射频识别在无人机空管中的应用

四川九洲电器集团有限责任公司 邓洪有

1 背景分析

随着我国经济、社会的迅速发展和空域管理改革的持续推进，低空空域的逐渐开放，无人机使用乱象渐显，无人机“黑飞”、“乱飞”导致的事故不断出现[1][2]，除了坠落伤人、涉嫌侵犯隐私、扰民等问题外，还严重威胁着空域安全。2017年国内多家机场发生了“恶性”无人机黑飞事件，仅4月份成都双流机场就遭到无人机干扰事件达9起，严重影响了航空运输飞行安全和正常飞行秩序。

无人机与有人机共同使用空域使得无人机空中管制问题已成为亟待研究和解决的突出问题[3-5]。无人机空管包括两方面内容，在法规和程序方面，尽最大可能从无人机的适航标准、无人机飞行员的资格许可等相关制度上杜绝安全隐患。我国《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》明确规定2017年6月1日起，我国境内最大起飞重量为250克以上（含250克）的民用无人机拥有者必须进行实名登记。在技术方面，管制员借助空管设备监视飞行活动，防止违规飞行和违反间隔标准（如通过地面二次监视雷达对发现的无人机目标进行询问），而无人机操作员通过机载设备及时掌握周围交通情况并进行相应的处理（如机载防撞系统）。目前的技术手段对大中型无人机可以起到一定的空管效果，但同时也出现了一些弊端和不足，简要分析如下。

（1）无人机空中管制的基本前提是保证地面空中管制机构能及时准确地掌握无人机的基本信息。目前的地面监视主要通过二次雷达实现，需要地基询问机与机载应答机协同配合工作，但由于绝大多数无人机受到价格体积等方面的限制，没有条件配备应答机，使微小无人机成了空管的“盲区”。而应答信息也十分有限，A模式仅应答识别码、C模式为高度码，S模式虽然可以发送数据通信报文但价格较高，更难广泛装备在微小无人机上，这在一定程度上限制了二次雷达的使用。

（2）目前无人机采用地面控制的飞行方式，民用特别是消费级的微小型无人机的飞行活动非常灵活，没有固定的控制站点，管制单位与实施无人机飞行的操作人员通常难以建立及时有效地通讯联系，无法对其进行“面对面”的管制指挥。

射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）[6]由询问器（或阅读器）和应答器（或标签）组成，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。RFID识别距离远，可达数十米；可对标签内的数据进行及时修改；环境适应性强，抗干扰能力强，可全天候使用；数据量大；阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。目前RFID技术较为成熟，体积小、重量轻、成本极低，在高速公路自动收费、人员识别、物资追踪、生产自动化控制、仓储管理等大量应用。

随着无人机应用的急剧增加，急需参考传统飞行器的空管方式，针对无人机的空管需求，结合其它技术领域（如RFID）提出

2 系统组成

基于射频识别的无人机空管系统包括目标无人机携带的空管标签、稽查无人机携带的空管阅读器和机载通信系统、空管地面站的通信系统和无人机管理数据库系统。其中无人机管理数据库系统存储关于无人机、拥有者及飞行审批足够详细和全面的信息，是否建有该数据库系统决定了空管标签存储的信息量，建有则空管标签可只存储基本信息并依此查询数据库获得更完备的信息，否则空管标签需存储尽可能完备的信息。机载通信系统和地面站通信系统可利用现有通信手段和设备，无需另行研制和加装。空管标签和空管阅读器是该系统的核心。

2.1 空管标签

空管标签主要由存储器、控制模块、射频模块和天线组成，如是有源标签则带有电池供电。空管标签的类型由无人机类型决定，微型无人机通常成本低、载荷小、速度较低，可以允许稽查无人机更近距离的识别，因此配置无源标签；其它无人机配置有源标签。

