5G时代无线电监测站无人机云平台技术研究*

韩将星

（吉林省延边朝鲜族自治州工信局无线电监测站，吉林 延吉 133000）

0 引言

近年来，随着科技的迅猛发展，无人机系统技术从军用广泛地扩展到民用，发展和应用日新月异，已经广泛应用于农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域[1]。5G 通信[2]、天基互联网[3]、导航卫星等先端技术的逐步成熟与推进，U-Cloud、U-Care、飞云等诸多无人机云运营商的投入与发展，无人机由视距内人工遥控器操作发展为超视距内远程无人机云平台网络操作[4]。然而，随着无人机应用场景越来越广泛复杂，对无人机应用场景提出了更多更高的要求和挑战。单架无人机因自身燃料、有效载荷、数据信息整合能力等条件的限制，多架无人机集群化、协同化、智能化成为无人机技术发展的一种必然趋势[5]。面对民用无人机应用广泛、超视距远程超控、集群化、智能化发展形势，给无线电监测站的侦察、反制、监测等相关无人机应用带来美好的发展前景。但是，我国当前存在如下诸多问题。

（1）无人机遥感系统尚没有形成统一的网络技术体系，存在机型多、各自发展、装备分散、缺乏统筹规划和有效管理、整体运行效能低、信息资源缺乏有效的共享技术手段和机制等问题，形成“信息孤岛”[6]。

（2）非法无人机“黑飞”现象严重、影响正常航班飞行等事件时有发生，对民航、军事基地、政府部门、居民区的人员和设施安全构成了严重的威胁，已经成为监管难题。

（3）针对低空无人机数目多、体积小，现行民航空中交通管理的通信、导航和监视技术手段都很难适用于未来数以百万架的低空无人机目标。

（4）我国当前在无人机监管标准规范、技术手段、监管体系等方面都取得了一定进展，但总体上来看，仍缺乏常态化机制和统一的监管平台的集中化管理，难以应对未来日益频繁和大范围的监管需求。

针对上述问题点，国内学者已经进行了相关研究，并提出了一系列学术方案。全权等人，根据国内外低空无人机管理技术现状及未来发展趋势，提出了中国低空无人机交通管理系统框架，并对关键技术进行了详细介绍[7]。蒋丰亦等人，结合无人机监管领域国内外现状及发展趋势，基于民用无人机自身飞行特点，采用 DODAF 的复杂系统架构建模方法对无人机监管平台开展总体架构研究，完成了具有先进开放式体系架构的无人机监管平台系统总体设计[8]。金伟等人综合研究了中国现有无人机相关的监管法规制度情况，提出中国无人机安全监管应围绕“人、机、环”关键环节，从国家层面建立统一管控平台，加快相关法规标准制定，规范反制设备使用，通过安全检测、试点宣传等手段，推动建立健全安全监管体系[9]。

关于无线电监测站无人机云平台，为了快速反制非法无人机黑飞，查除隐蔽性与移动性强的“黑广播”以及微功率干扰信号等，韩将星结合上述学者的研究，以5G 智能互联网时代为技术背景，针对我国无线电监测站无人机应用现状及各种问题点，根据现阶段我国低空无人机管理状况及未来发展趋势，提出了现阶段及未来我国无线电监测站无人机云平台建设方案，并阐述了相关技术应用[10]。本文根据上述未来国家无人机统一综合监管平台下的我国无线电监测站无人机云平台方案，进一步剖析了无线电监测站无人机云平台与国家无人机统一综合监管平台、企业无人机云以及其他部门之间的协作关系，并提出了无线电监测站无人机云平台技术架构与构建无线电监测站无人机云PaaS（Platform as a Service）平台方案，实现我国无线电监测站统一化、智能化、弹性化的无人机一体化管控。

1 无线电监测站无人机云平台协作与技术架构

1.1 无线电监测站无人机云平台协作

无线电监测站无人机云平台协作大体上分为两种。一种是无线电监测站无人机云平台与国家无人机统一综合监管平台之间的协作，另一种是与企业、公安、气象、空管等他部门之间的协作。无线电监测站无人机云平台整体协作关系，如图1 所示。

