民用无人机地面站研究

严月浩，蒋文全＊，何修军，韩霞

（1.成都工业学院 汽车与交通学院，四川 成都 611730；2.成都信息工程大学 光电工程学院，四川 成都 610225；3.成都工院无人机科技有限公司，四川 成都 611730）

0 引言

随着科技的进步，无人机以快速化、智能化、无人员伤亡风险等特点，在军用和民用方矶都有着广泛的应用。无人机产业的发展已势不可挡。无人机地面站是地面操作人员控制无人机顺利完成任务的地面指挥中心，使地面操作人员通过地面站实现对无人机远程控制与监管。地面操作人员不仅可以手持遥控器视距内对无人机进行手动操纵，也可以通过地面站超视距的指导无人机完成相应的飞行任务并自主回收返航。本文分析了无人机地面站的发展现状，地面站的组成与分类以及所应用的关键技术，提出无人机地面站的建设建议，以推动无人机地面站更好地朝智能化前进，促进无人机产业高质量发展。

1 民用无人机地面站的发展现状

随着无人机在国内外的快速发展与广泛应用，无人机地面站作为无人机系统的地面控制中心，是无人机系统的重要组成部分。20世纪50至70年代，美国军方利用地面站系统完成了对无人机的控制，完成了各种作战任务，地面站系统已经初步形成，并进入了快速发展阶段[1]。到20世纪90年代，英美等各国设计并采用了以“捕食者”无人机地面系统为代表的复合控制多用途无人机地面站，地面站趋于集群化，功能更加智能化[2]。进入21世纪以后，军用无人机的微型化设计趋势催生了民用无人机产业发展，无人机地面站系统进入了高速发展的时代[3]。

由于无人机的特点适用于各行各业，催生了地面站应用场景的研究。蔡伟杰[4]研究了一种面向农业植保智能化作业的无人机地面站，设计并实现了一种智能化农田作业的自动航线生成算法，降低了农田作业规划的难度，量身定做了简单易用的农业植保无人机地面站；石秀[5]研究了一种基于高速公路违章检测的无人机地面站，实现了高速公路违章检测向更智能化发展，检测结果更加准确；任旭东[6]研究了一种面向城市道路巡检的无人机地面站，实现无人机对城市目标路段的快速巡检，同时基于无人机视频实现对车辆的检测与车流量统计，并科学合理地设计与实现软件的通信、界面呈现与数据存储机制；徐悦[7]研究了一种用于河道巡检的无人机地面站系统，提出一种河道巡检系统方案，实现对河道偷排偷放现象的有效监管；陈锴等[8]研究了一种用于桥梁病害检测的无人机地面站，根据桥梁结构特点，采用栅格法设计基于混合策略的全覆盖路径规划算法，提升了无人机桥梁病害检测的自动化水平；许家浩等[9]研究了一种基于无人机电力线路巡检的多功能地面站，实现了输电杆塔自动定位、精确辨识、巡检过程数据自动处理，有效提高了输电无人机的应用水平；周超等[10]研究了一种面向民航无线电监测的无人机地面站系统，将无线电信号侧向定位功能融入地面站系统，实现单人对无人机的控制和无线电的监测。除了这些方面，还有其他应用场景，比如科考研究、气象探测、警用消防、公共安全等方面。未来无人机地面站系统会愈加趋于专门化，满足各种人群，适应各种应用场景。

2 民用无人机地面站的组成及分类

2.1 无人机地面站的组成

无人机地面站有单点地面站和多点地面站，通常使用的民用无人机地面站都是单点地面站，一般由一到多人值守，包括有技术员、场务人员、后勤员、通信员、指挥员等。民用无人机地面站由硬件和软件组成。

2.1.1 硬件构成

地面站的硬件部分是地面操作人员与无人机进行直接交互的媒介，包括遥控器、旋钮开关和无线数图传等，如图1所示。

图1 地面站硬件构成

由于民用无人机大部分都需要在室外作业及执行飞行任务，因此无人机地面站一般都采用高分辨率，日光下可见的高性能显示屏。显示层的主要功能见表1。

表1 显示层功能

无人机的航迹飞行是通过鼠标和键盘在地面站软件上进行控制的，而无人机的起降与飞行一般采用摇杆操纵。遥控器除操纵无人机起降与飞行之外，还控制无人机的云台。操作层主要实现以下两部分功能，见表2。

表2 操作层功能

通讯层，就是利用遥控发射天线和遥测接收天线来完成地面站与无人机之间的通信连接。通过发射天线，地面操作人员使用遥控器或者地面站软件将对无人机控制命令传达到无人机，无人机的相关飞行信息与航迹信息则通过遥测接收天线回传到地面站，在显示界面展现，供地面人员观察使用，示意图如图2所示。

