警用无人机飞行动态监控平台设计和实现

邓楠

（中国移动通信设计院有限公司北京分公司，北京 100038）

1 引言

UAV（Unmanned Aircraft Vehicle，无人驾驶航空器）简称“无人机”，是一种使用无线电设备遥控或自带程序控制装置操纵而不载人的低空空域飞行器。非军用无人机用途广泛，产业发展迅猛。但目前无人机尚无完整、有效管控体系，缺乏对无人机飞行全过程的规范化管理，同时目标识别、围绕重要目标和地区的空情判断、相关决策和处置等工作难度较大，不利于要地空防安全的确保。另外，由于我国低空飞行管理系统建设起步晚，尚未基本形成全国一体的低空空域运行管理和服务保障体系，使得无人机飞行活动受到较大限制，低空空域不能得到充分利用，对无人机产业发展形成较大的制约。

因此，建设无人机飞行动态监控系统已成为迫切需求。研究、实施与有效部署警用无人机飞行动态监控系统，不仅通过动态监控为警务工作自身提供必要的、具有重大意义的保障体系，同时对未来全行业、全社会的无人机合法、规范的应用提供了基础平台。

2 构成要素

警用无人机监控系统的应用所涉及的要素分别包括：管控员、无人机驾驶员、监控系统和机载端系统（无人机）。管控员利用监控系统对无人机和无人机驾驶员进行管理和监控，其中，管控员通过话音通信手段向无人机驾驶员发布管理和咨询指令；利用监控系统监视无人机的飞行状态，并在紧急情况下向无人机发布超级飞控指令，对无人机的飞行实施控制。

机载端系统（无人机）通过卫星导航系统获取自身位置并通过空地通信系统向监控系统下传、接收管控员的操控指令，控制无人机飞行。无人机驾驶员利用无人机操控通信手段对无人机飞行进行操控，接收管控员发出的管理和咨询指令，并据此向管控员报告无人机飞行状态。监控系统是管控员对无人机飞行实时管控的平台。

3 总体架构设计

本系统整体架构设计基于总体可扩充性和兼容开放的原则，不过分依赖于单一的设备配置和技术手段，保持系统结构的开放性和对新技术的兼容能力；同时，统一系统建设中所涉及的各类标准和规范，使系统具备相互兼容和可持续发展的能力。本系统由五大部分构成，即机载端系统、地面端系统、地面话务系统、网络与支持系统和边缘系统。如图1所示。

3.1 机载端系统

机载端利用成熟的软件无线电技术和信号处理技术，采用芯片化、模块化设计，保证设计开发的独立性、继承性，便于将来使用、维护及升级；同时针对无人机特点，注重小型化、低功耗、方便安装。

机载端系统由BD2/GPS双模天线、BD2/GPS单元，MCU处理单元，2G/4G模块单元、SIM卡、LTE天线，电源管理单元组成。机载端系统的BD2/GPS单元，MCU处理单元，2G/4G模块单元采用小型化芯片，集成在机载监控板卡上，以达到小型化、低功耗、方便安装的目标。系统结构如图2所示。

3.2 地面端系统设计

地面综合信息管理（监控中心）系统，是利用软、硬件设备，利用各种外源信息处理无人驾驶器，按用户需求提供服务。采用面向对象的分析模型和结构化模型，单一模块的升级，不影响系统的整体结构和其他功能模块；采用开放性的系统结构，不过分依赖于单一的设备配置和技术手段，保持系统结构对新技术的兼容能力；同时，采用系统整体安全设计，明确网络安全域边界、控制数据的存取、实施数据应用与交换权限管理，确保系统信息安全。系统的逻辑架构示意如图3所示，分为接口层，核心层、服务层和应用层。每一层又包括不同的子层次，每层修改不影响其他层次。