存储器采用可读写存储器，允许多次写入数据。根据是否建有无人机管理数据库系统，存储器内存储不同的信息。如没有无人机管理数据库系统，存储的关于无人机、拥有者及飞行审批信息应足够详细和全面，主要包括但不限于无人机ID、无人机型号、无人机重量、无人机升限、非视距飞行能力、拥有者姓名、拥有者身份证号、拥有者联系方式、批准的飞行区域、批准的飞行开始和结束时刻、批准的操作方式（视距/非视距）、操作员姓名、操作员身份证号、操作员取得的无人机驾照级别、操作员联系方式等信息。如建有无人机管理数据库系统，空管标签可存储一些基本信息，主要包括但不限于无人机ID、拥有者身份证号、操作员身份证号等。

2.2 空管阅读器

空管阅读器的基本作用是作为链接前向信道(即空管标签)和后向信道(机载通信系统)的核心数据交换环节，由接口控制单元、基带模块、射频模块、天线等组成。接口控制单元通过USB、串口、有线网口等将数据传送给机载通信系统。基带模块、射频模块、天线的个数N由采用空管标签的种类数N决定，采用的标准和协议与射频标签的类型一一对应。

3 使用方法

基于射频识别的无人机空管系统的使用前提和基础是无人机购买时实行实名登记制，无人机信息、拥有者信息连同无人机空域使用审批信息（如已通过审批）一起写入了空管标签，并存入无人机管理数据库系统（如建有）。如空管地面站发现疑似违规飞行无人机或不明无人机，则由地面站派遣携带阅读器的无人机抵近进行识别，获取该无人机、拥有者及飞行审批信息并依此判断是否违规，如有必要可通过获取操作员或拥有者的联系方式实现对无人机的实时管控。

4 效益分析

本文针对传统空管方式必须安装机载应答机，以及管制员和操作员之间缺少联系途径的问题，提出一种无人机空管系统，相比基于空管应答机的传统方式，该方法具有体积小、重量轻、成本低、操作简单、使用灵活等特点。该系统将会产生的有益效果分析如下：

（1）大大拓展了无人机空管的监控范围。本方案中的空管标签重量轻、体积小、成本低，适合微小无人机普遍安装，填补了目前无人机的空管盲区，大大拓展了无人机空管的监控范围。

（2）建立了空管管制员和无人机操作员之间的联系。本方案通过空管标签或无人机管理数据库系统能够直接或间接获取无人机操作员的联系方式，该方法简单易行，无需增加额外设备。

（3）极大丰富了无人机空管信息。本方案中的空管标签可以存储大量信息，包括但不限于无人机、审批（如经过审批）以及拥有者信息，为后续空管指挥调度或事后追责提供条件，对无人机的“黑飞”也起到了威慑和限制作用。

5.小结

随着无人机应用的急剧增加，无人机“黑飞”、“乱飞”导致的事故不断出现，针对传统空管方式必须安装机载应答机，以及管制员和操作员之间缺少联系途径的问题，本文提出了一种基于射频识别技术的无人机空管系统及方法，在无人机上粘贴空管标签，由稽查无人机携带阅读器进行抵近读取相关信息并传给地面空管机构。空管标签体积小、重量轻、成本低，适合微小无人机普遍安装，该系统和方法具有较高的应用价值。

[1]Department of Defense of the USA. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011-2036[R].2011.

[2]戴大伟,龙海英.无人机发展与应用[J].指挥信息系统与技术,2013.8,4(4):7-10.

[3]高萍,王古常,郑幸等.无人机空域飞行的现状及发展趋势[C].2014(第五届)中国无人机大会论文集,2014:627-629.

[4]蔡志浩,杨丽曼,王英勋等.无人机全空域飞行影响因素分析[J].北京航空航天大学学报,2011,37(2):175-179.

[5]沈振,刘洋.规范无人机空域使用的建议[J].国际航空,2014,9:37-38.

[6]魏峰.远距离射频识别系统关键技术的研究[D].西安电子科技大学,2009.