基于5G 网络拓展无人机飞行控制距离

［邓也 朱华章 谭裴 古莉姗 叶敏］

1 引言

无人机操控主要由控制端和无人机组成。控制端设备又由遥控器、电脑、视频显示器、电源系统、总控模块、无线电模块等设备组成。一般简单的来说就是一台电脑，一个无线电模块，一个遥控，电脑上装有控制飞机的软件，通过航线规划工具规划飞机飞行的线路，并设定飞行高度、飞行速度和飞行地点。飞行任务等通过数据口连接的无线电电台将任务数据编译传送至飞控中，无线电模块就是空中数据传输模块。

无线电模块就是飞机与地面站通信的一个主要工具，主要无线电模块采用的接口协议有TTL 接口、RS485 接口、RS232 接口、CAN-BUS 总线接口。频率有840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 频段，其中消费级无人机一般以2 408～2 440 MHz 频段的较多，控制指令覆盖距离在5 km 到10 km 不等。其作用就是无人机与控制端的通讯，控制端给无人机的下达任务，如飞行高度、速度等很多数据都会通过它来回传到控制端，以方便我们实时监控飞机情况，根据需要随时修改飞机航向。

2 原理介绍

由于现有物对物（控制端对无人机）指定通道为无线电方式，一定的发射功率无法突破极限距离。在极限距离情况下需要合理安全的切换控制指令至5G 网络，而不是把控制权移交给飞控系统，此时飞控系统只是作为备份系统；一旦控制端与无人机之间恢复物物通信的条件后，再把控制权交回无线电方式通讯。由此可以大幅度扩展无人机飞行控制距离，突破现有极限。要实现上述功能，需要新增5G 模块，如图1 所示。

图1 新增5G 模块

3 控制指令通道切换技术

在飞行过程中无人机通过接收到的控制端无线电信号强度或者质量（控制指令解析灵敏度门限）判断是否接近到达控制指令极限距离。一旦接近到达极限距离后，无人机与控制端进行交互，请示开启其他通信网络模块（比如各大运营商的5G 网络模块）。一旦控制端确认开启后，无人机开启5G 模块，注册5G 网络（registration 流程），并测量5G 网络信号强度。当测量满足无人机稳定接入门限（测量主服5G 小区强度是否在一定时间段满足某一门限）时，再次通过无线电信号请示控制端是否将控制指令通道切换到5G 网络，并提示控制端同时接入5G 网络（此处有两种方案：方案一控制端直接利用5G 模块接入5G网络；方案二控制端通过wifi 或者蓝牙短距离与操控者手机直连，通过操控者5G 手机接入5G 网络）。一旦控制端指示无人机切换控制指令通路至5G 网络（针对无人机控制指令，必须启用5G 超可靠低延迟通信URLLC，配置相应的切片数据，保证无人机高可靠低时延控制），控制端及无人机5G 模块接入运营商5G 网络并完成无人机操控平台登录后，控制端及无人机关闭无线电通信模块，后期控制指令通路完全由5G 网络传输到无人机操控平台处理承载。

具体的技术流程如图2 所示。

图2 无线电切换到5G 流程图

（1）无人机飞行过程中始终监控控制端无线电信号强度及质量（如现阶段主流消费级无人机接收机灵敏度约为-110 dbm），一旦满足一定时间段内（先期可以设定为2 秒）满足强度低于某门限及质量低于某门限（此处门限可以适当高于极限门限，便于无人机通过无线电信号回传开启5G 及切换请求，初步可以定义为-100 dbm），进入步骤2。

（2）无人机通过无线电信号回传请求开启5G 网络模块请求。

（3）控制端收到无人机请求开启5G 网络模块请求，通过无线电信号下发请求确认，允许无人机开启5G 网络模块。

（4）无人机接收到开启5G网络确认消息无线电信号，并转发至无人机总控模块。总控模块指示开启5G 网络模块，5G 网络模块完成5G SA 网络的注册（registration），并主动测量主服NR 小区网络质量（SSB-RSRP）。

（5-1）无人机5G 模块实时测量5G 信号，并上报至无人机总控模块，总控模块判断如果5G 信号无法在一定的时间段内（先期可以设定为5 秒）满足一定的门限（先期可以设定为-100 dbm），则总控模块反馈无法满足5G网络接入Ack，无人机总控模块通过无线电模块向控制端申请关闭5G 模块，得到控制端确认后关闭5G 模块，并沿用无线电通信模式。无人机继续通过无线电模块测量无线电信号强度，一旦距离小于前一门限减去5 db（如定义为-100 dbm-5 db=-105 dbm），再次进入步骤2。

（5-2）无人机5G 模块实时监控5G 信号，并上报至无人机总控模块，总控模块判断一旦满足一定时间段内（先期可以设定为5 秒）满足强度高于某门限（先期可以设定为-100 dbm），无人机总控模块请求切换至5G 网络并通过无人机无线电信号回传将控制指令通道切换到5G 网络的请求，并提示控制端同时接入5G 网络，后面进入流程步骤6。