图1 中可以看到，包括无线电监测站无人机云在内的所有企业、公安、空管、气象、重点区域防控中心等无人机关联的部门、企业都与国家无人机综合监管平台融合成一体，共享相关数据信息。国家无人机综合监管平台无人机云系统通过无人机云交换系统进行信息交互。无人机云交换系统通过数据分发，实现各部门、企业无人机云系统之间的数据交换，并记录、存储与共享，并在国家无人机综合监管平台下实行统一集中化管理。国家无人机综合监管平台重点负责无人机的飞行监视、交通管制、信息服务和飞行计划等。无人机云系统（交通服务系统）提供无人机空域管理、容量管理、流量管理、飞行监视、飞行情报服务、电子围栏、空中交通管制以及告警与通知等功能。无人机云交换系统提供飞行信息服务、飞行计划申请、审批以及放飞授权等信息交换功能。无人机云交换系统与交通服务系统均属于国家无人机综合监管平台的子系统。

图1 无线电监测站无人机云平台整体协作关系示意

无线电监测站无人机云可以利用大数据、人工智能等技术手段，与固定站监测网，便携式无线电监测、压制设备，地面接收端、遥控器、便携式卫星终端等便携式无人机操控终端，携带各种无人机操控与反制、无线电监测功能的移动车辆等等进行深度数据融合，协同作战，达到一体化协作目标。根据不同业务场景，通过国家无人机综合监管平台的协作下，可以与重点区域防控中心、公安、空管等部门一起协同作战，快速查除与反制非法无人机等。关于无线电监测站无人机云平台数据传输链路示意图，如图2 所示。图2 中可以看到，无线电监测站无人机系统终端通过天基互联网、导航卫星、卫星地面站、4G、5G 通信网络等手段与无线电监测站无人机云平台及国家无人机综合监管平台进行对接，形成一体化数据信息互联。

图2 无线电监测站无人机云平台数据传输链路示意

1.2 无线电监测站无人机云平台技术架构

基于无线电监测站无人机云平台业务需求，针对国家无人机监管平台及协作关系研究，梳理构建无线电监测站无人机云平台技术架构，如图3 所示。架构从下至上包括感知层、网络层、平台层和应用层。

图3 无线电监测站无人机云平台技术架构

（1）感知层

随着无人机技术的发展，无人机终端根据种类与作用，可以集成各类功能模块。比如,雷达探测、光电探测、声波识别、无线电探测等探测类无人机，柔性网拦截、捕网抢、热武器、激光炮、信号欺骗、声波干扰、无线电干扰等反制类无人机，携带高清摄像头、智能飞控终端、AI 功能、通信模块等进行周围地形环境侦查、工作内容拍摄等侦查类无人机，携带地面综合缆绳系统、无线电监测设备实现长时间滞空工作的系留多旋翼无人机等等。此外，还可以集成与携带环境监测、设备状态监测、物联网网关、卫星导航等功能模块协助飞行。

（2）网络层

5G、物联网、天基互联网、导航卫星等通信技术的发展，助力民用无人机的迅猛发展。比如，网络切片、蜂窝通信、Massive MIMO、智能边缘计算、D2D 通信等5G 通信技术，可以很好地改善无人机的精准空中定位、多种业务的差异化应用、网络迟延、资源利用率、成本等问题[11-14]；天基互联网使无人机在沙漠、海上、山区等人员稀少地区可以自由飞行与通信；低功耗广域网、局域网等物联网技术使无人机可以连接各种物联网设备，形成“万物互联”效果，提升网联化。关于5G 网络下无人机通信模式示意图，如图4 所示。

（3）平台层与应用层

平台层大体上分为国家无人机综合监管平台与无线电监测站无人机云平台。无线电监测站无人机云平台主要包括无人机云端远程操控、飞行监视、监视信息管理、航空情报管理、移动监测指挥车、AI 服务、大数据服务、运营商服务管理、设备管理、数据管理等等技术服务管理功能。在网络安全运行维护管理平台下，平台层功能之间可实现深度数据融合与共享，协同作战。目前，U-Cloud、U-Care、飞云等，包括2019 年新增的“拓攻云”与“中科天网”在内的无人机云服务商已达11 家。从无人机云行业服务商的技术应用领域来看，每家服务商都有自己的技术领域特点。因此，无线电监测站无人机云平台可以与多家无人机云服务商进行技术协作与数据共享，可以灵活应用带有各类不同功能的无人机云系统。无人机云服务商通过网络方式与无线电监测站无人机云平台进行相关技术服务交互与数据共享。应用层主要利用地面接收终端、移动手机、车载显示、可视化监控大屏幕等智能终端设备与相关应用软件，进行监视、管理与操作各类无人机系统，并通过网页、APP 等方式，随时查看各类相关数据、运行状态等。

