊、核實登錄兩個功能，并對應(yīng)后端身份信息庫。注冊時，需填寫用戶類型、用戶名、密碼、聯(lián)系方式等通用信息及不同用戶類型專有信息。登錄時，鍵入信息與身份信息庫內(nèi)對照一致，方可進入平臺服務(wù)界面。

在平臺服務(wù)界面中，提供用戶中心、權(quán)限管理、設(shè)備管理、飛行計劃、飛行空域信息、氣象信息、飛行沖突規(guī)劃七則功能頁。用戶中心頁可進行個人信息管理、修改、確認(rèn)，并替換身份信息庫內(nèi)對應(yīng)內(nèi)容。該頁面同時提供查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計、日志管理、錯誤查詢等用戶信息。權(quán)限管理頁為不同類型用戶提供不同服務(wù)，如無人機所有者及飛手在該頁面進行飛行權(quán)限交接、各類管理人員在該頁面進行所屬權(quán)限的管理控制。設(shè)備管理頁中，無人機所有者、飛手能夠進行飛行器設(shè)備的綁定、解綁及信息修改。飛行計劃頁為飛手進行飛行計劃申請、飛行計劃審批員進行申請的批準(zhǔn)或駁回，計劃包括起飛地、降落地、飛行器編號及型號、飛行時段及時間、預(yù)定路線等詳細(xì)信息。飛行空域信息頁可查看不同空域?qū)崟r情況，用戶根據(jù)提供的信息判斷流量情況，選擇合適時間執(zhí)行或批準(zhǔn)飛行任務(wù)。氣象信息頁提供與飛行相關(guān)的實時氣象參數(shù)，對未來時刻氣象情況進行預(yù)報，對計算飛行適宜度進行計算。正在執(zhí)行飛行任務(wù)的無人機用戶，將通過平臺傳輸實時飛行數(shù)據(jù)，平臺依此計算同一或相鄰空域內(nèi)的無人機的預(yù)定飛行軌跡是否存在沖突。對于存在的沖突，平臺利用特殊算法進行規(guī)劃，給出沖突解脫的最佳路徑，通過飛行沖突規(guī)劃頁實時傳輸至飛手用戶。

4 結(jié)束語

本文基于5G與北斗的定位傳輸模塊通過應(yīng)用新興技術(shù)，實現(xiàn)了功能的穩(wěn)定升級，得到了更加精確授時定位，從而獲取了更加準(zhǔn)確的飛行信息，為監(jiān)管運行架構(gòu)提供了信息基礎(chǔ)。無人機監(jiān)管運行服務(wù)平臺軟件的搭建對于探索實踐無人機監(jiān)管運行具有建設(shè)性意義，同時該軟件平臺能夠吸收諸多不同技術(shù)，可逐步完善成為一款功能強大、應(yīng)用廣泛且能夠高效解決實際應(yīng)用場景中無人機沖突解脫問題的無人機運行監(jiān)管平臺。