基于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)空中管制技術(shù)*

唐毅 王征 謝志明 劉肩山

1．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2．石家莊工程職業(yè)學(xué)院

針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用中存在的監(jiān)管難的問(wèn)題，研究了利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行空中管制的可行性，提出了需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。在文中分別對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控功能、任務(wù)規(guī)劃功能、故障判斷處理進(jìn)行和低空智能組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過(guò)本文的研究，可為無(wú)人機(jī)在城市空間安全高效的開(kāi)展作業(yè)提供參考。

由于無(wú)人機(jī)具有的諸多優(yōu)勢(shì)，在軍事、民用和科研的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。未來(lái)無(wú)人機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用將改變未來(lái)人類(lèi)社會(huì)的生活模式，其在城市應(yīng)用中的需求會(huì)越來(lái)越大、應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。但是，現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)應(yīng)用大部分都停留在可視范圍內(nèi)，難以充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)的空間、時(shí)間以及成本優(yōu)勢(shì)。隨著無(wú)人機(jī)在城市應(yīng)用的不斷拓展，越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)將在復(fù)雜的城市空間開(kāi)展作業(yè)任務(wù)，如何對(duì)城市空間的無(wú)人機(jī)進(jìn)行合理和高效的管制將是未來(lái)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)所在。

1 無(wú)人機(jī)空中管制現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈分為上行和下行數(shù)據(jù)鏈路。上行數(shù)據(jù)鏈主要負(fù)責(zé)任務(wù)載荷命令、遙控指令、空中飛行線(xiàn)路的控制指令等信號(hào)的傳輸；下行數(shù)據(jù)鏈主要進(jìn)行圖像視頻信號(hào)以及飛行狀態(tài)信號(hào)的傳輸。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，4G通信技術(shù)取得了重大的進(jìn)步，從2010年開(kāi)始，逐步在全球范圍內(nèi)投入商業(yè)使用，到目前，已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，基本實(shí)現(xiàn)了世界范圍內(nèi)的無(wú)縫連接，能夠完成遙測(cè)遙控以及語(yǔ)音、圖像、視頻的及時(shí)傳輸。以此為基礎(chǔ)，將4G甚至5G移動(dòng)通信技術(shù)與無(wú)人機(jī)控制相結(jié)合，可極大的拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用空間。

2 無(wú)人機(jī)空中管制需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)人機(jī)測(cè)控功能研究

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要分為測(cè)控與通信系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)、飛行器系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)以及指揮控制系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)主要分為地面測(cè)控系統(tǒng)和機(jī)載測(cè)控終端兩部分，屬于整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分之一，其性能好壞直接影響整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

目前主流無(wú)人機(jī)基本都采用專(zhuān)用的無(wú)人機(jī)通信數(shù)據(jù)鏈路。圖1表示的是傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)測(cè)控示意圖。其中地面控制站利用專(zhuān)用通信數(shù)據(jù)鏈路向無(wú)人機(jī)發(fā)送控制命令，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)很小。

圖1 傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)測(cè)控Fig.1 Traditional UAV MAC network

當(dāng)用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代專(zhuān)用的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，控制命令要先到達(dá)移動(dòng)基站再轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)人機(jī)，會(huì)增大通信時(shí)延和抖動(dòng)，給操作者造成不小的挑戰(zhàn)。在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)控管理時(shí)，必須要充分考慮通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延這一因素。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)用來(lái)替代專(zhuān)用的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路必須要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是時(shí)延對(duì)于“人在回路”系統(tǒng)的影響。將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為通信數(shù)據(jù)鏈路的無(wú)人機(jī)測(cè)控圖如圖2所示。

圖2 基于通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)測(cè)控Fig.2 UAV MAC based on communication

2.2 無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃功能

在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行航路規(guī)劃時(shí)，必須考慮各種環(huán)境因素及人為因素對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為通信數(shù)據(jù)鏈路，環(huán)境和地形所起到的干擾，以及高樓建筑對(duì)通信信號(hào)造成的阻擋和遮蓋，都會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在信號(hào)薄弱區(qū)域無(wú)法接收到地面控制站的指令。同時(shí)，惡劣天氣和磁場(chǎng)使無(wú)人機(jī)位置偏離，也會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)的規(guī)劃造成影響。

2.3 無(wú)人機(jī)故障判斷處理

無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些故障現(xiàn)象。這些故障輕則導(dǎo)致部分功能缺失，重則導(dǎo)致飛機(jī)墜落。如果在人群稠密區(qū)執(zhí)行作業(yè)的無(wú)人機(jī)發(fā)生墜落事件，很可能會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人生安全事故。所以應(yīng)該對(duì)無(wú)人機(jī)的故障進(jìn)行及時(shí)判斷以及采取相應(yīng)的處理措施，保證無(wú)人機(jī)作業(yè)的安全性。

2.4 低空智聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)