（6）控制端收到无人机将控制指令通道切换到5G网络请求，通过无线电信号下发请求确认，允许无人机控制指令通道切换到5G 网络。

（7）控制端自主接入5G 网络，并完成无人机操控服务器平台登陆，并自主关闭无线电模块，以节省相应能源。

其中控制端接入5G 网络有种方案：

①方案一：控制端直接利用5G 模块接入5G 网络；

②方案二：控制端通过wifi 或者蓝牙短距离与操控者手机直连，通过操控者5G 手机接入5G 网络。

（8）无人机通过无线电信号接收到请求切换至5G网络的请求确认，无人机通过5G 网络进行无人机操控服务器平台登陆，并自主关闭无线电模块，以节省相应能源。

（9）至此控制端与无人机指令交互由先期的无线电通信变成了控制端通过5G 网络（二种方案）连接无人机操控服务器平台，再通过5G 网络下发至无人机。无人机操控由原来的物物连接变更为了物网物互联，势必会引入多余的时延。对于此类时延，必须将控制端及无人机签约URLLC 切片，切片类型中SST 配置为2，表征为URLLC切片。利用SA 网络的URLLC 的超低时延、超高可靠特性，完全可以满足无人机飞行过程中的时延、可靠性要求，由于URLLC 控制时延方面并非本提案关键点，只是利用SA 网络，在此不详细赘述。

4 控制指令切换回无线电通信

控制指令通路切换到5G 网络后，控制端通过5G 网络可以实时了解无人机GPS 位置，无人机通过自有GPS模块实时监控与控制端距离，一旦距离在一定时间段内稳定的小于某一门限（如现阶段直连控制极限7 km），无人机通过5G 网络上报开启无线电模块请求至控制端。控制端通过5G 网络下发允许开启无线电模块确认，并自主开启控制端无线电信号模块发送握手测试信号。无人机收到确认后自主开启无线电模块并开始扫描控制端握手测试信号。如果握手测试信号在一定时间段内保持稳定强度及质量（满足无线电信号解析灵敏度），无人机通过5G 网络请示控制端是否切换回直连模式（无线电通信）。控制端通过5G 网络下发确认切回，并同时在无线电信号端收取无人机切回信号，一旦收到无人机在无线电信号中收到切回notification，控制端关闭5G模块（deregistration流程）。无人机收在5G 网络上收到切换回无线电通信确认后，无人机通过无线电模块回传切回notification，并关闭5G 模块（deregistration 流程）。控制端与无人机再次进入无线电直连控制阶段。

具体流程如图3 所示。

图3 5G 切换回无线电流程图

（1）无人机通过GPS 模块计算与控制端距离，一旦距离在一定时间段内（初期可以定义为30 秒）均小于某一门限（如现阶段直连控制极限7 km）。

（2）无人机通过5G 网络发送开启无线电模块请求至控制端（中间经过了无人机操控服务器平台）。

（3）控制端收到无人机开启无线电模块请求，通过5G 网络下发请求确认，允许无人机开启无线电模块，控制端自主开启无线电模块并主动发送握手测试控制信号。

（4）无人机开启无线电模块，并主动测量无线电控制通路中握手测试信号质量。

（5-1）无人机无线电模块实时测量无线电握手测试控制信号，并上报至无人机总控模块，总控模块判断如果无线电握手信号无法在一定的时间段内（先期可以设定为20 秒）满足一定的门限，则无人机总控模块通过5G 模块向控制端申请关闭无线电模块，得到控制端确认后关闭无线电模块，并沿用5G 通信模式。无人机继续通过GPS 模块计算与控制端距离，一旦距离小于前一门限减去2 km（如现阶段直连控制极限7 km-2 km=5 km），再次进入步骤2。

（5-2）无人机无线电模块实时测量无线电握手测试控制信号，并上报至无人机总控模块，总控模块判断一旦满足一定时间段内（先期可以设定为20 秒）满足强度高于某门限且质量高于某门限，无人机总控模块通过5G 网络请求将控制指令通道切换到无线电通路，后面进入流程步骤6。

（6）控制端收到无人机将控制指令通道切换到无线电通信的请求，通过5G 网络下发请求确认ack，允许无人机控制指令通道切换到无线电通信。

（7）控制端一旦收到无人机在无线电信号中的切回notification，关闭5G 网络（此处需根据控制端接入5G 网络方式分别关闭5G 网络），随后完成5G 模块电源关闭，以节省相应能源。

其中控制端关闭5G 网络有种方案：

①方案一：控制端直接利用5G模块接入5G网络方式，则采用deregistration 流程关闭5G 网络接入；

②方案二：控制端通过wifi 或者蓝牙短距离与操控者手机直连，通过操控者5G 手机接入5G 网络，则关断控制端与操控者5G 手机连接。

（8）无人机通过5G 网络收到切换控制指令通路至无线电后，开启无线电模块接收控制指令，并通过无线电模块上报切回notification 至控制端。

（9）无人机发起deregistration流程完成5G网络关闭，随后完成5G 模块电源关闭，以节省相应能源。

（10）至此控制端与无人机指令交互由原来的物网物连接变更为了物物直联。

5 总结

现有消费级无人机的通讯主要依靠无线电方式，通讯距离比较短，控制指令极限距离小于10 km（以7 km 最为常见）。但在实际使用过程中，受到环境因素影响，比如地形起伏、城市楼宇、高压电线等，一般有效距离都在5 km 范围内。当无人机无法解析控制端指令达到一定时间长度（一般为2 秒）后，无人机飞控系统将接管无人机控制权并参考原飞行路径规划路线，控制无人机飞回最近记录的返航点。采用5G 技术后，在到达极限距离之前，无人机可提前切换至5G 网络，由于URLLC（切片）的低时延特性，对操控性的影响较小。由此，可以大大扩展无人机的可操作范围。