图1 监控系统网络构成

图2 机载端系统构成

（1）接口层。为系统与外部的信息接口和提供人机交互界面，包括话音、数字和操作接口，提供接收系统运行所需支撑信息，输出支持监控的信息。

（2）核心层。为操作系统软件，是所有通用软件、应用软件分配、通信、同步以及控制硬件运行的核心软件。

（3）服务层。为建立在操作系统之上的数据管理软件、J2EE/J2SE平台软件和Web服务器软件，是为应用层提供高层次服务软件。

（4）应用层。是系统依据系统业务的应用软件，可根据用户需求构成的用于监控的各类服务软件，服务软件可根据不同系统部署要求进行配置。

3.3 地面话务系统

地面话务系统满足地面机组人员之间、监控中心与机组人员之间等的实时通话需求。地面话务系统作为地面话音通信的解决方案，不仅能够实现监控中心对任务区域的实时话音指挥，还可以拓展为多种制式的融合通信系统，实现更为复杂的多场景功能。

图3 地面综合信息管理系统逻辑架构示意图

端到端PDT集群网络主要网元包括：移动交换中心MSC、集群基站BS和移动台MS。MSC为整个集群系统的管理和交换中心，完成跨站呼叫和集群用户管理。BS实现PDT空中接口协议，完成上下行信号的收发和处理。MS为用户设备，完成用户的语音或数据呼叫。此基础PDT集群网络系统可以满足监控系统的指挥、监控功能需求，而拓展后的融合通信系统，通信网关设备与不同制式的通信系统互联，实现各种通信方式间的互联互通，如数字系统用户呼叫PSTN电话用户、调度坐席用户查看监控摄像头视频等。此外，地面话务系统还能够实现使用不同通信方式的用户之间的语音和视频会议。

3.4 网络支持系统

网络支持系统主要包括空地通信子系统和地面传输子系统两部分。通过空中接口将机载数据发送至基站接收设备，通过基站设备将空中接口射频信号转换为可地面传输的光信号或电信号，并通过地面传输子系统发送至地面端系统。

可以利用现有GSM（GPRS）制式移动公共移动通信网络作为本系统无人机机载模块数据回传至综合信息管理平台的通信网络空中接口。

无人机目前的飞行高度大部分在高程200 m以内，少量能达到200～1 000 m的高空中。而目前GSM（GPRS）的基站天线高度大多均在35～55 m，远低于实际无人机的平均飞行高度。一般GSM（GPRS）基站覆盖范围水平都控制在500 m以内，实际覆盖范围要视周围山体（阻挡信号）、湖泊（反射信号）等情况而定，如果是自由空间加上基站高度够高的话，水平覆盖范围1 500 m以上接收质量一般较好。在高程方向上，由于天线高度和下倾角的原因，GSM信号会在200 m以上高程迅速衰减。

因此，在现有通信网络条件下，充分利用GSM基本承载力，满足现阶段要求。在无GSM覆盖的区域内，则考虑使用LoRa技术或GSM（GPRS）移动通信应急设备来满足机载端系统的通信需求。

物联网应用中的无线通信技术有多种，可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。在LPWAN产生之前，通常远距离传输和低功耗两者之间只能二选一。随着LPWAN技术的产生，上述问题得到了解决，可以最大程度地实现长距离并且低功耗的通信，还可节省额外的中继器成本。LoRa是目前最为成熟的LPWAN技术，它是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，并且易于建设和部署。

LoRa接受灵敏度可达到-148 dBm，相较于其他Sub-GHz芯片，最高的接收灵敏度改善了20 dB以上，这确保了网络连接可靠性。LoRa使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

在没有GSM（GPRS）覆盖的地区，该系统采用便携式LoRa基站与机载端系统进行通信。这要求，无人机上加载一个LoRa模块用来实现与便携式LoRa基站的通信。

3.5 边缘系统设计

边缘实现与非本系统的其他外部系统对接功能，主要体现在与公安网边际系统对接方面。由路由接入区、边界保护区、应用服务区、安全隔离区、安全监测与管理区五部分组成。总体框架图如图4所示。