图4 5G 网络下的无人机通信模式示意图

2 构建无线电监测站无人机云PaaS 平台方案

2.1 PaaS 平台技术应用现状及设计理念

近年来，规模较大的企业或者国家机关都有复杂的大型数据中心IT 系统，所有业务自始至终都在一个或多个专业化、精细化的系统中高效运转。随着PaaS 技术的蓬勃发展，IT 领域逐步发展成“物理分布、逻辑统一”的新一代网络系统架构。5G时代，软件定义网络、服务化架构、边缘计算、无线网络虚拟化等趋势使网络正在向云原生架构方向发展，PaaS 平台作为云原生架构中的关键技术层将无处不在，必将得到充分应用和发展。关于PaaS平台，电力、广电、媒体、企业、电信、移动通信、高校、无人机云系统等等相关行业及学者已经研究出各种解决方案[15-27]。薛浩等通过探索对云边协同的5G PaaS 平台关键技术的研究，以技术的角度详细说明了5G PaaS 平台下，边缘计算平台与云计算平台的协同关系，并通过智能电网场景案例进一步证实了云边协同的可行性[15]。杨清波等利用Docker容器技术设计了调控云PaaS 平台，并分析与验证了资源的合理调度、快速响应、弹性伸缩等方面具有良好的效果[16]。李乐云介绍了专属云与公有云相结合的“中华云”，并提出了媒体行业PaaS 平台的核心架构，利用大数据、容器Docker 等技术，给上层应用提供高效率的运维智能化、容器化弹性服务[18]。王夏洋设计并实现了基于微服务架构的中海油税务管理系统，并将系统部署于PaaS 平台，提升了系统的开发演化的稳定性，缩短了应用发布更新时间[20]。徐海勇等提出一种把 PaaS 技术应用到中国移动大数据平台的方案，通过实践证明了该平台具有良好弹性伸缩能力，并且显著提高系统资源的使用效率[24]。张琦等阐述了一种基于 Kubernetes架构的云原生边缘计算系统 KubeEdge，将云原生应用无缝延伸到靠近数据产生位置的边缘侧，实现了边云、边边之间的应用协同和统一微服务治理[25]。万黎升等在泛在电力物联网PaaS 平台下，提出基于调控云平台上部署线路状态感知监测应用及实现数据共享的工程方案[26]。史殿习等提出了一种面向多无人机协同飞行控制的云系统架构 UAV3CA，通过云端 PaaS 抽象封装无人机及其上资源，可实现多无人机间信息数据的实时共享，并基于云端强大的存储和计算能力完成多无人机的统一规划及协同飞行控制[27]。

综上所述，PaaS 平台技术已经得到IT 领域的普遍认可，并且该平台下，可以灵活部署多云融合、大数据、人工智能、物联网、边缘计算、微服务、容器、无人机云系统等等多种平台，实现业务的弹性高效化部署。同时应用的开发迭代周期变得越来越短暂，给开发人员和管理人员提供了很好的支撑服务。

本文结合上述学者们的研究与应用成果，设计了无线电监测站无人机云PaaS 平台技术架构。无线电监测站无人机云PaaS 平台设计理念是结合5G时代的智能互联网、无人机等技术对无线电监测站基础设施变革的发展趋势及影响，充分应用“大云物移智链”等现代信息技术，建立快速迭代、自动部署、独立高效的云原生一体化生态体系，实现全网万物互联、人机交互，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在无线电监测站无人机云一体化管理平台。

2.2 PaaS 平台云节点体系架构

无线电监测站无人机云PaaS 平台云节点体系架构如图5 所示，采用集中和分布相结合的分级部署模式，构建跨调度机构的“1 个国(分)主导节点+N 个省(地)协同节点”的二级部署云节点体系。具体来讲，全国各地区的国家无线电监测中心划分成若干个国（分）主导节点，主导节点之间用资源高速同步网互联，实时同步相关数据。再把各省地中心监测站作为协同节点，一个主导节点集中管理若干（N）个省地协同节点，1 个省地协同节点管理所属省内所有各地市中心监测站节点。1 个主导节点与所属若干（N）个协同节点之间也用资源高速同步网互联，实时同步相关数据。全网特性上来看，采用无线电监测站系统专网（基础通信网和数据网）互联，分层部署，地理分散，具有数据安全性高，完全可控等特点。数据层面，主导节点负责所有所属省地协同节点，协同节点负责本省内所有地市节点数据的汇集并向主导节点同步/转发相关数据。业务层面，主导节点提供所管辖内完整的全网模型服务、数据服务及业务应用，协同节点基于本省业务在统一的数据模型下开发运行各自的业务系统。硬件层面，各节点相互独立运行，自主管理。根据各省地市业务类型异构情况，硬件架构可以按需求配置，可以不统一，但是，软件架构上形成逻辑统一的整体。