低空智聯(lián)網(wǎng)是在低空空域（通常3000m以下）依托移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及地面互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建適合低空業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向低空的延伸，低空智聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展低空飛行器行業(yè)應(yīng)用最重要的基礎(chǔ)設(shè)置，對(duì)打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新興產(chǎn)業(yè)具有重要意義。在低空智聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的低空業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低空飛行器可觀測(cè)、可規(guī)避、可控制，是構(gòu)建低空管理體系的重要一環(huán)。

3 對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究及改進(jìn)措施

3.1 通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延研究及改進(jìn)

在4G通信網(wǎng)絡(luò)中，端對(duì)端時(shí)延為50～100ms，且總體的波動(dòng)變化幅度不大。如果采用5G通信網(wǎng)絡(luò)，則端對(duì)端時(shí)延為5～10ms，縮短為4G的十分之一，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的實(shí)時(shí)控制。

對(duì)于4G通信鏈路中的傳輸時(shí)延問(wèn)題，可以通過(guò)狀態(tài)預(yù)測(cè)算法來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，通過(guò)監(jiān)控駕駛員的輸入和無(wú)人機(jī)的相應(yīng)狀態(tài)，以此來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，這種方法能夠迅速的觀察到輸入量帶來(lái)的影響，并以此確定下一步的操作，提高無(wú)人機(jī)的操控品質(zhì)，最終使得駕駛員利用4G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的超視距控制。

3.2 無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃功能研究

無(wú)人機(jī)的航線(xiàn)規(guī)劃是指在有限時(shí)間內(nèi)生成到達(dá)目標(biāo)的有效航線(xiàn)，其中，規(guī)劃出的航線(xiàn)必須滿(mǎn)足可行性、安全性、低代價(jià)性、低碰撞性、可飛性等特點(diǎn)。針對(duì)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量研究，傳統(tǒng)經(jīng)典算法中有動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、導(dǎo)數(shù)相關(guān)法、和最優(yōu)控制法，而隨著人工智能的發(fā)展，大量的智能算法被應(yīng)用于航跡規(guī)劃并取得了顯著效果，例如Dijkstra's算法、A*搜索算法、遺傳算法、群體算法等。

這些研究都著重于算法本身，并未針對(duì)城市空間無(wú)人機(jī)飛行的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析。相比較于傳統(tǒng)的民航航線(xiàn)，無(wú)人機(jī)在城市空間的航線(xiàn)應(yīng)與城市自身的規(guī)劃和布局相結(jié)合。當(dāng)無(wú)人機(jī)介入城市空間當(dāng)中，就相當(dāng)于將平面化的城市空間領(lǐng)域縱向的拉伸了，將傳統(tǒng)的二維平面空間拓展為立體的三維空間，會(huì)導(dǎo)致空間分布會(huì)發(fā)生一系列的變化，空間將會(huì)分為數(shù)個(gè)不同的層面。此時(shí)將城市空間分層與城市模型組合成如圖3所示的無(wú)人機(jī)城市模型，就可以在保證城市空間安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)城市空間航線(xiàn)的合理規(guī)劃。

圖3 無(wú)人機(jī)城市空間模型Fig.3 UAV urban space model

針對(duì)城市布局特點(diǎn)建立無(wú)人機(jī)城市空間模型，基于城市建筑密度將城市空間分層，其分層依據(jù)以下規(guī)則：

(1)按城市空域按高度分成多層平面。

(2)根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行速度的快慢劃分不同的使用通道。

(3)根據(jù)無(wú)人機(jī)體積大小劃分不同的平面。

(4)空間內(nèi)設(shè)置可供無(wú)人機(jī)起降的平臺(tái)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用到城市中時(shí)，現(xiàn)代城市中尚未完全利用的垂直空間將得到充分的利用，將現(xiàn)代社會(huì)的二維平面活動(dòng)空間拓展為三維立體空間，可以極大的增強(qiáng)城市的承載力。如在垂直空間上規(guī)劃無(wú)人機(jī)通道；利用低于24m建筑屋頂安裝無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)及充電設(shè)備；在建筑立面上與結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)?？繖C(jī)位；每隔一定距離安置無(wú)人機(jī)飛行監(jiān)控設(shè)備等。這些對(duì)垂直空間的利用，塑造了城市垂直空間的形態(tài)，成為了城市空間的重要部分，彌補(bǔ)了現(xiàn)在城市垂直空間的空白，并且將影響以后城市的發(fā)展。比如可以將城市空間依高度劃分為24m以下，24m到100m，100m以上三個(gè)空間段，用做不同的無(wú)人機(jī)飛行通道，并設(shè)置通道換飛空間節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)有序地進(jìn)行空間高度的升降。

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的深入研究，可以根據(jù)城市具體布局規(guī)劃無(wú)人機(jī)航線(xiàn)，解決以往無(wú)人機(jī)在城市上空黑飛、亂飛、隨意飛行給城市帶來(lái)的危害，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在城市空間的安全可靠運(yùn)行提供保障，在保證城市安全的基礎(chǔ)上不斷開(kāi)發(fā)城市低空空域資源，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷拓展和便利城市的發(fā)展。

