基于北斗与5G技术的农业植保无人机运行监管架构设计*

胡小蒙，王子楷，赵婧冰

（中国民航大学，天津 300300）

1 项目背景

我国为农业大国，无人机航空植保具有广阔发展空间与应用前景。农业植保无人机低空、低量施药作业比传统地面机械或人力喷洒作业具有效率更高、劳动强度更小的优点;比大型飞机施药作业成本更低，能满足高效农业、精准农业、智慧农业的发展需求。随着信息通讯、物联网等技术的快速发展，无人机硬件已日趋小型化、智能化、低成本化、低功耗化，进而引发了一股无人机热，但在已经到来的无人机浪潮中，飞行安全受到了巨大的挑战，对于无人机监管运行系统的需求愈发凸显。无人机运行监管体系建立的基础是无人机飞行信息（包括位置、三维航迹等）的获取；无人机运行监管体系建立的核心是无人机冲突探测与解脱；无人机运行监管体系建立的标志是一个成熟的软件平台。本团队将从这三个切入点对无人机监管运行系统的建立进行相关探索，进一步推动无人机运行规范化、有序化，促进我国无人机监管运行服务的发展。

2 研究现状

2.1 无人机运行监视技术研究现状

目前，大多数无人机属于低空慢速小目标（以下简称“低慢小”目标）的一类，国内外对于此类目标的运行监测研究较多，按照其运行监测思路可大致分为地面基站主动搜索（以雷达技术为代表）与无人机自动广播（以ADS-B技术为代表）两类。

雷达技术方面，文献[1]提出了一种基于微多普勒分析的检测方法；文献[2]提出了一种基于杂声白化处理的MTD检测新方法。但由于实际运行中杂波环境复杂等问题，利用雷达对于“低慢小”目标进行探测仍然具有一定难度。

除了雷达技术，激光探测技术与光电探测技术也是属于地面基站主动搜索一类。文献[3]设计了基于激光探测技术的“低慢小”目标监测系统。文献[4]研制了基于光电探测的“低慢小”目标的光电系统。上述方案对设备精度及气象条件要求较高，探测范围有限且成本高，不利于系统的推广以及复杂环境下的运行。

借鉴现有民航空中交通管理的成熟体系，无人机自动广播其自身信息将实现无人机运行监测的规范化运行。文献[5]根据我国低空空域管理现状，设计一种基于北斗RDSS和ADS-B技术的无人机空管系统的体系结构，为低空空域无人机的安全飞行提供了一种技术保障手段。文献[6]基于北斗和ADS-B技术设计了一套装载在无人机上的运行监测模块，以及对无人机进行定位以及管理的无人机监视管理系统。文献[7]通过分析得到监视误差主要由GPS接收机误差、数据链误差和系统延时误差组成。

2.2 无人机运行监管系统研究现状

目前，世界范围内对无人机，尤其是消费级无人机的管控政策存在较大的差异。以美国为代表，美国现在已经开始实行实名注册制度，并且相关的无人机运行管理系统，如LATAS已经开始接受项目（FAA“Pathfinder”和NASA“UTM”）测试。我国部分地区也已经开始实行无人机实名登记的政策[8]，相关的管理系统，诸如优云系统也取得了一定的成果。

通过对表1与表2的分析，国外研制的软件记录数据相对全面、性能稳定可靠。相比之下国内无人机管理系统仍存在许多不足，如监视数据获取需加装U-Box，降低了无人机有效载荷；依赖于单一监视数据链，无法保证监视数据的稳定有效；缺乏实时危险探测功能[9]。

表1 国外无人机运行管理系统

表2 国内无人机运行管理系统

针对上述研究，项目团队提出了一种以基于北斗与5G的飞行信息共享技术，以一款软件平台实现可视化无人机监管运行的架构，实现对无人机飞行数据的动态监视以及管理，进一步推动无人机运行规范化、有序化，促进我国无人机监管运行服务的发展。

3 架构实现

3.1 飞行信息共享技术

无人机冲突探测与规范管控的前提是无人机能够监视，在无人机运行监管体系的构建中，最理想的飞行信息获取方式是类似ADS-B技术的合作式方式：自动通过机载的导航设备来获得本机的实时位置、高度、飞行速度等信息，并以全向广播方式发送信息，以实现设备间交流共享。但传统的ADS－B技术有两个缺陷：

（1）定位系统单一：无人机的发展已经进入智能化阶段，在实际运用中被赋予诸多重要任务，在这些任务中不乏高密度机组飞行以及复杂城市空间内的飞行，其运行环境等条件对无人机位置信息的精度要求较高。目前ADS-B技术的定位信息由GPS提供，受制于技术水平、相关政府政策等条件，目前GPS提供的定位精度并不能满足未来无人机运行的要求。文献[7]通过分析得到ADS-B技术的监视误差主要由GPS接收机误差、数据链误差和系统延时误差组成。

（2）通信技术落后：通信技术在ADS-B技术上的应用主要分为：

a.在定位系统内，用数据链连接用户设备和数据中心；b.在上/下行链路中传播飞行信息数据。

基于以上分析，构建了“飞行信息共享体系”，采取类ADS-B的方式，并采纳了北斗技术与5G技术，以提高在通信、定位方面的能力。图1展现了该体系的构架。

图1 飞行信息共享体系

该体系由发送模块与接收模块组成，发送模块含：数据采集模块、信息编码模块、调制驱动模块、5G信号发送驱动模块；接收模块含：5G信号接收驱动模块、解调校验模块、信息解码模块。各模块功能介绍如下：