图5 无线电监测站无人机云PaaS 平台云节点体系架构

2.3 无人机云PaaS 平台整体技术架构

无线电监测站无人机云PaaS 平台技术架构，如图6 所示。架构从自下而上分为IaaS（Infrastructure as a Service）层基础设施即服务、PaaS层平台即服务、SaaS（Software as a Service）层软件即服务。

（1）IaaS 层

IaaS 层主要以各种基础软硬件设施、网络设施及移动设备来实现整体资源的虚拟化与容器化。5G时代，随着车联网[28]、物联网[29]以及各种网格化、智能化的监测网[30]技术的迅猛发展与推广，无线电监测站无人机云平台可以与监测站的移动指挥车联网平台，物联网平台（包括各种便携式监测、压制、无人机操控移动终端，设备状态监控系统、安全报警系统等），监测网平台等进行深度融合，数据共享，协同高效化作战。

图6 无线电监测站无人机云PaaS 平台整体技术架构图

IaaS 层基础平台支持私有云、公有云、专属云、边缘云等多云协同的对接，通过能力建设、开放接口、流程再造等方式，融合多种业务的敏捷性生产和弹性化部署。在满足传统业务流程的同时，能够为新业务提供统一的内容支撑、技术服务、数据分析等服务一体化的技术业务平台，有效支撑无线电融合创新业务的快速发展。针对外部公有云与专属云平台，可以借助公有云CDN（Content Delivery Network）、计算、存储、网络等资源进行管理调配，通过监测站私有云IaaS 层的资源调度，向PaaS 层提供基础资源。比如，监测站私有云平台与第三方公有云、专属云、边缘云提供商服务平台之间，公安、民航、铁路等第三方相关外部机构的数据交互等等。针对私有云平台，利用大数据、虚拟化、容器、微服务等相关协同技术平台服务来建立自己的私有云业务支撑，并通过管理、监控、分配、调度等方式，使得私有云的IaaS 层基础资源得到最大化的高效利用。

容器平台包含运行环境、资源调度和服务管理等功能，以开源的 Kubernetes、Docker 为基础，支持多云协同的对接。容器平台通过实时监视，评估集群资源使用状况，以冗余互备、负载均衡等技术，使整个系统中应用容器性能维持均衡状态，提高系统整体的运行效率，实现支撑平台基础资源快速弹性伸缩。统一的容器运行环境，为快速的积木式应用服务搭建提供了有力的平台支撑，使各类应用独立运行，资源高效共享。

（2）PaaS 层

PaaS 层利用相关技术平台服务来实现整体平台异构数据的标准化以及开发、运维、管理等，给SaaS 层提供高效化服务支撑。比如，大数据服务平台为无人机数据全流程一键式处理提供大数据存储、管理、处理、服务于一体的工作平台。资源管理平台把各类视频文件、图片文件、工程文件等资源进行统一科学分类管理，为上层应用提供高效化数据共享文件服务。针对海量的监测数据，利用GIS(Geographic Information System)[31]平台建立完善的数据对比、分析、评估体系，实现无线电监测数据的可视化。中间件服务为传统应用和微应用提 供应用运行服务支撑，有效解决分布异构问题。微服务平台为传统云计算业务服务和网络服务提供能力开放和引入、服务治理、轻量级服务网关，管理边缘计算智能网关。开发平台主要利用开发框架、公共组件库、发布监控、持续交付等开发部署平台来实现各种移动应用、Web 应用、大数据应用的开发与交付。应用开发平台提供统一的建设标准、管理标准、移动技术标准、安全规范等，并且兼容无人机、智能手机、办公系统等多种平台，全面支撑业务应用系统，降低人力成本，大幅度提高研发效率。此外，公共业务、云安全、云管理等平台来支撑业务应用。SaaS 层用各种智能终端、移动终端、办公手段来实现应用层人机交互以及提供各种应用服务化软件。

3 结语

面对5G 时代无人机云平台应用发展态势，结合我国当前无人机监管与应用领域存在的问题点，阐述了无线电监测站无人机云平台协作关系，分析相关学术领域研究，提出无线电监测站无人机云平台技术架构与构建无人机云PaaS 平台方案，为实现未来无线电监测站无人机一体化管控与监管，技术融合与协作，提供了一定的理论依据。面向未来，建立完善的无人机云平台及各项技术的融合与发展是一个长远且充满不确定性的过程，实现从潜力到现实的转变，充满了各种挑战。下一步将继续深入研究无线电监测站无人机云平台系统各项潜在性功能模块与应用，进一步推动和丰富云端系统的应变能力，努力构建复杂环境下的多无人机协同作战一体化云平台建设目标。