3.3 無(wú)人機(jī)故障處理

(1)GPS故障處理。在城市空間執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)，由于城市建筑及電磁輻射等原因，容易導(dǎo)致GPS信號(hào)弱或者丟失GPS信號(hào)。相對(duì)GPS定位來(lái)講，基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)定位技術(shù)雖然其精度還有一定差距，但可作為一種補(bǔ)充定位方式。當(dāng)GPS信號(hào)弱或者丟失GPS信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行定位，可以保證無(wú)人機(jī)作業(yè)任務(wù)的順利進(jìn)行。

除了采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，還可以采取在無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)加載城市三維地圖的形式，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維數(shù)字地圖與GPS聯(lián)合導(dǎo)航的模式，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)在城市空間的定位能力與定位精度。

(2)迫降及墜落故障處理。無(wú)人機(jī)的故障現(xiàn)象是客觀存在的，特別是對(duì)于在城市空間中執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的無(wú)人機(jī)，安全風(fēng)險(xiǎn)一直受到高度關(guān)注。隨著無(wú)人機(jī)數(shù)量和規(guī)模的不斷增加，無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中很可能會(huì)發(fā)生迫降甚至墜落等事故，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，應(yīng)盡可能的在確保人員及財(cái)產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上，把損失降到最低。

無(wú)人機(jī)故障的處理應(yīng)與任務(wù)規(guī)劃功能進(jìn)行綜合研究，在進(jìn)行航路規(guī)劃時(shí)，應(yīng)綜合考慮城市的建筑布局及地理特點(diǎn)，在航線(xiàn)附近提前規(guī)劃出迫降場(chǎng)地甚至安全墜落區(qū)，以確保在發(fā)生緊急情況時(shí)能夠避免人員的傷亡或造成重大財(cái)產(chǎn)損失。

3.4 低空智聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展

目前部署的4G地面移動(dòng)通信網(wǎng)，服務(wù)對(duì)象和覆蓋目標(biāo)是地面移動(dòng)的用戶(hù)，運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行的網(wǎng)規(guī)和網(wǎng)絡(luò)工作，主要是針對(duì)地面業(yè)務(wù)進(jìn)行，沒(méi)有考慮也不可能考慮低空的信號(hào)覆蓋，因此主要的移動(dòng)通信信號(hào)能量集中在地面，低空存在的移動(dòng)通信信號(hào)能量主要是天線(xiàn)旁瓣和后瓣的泄露信號(hào)，這些信號(hào)在低空分布雜亂無(wú)序，如果利用這些信號(hào)進(jìn)行低空通信，將導(dǎo)致頻繁掉線(xiàn)、切換、干擾等問(wèn)題，使通信質(zhì)量得不到保證。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于采用Massive MIMO天線(xiàn)技術(shù)，天線(xiàn)陣子數(shù)多賦予更窄的波束及3D覆蓋能力，從而支持3D動(dòng)態(tài)波束賦型，可以在低空形成可靠的信號(hào)覆蓋，形成地空立體網(wǎng)絡(luò)。而且5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)端到端網(wǎng)絡(luò)切片能力，可以為無(wú)人機(jī)等低空目標(biāo)提供多種可選的資源提供方式，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)成本核算、頻譜資源和低空用戶(hù)的需求來(lái)合理規(guī)劃端到端的通信保障方式，最大限度的滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求。

相比于4G地面網(wǎng)絡(luò)，由于5G引入的3D MIMO和波束賦型能力，垂直維度的波束調(diào)整，進(jìn)而通過(guò)天線(xiàn)陣列權(quán)值的優(yōu)化，可以改善5G基站波束對(duì)空覆蓋的效果，降低天線(xiàn)方向圖上旁瓣零點(diǎn)和后瓣的影響。在水平方向上，由于5G Massive MIMO天線(xiàn)指向性的增強(qiáng)，也降低了低空目標(biāo)和多個(gè)基站之間相互的干擾。

根據(jù)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，低空智聯(lián)網(wǎng)可以利用5G地面公網(wǎng)兼顧低空覆蓋，ATG（Air to Ground）對(duì)空專(zhuān)網(wǎng)，以及二者的混合方式來(lái)進(jìn)行組網(wǎng)。300m以下低空應(yīng)用主要為無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用，絕大多數(shù)無(wú)人機(jī)作業(yè)在這個(gè)高度以下，需要建設(shè)對(duì)空專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，部分場(chǎng)景下也可以采用基于地面網(wǎng)絡(luò)兼顧低空覆蓋。在低空目標(biāo)飛行區(qū)域選擇合適的區(qū)域，以及合適站間距的設(shè)計(jì)，可在低空范圍內(nèi)形成有規(guī)律的覆蓋能力，能夠保證低空通信的正常進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)空中管制技術(shù)進(jìn)行研究，分析了無(wú)人機(jī)空中管制現(xiàn)狀以及需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人機(jī)故障處理及低空智聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，為無(wú)人機(jī)未來(lái)在城市空間的大規(guī)模應(yīng)用提供了參考。