路由接入区建立各个外部网络同安全接入及信息交换平台之间的连接。将与各外部网络和接入对象进行交换的数据流按照安全接入及信息交换平台的安全策略加以区分。

边界保护区实现安全接入及信息交换平台边界的完整保护。实现接入设备认证、用户身份认证、访问控制和权限管理；数据机密性和完整性保护；防御网络攻击，所有外部网络地址在此区域被转换为统一的平台内部地址。

应用服务区处理各类应用相关的操作，作为公安信息网对外信息发布、信息采集、数据交换的中间区域。向外提供应用代理等功能，避免直接访问公安信息网的行为。此外，对此区域应加强各服务器的安全保护，防止非法控制。

安全监测与管理区对整个安全接入及信息交换平台的安全监测、管理与维护。主要是业务安全监测与管理，进行业务注册信息管理、各种安全策略管理、流量监测、统计分析、安全审计等；部署入侵检测系统，检测和发现各类网上的非法攻击；进行运行维护，设备日常运行维护以及补丁升级、漏洞扫描与病毒防范。

图4 边界接入平台总体框架图

在各个区域实施安全访问控制，配置默认禁止，按需允许的访问策略。实现适度安全的网络接入和数据交换，同时要具有可扩充性。做到用户接入数量能方便扩充，数据交换带宽能方便扩充，应用系统能方便扩充，安全防御能方便扩充。

4 成果推广和未来工作

支撑本监控系统运行的核心技术是监视信息和命令信息交互，大范围的移动通信网络承载技术成为关键。有效利用与借助公共移动通信网络资源可保障系统在最大范围应用的效费比和综合可用度。因此，本系统的相关设计、部署与运行需针对现有通信技术、网络体系、标准及其演进保持持续性跟进、研究与完善。

已知可用技术体制的对比如表1所示。

通过表1中对已知技术体制的对比和前述的技术论证，可以看出：

GSM（GPRS）二代移动通信网络随着移动运营商停止维护与升级，会逐步被4G、5G等新一代移动通信技术体制所取代。

表1 技术体制对比表

NB-IoT与LoRa是LPWAN体系下的两大主要标准，NB-IoT作为三大运营商在5G物联网分支所采用的技术标准，在大规模商用后，从传输距离、功耗、灵敏度、安全性等各方面将给予物联网数据应用更好的满足和支撑；而针对LoRa技术，若大范围的规模覆盖，势必会带来较大的成本投入，但同样由于其自组网的特点，更适合作为无网络覆盖区域的补充选择。

结合本系统在业务层面对于通信支撑网络的需求，可按照移动通信网络发展与迭代的进程，分阶段实现本系统支撑网络的逐步完善：

第一阶段：基于公共资源现状基于现有GSM（GPRS）网络实现系统部署。基于前述分析，GSM（GPRS）网络在现阶段可最大限度低成本满足本系统在通信支撑网络方面需求；在GSM（GPRS）网络覆盖盲区，通过LoRa或应急通信车方式进行补充覆盖。

第二阶段：在公共移动通信运营商启动NB-IoT部署后，可跟随其部署的步伐，在本系统部分新开展区域使用NB-IoT技术作为承载网络，使得NB-IoT与GSM（GPRS）在此阶段共存。

第三阶段：在NB-IoT完成全国范围内部署后，逐步在使用二代网络作为通信承载的区域完成向NB-IoT网络的切换和业务割接。最终完成在全国范围内使用NB-IoT作为承载网络的体系格局。

5 结论

本系统率先面向警用无人驾驶航空器建立飞行动态监控系统，全面实现：相关装备检测管制、人员认证管理、飞行监视控制、数据智能追溯。后续可有逐步将飞行动态监控系统的应用范围有序扩展至能源、交通、农林等无人驾驶航空器应用密集的垂直体系与行业。面对消费类相关市场爆发式发展，有能力完成安全管理。最终实现安全、敏捷的管理能力复制，面向全行业、全社会的非军用无人驾驶航空器的全面管理。

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