（1）数据采集模块：利用机载传感器设备采集无人机设备的实时飞行信息，包括四维航迹、气压温度等数据，并将上述信息打包发送至信息编码模块。

（2）信息编码模块：将飞行信息数据编码为特定格式的帧，并通过UDP报文传输至调制驱动模块。

（3）调制驱动模块：将编码数据由二进制转为复数数据，并将复数数据转化为脉冲码后调制为5G信号。

（4）5G信号发送驱动模块：将经过调制后的5G信号发送至功率放大器放大，并驱动发射天线发射5G信号。

（5）5G信号接收驱动模块：驱动接收天线接收5G信号，并获取经过低噪声信号放大器放大后的5G信号。

（6）解调校验模块：将5G信号解调为有效的连续脉冲信号，并将该信号转为特定格式的帧，并根据前导脉冲的相关检测算法判断帧的有效性，经校验后有效的帧通过UDP报文传输至信息解码模块。

（7）信息解码模块：对通过UDP报文接受到的帧进行规范解码，将其转化为飞行信息数据。

目前，北斗技术已具备在全国范围内提供厘米级，后处理毫米级高精度定位基本服务能力，结合5G通信技术高速率、低延时、超高密度连接等特点，该飞行信息共享体系能够帮助无人机设备实现准确、快速确定自身飞行信息并交流共享。该飞行信息共享体系还得益于北斗技术特有的短报文功能与5G技术的D2D链路，能够实现普通移动通信信号不能覆盖地区与大规模机队机群的飞行任务，完善了该系统的应用情景，探索了无人机监管运行体系的进一步覆盖。

3.2 系统架构设计

设计了一款基于北斗与5G的无人机监管运行服务架构平台（下称“平台”）的软件框架（如图2），该架构将北斗定位、5G通信等技术融入，并添加飞行信息管理、冲突预警等功能，具有一定可行性。

图2 无人机监管运行服务平台软件框架图

3.2.1 平台服务对象

该平台面向无人机所有个人/企业、飞行操纵者（下称“飞手”）、空域管理员、飞行计划审批员、飞行调度员、平台管理员等不同用户类型开放，相应职能如下：

（1）无人机所有个人/企业：购买及注册对应无人机的拥有者，可将该机飞行权限授权于飞手。

（2）飞手：获取无人机单次或长期飞行权限的操纵者，在执行飞行任务前需通过平台提交飞行计划，经批准后在规定时间内飞行作业。

（3）空域管理员：在指定分配的空域内进行流量监控、预报等。

（4）飞行计划审批员：通过平台接收飞行计划申请，依照规章、环境条件、流量预测等进行无人机放行。

（5）飞行调度员：确保各无人机在独立不受干扰情况下完成起飞地至降落地的飞行任务，在冲突预测及解脱规划后与飞行操纵方沟通。

（6）平台管理员：作为平台监管方，统筹管理上述所有类型账户信息。

3.2.2 平台软件架构

平台软件按服务需求分为注册登录、平台服务两大界面。

注册登录界面承担用户身份注册、核实登录两个功能，并对应后端身份信息库。注册时，需填写用户类型、用户名、密码、联系方式等通用信息及不同用户类型专有信息。登录时，键入信息与身份信息库内对照一致，方可进入平台服务界面。

在平台服务界面中，提供用户中心、权限管理、设备管理、飞行计划、飞行空域信息、气象信息、飞行冲突规划七则功能页。用户中心页可进行个人信息管理、修改、确认，并替换身份信息库内对应内容。该页面同时提供查看数据统计、日志管理、错误查询等用户信息。权限管理页为不同类型用户提供不同服务，如无人机所有者及飞手在该页面进行飞行权限交接、各类管理人员在该页面进行所属权限的管理控制。设备管理页中，无人机所有者、飞手能够进行飞行器设备的绑定、解绑及信息修改。飞行计划页为飞手进行飞行计划申请、飞行计划审批员进行申请的批准或驳回，计划包括起飞地、降落地、飞行器编号及型号、飞行时段及时间、预定路线等详细信息。飞行空域信息页可查看不同空域实时情况，用户根据提供的信息判断流量情况，选择合适时间执行或批准飞行任务。气象信息页提供与飞行相关的实时气象参数，对未来时刻气象情况进行预报，对计算飞行适宜度进行计算。正在执行飞行任务的无人机用户，将通过平台传输实时飞行数据，平台依此计算同一或相邻空域内的无人机的预定飞行轨迹是否存在冲突。对于存在的冲突，平台利用特殊算法进行规划，给出冲突解脱的最佳路径，通过飞行冲突规划页实时传输至飞手用户。

4 结束语

本文基于5G与北斗的定位传输模块通过应用新兴技术，实现了功能的稳定升级，得到了更加精确授时定位，从而获取了更加准确的飞行信息，为监管运行架构提供了信息基础。无人机监管运行服务平台软件的搭建对于探索实践无人机监管运行具有建设性意义，同时该软件平台能够吸收诸多不同技术，可逐步完善成为一款功能强大、应用广泛且能够高效解决实际应用场景中无人机冲突解脱问题的无人机运行监管平台。