图2 通讯层工作示意

2.1.2 软件构成

地面站组成的另一重要部分是软件部分。地面操作人员通过地面站的硬件设备来与地面站软件进行交互，达到对无人机本身的一系列操纵、监控和信息显示，以保证无人机的安全飞行和飞行任务的有效完成。

地面站软件结构主要分为修改与显示无人机状态、关键报警信息和地理信息与任务规划三部分，如图3所示。

图3 地面站软件构成

无人机地面站将无人机返回的信息进行实时采集、存储与显示，供地面人员对无人机的飞行状态进行全方位把控，针对一些可能出现的意外状况，提供关键信息报警，警示地面操作人员做好应急预案。

无人机地面站的任务规划是实现智能化控制无人机的重要功能。地面人员根据实际航线与设定的航线来判断飞行任务状态，当遇到特殊不可抗力因素时，可重新规划航线或者直接通过地面站软件控制无人机切换控制模式或者返航，紧急时候也可选点场外迫降。

无人机与地面站之间工作过程如图4所示：

图4 无人机与地面站之间工作过程

2.2 无人机地面站的分类

2.2.1 根据系统复杂程度

无人机地面站可根据系统的复杂程度进行分类，分为便携式地面站、易部署式地面站和分布式地面站。便携式地面站如深圳华之翼公司的T21、T30型地面站，深圳科比特公司的小霸王II型地面站；易部署式地面站如成都纵横公司的专业航测无人机地面站系统；分布式地面站如车载无人机地面站和战术无人机地面站具体见表3。

表3 无人机地面站复杂程度分类

2.2.2 根据适用范围

根据适用范围分类，无人机地面站可分为消费级地面站和专业级地面站。消费级地面站以大疆创新公司的产品为代表，如DJI GS PRO型地面站，而专业级地面站主要用于测绘、巡检等应用，如哈瓦国际航空公司的GCS-22EX型地面站，具体见表4。

表4 无人机地面站适用范围分类

3 无人机地面站的关键技术

3.1 通信技术

为保证无人机和地面站之间能够实时通信及正常执行任务，无人机与地面站之间需要建立传输速率快、实时性好、传输距离远、可靠性高的通信连接。随着5G通信的成功商用化，近年以快速发展5G通信为研究热点，王鹏[11]研究了一种基于5G网络的无人机通信控制系统，能够实现无人机与地面站超远程信号传输，提高通信质量；董明明[12]研究了基于5G通信下无人机高速公路巡检防碰撞技术，借助5G通信技术搭建空中与地面通信网络，消除了无人机在高速公路巡检中的安全隐患，避免由于碰撞而导致坠地等风险；邓也等[13]研究了基于5G网络下拓展无人机飞行控制距离的方案，在无线电传输的极限距离下，将地面控制切换为5G网络，可以大幅度扩展无人机飞行距离。除了地面上，还有用于海上的无人机5G通信方案，如韦定江等[14]提出了一种基于5G通信网络下无人机海上搜救方案，解决了无人机海上搜救遇到的问题，提高了海上遇险目标的获救机率。因此随着5G网络的普遍化，无人机地面站在5G网络通信下的运用也越来越多。通信技术中又包含抗干扰传输、无线图传和调制技术等。

（1）抗干扰传输技术：通信目标为对抗复杂环境存在的各种干扰，提高在通信对抗中的生存能力，采取的通信反对抗方法和体系。

（2）无线图传技术：将正在执行飞行任务的无人机所拍摄到的画面，实时稳定的传输到地面无线图传遥测接收设备。无线图传技术依据不同调制方式分为模拟图传和数字图传。

（3）调制技术：无人机与地面站进行无线通信中，利用电磁波作为信息的载体。信息一般是待传输的调制信号，其特点是频带较宽、频率较低且存在相互重叠现象，为适应单一信道传输，必须将待传输的调制信号加载到高频载波上，使要传输的数字信号或者模拟信号转换成适用于信道传输的高频信号。

3.2 航迹规划技术

综合考虑各种环境因素如气象条件、地形地貌以及无人机自身性能后，规划出起始点与目标点之间的最优飞行航迹称为航迹规划技术。在无人机执行飞行任务中，越优的航迹规划越能提高无人机的任务执行效率。现有的航迹规划多数都局限于二维的、静态的规划与避障，邓叶[15]在现有技术局限下，提出基于人工势场法的航迹规划方法，将动态障碍物纳入研究对象范围构造了速度势场和加速度势场，提高了航迹规划的智能性；辛守庭等[16]研究了基于改进粒子群算法的无人机三维航迹规划，提高了算法对无人机三维航迹的规划成功率，且减小航迹长度；陈鹏宇[17]提出了适用于建筑密集区低空无人机航迹规划算法，保证了无人机安全，顺利通过该类型区域。因此针对航迹规划空间的局限性和复杂性，应用启发式智能算法对无人机航路进行规划是研究热点。

3.3 电子地图技术

电子地图技术是以数字地图数据为基础，以计算机系统为处理平台，在地面站屏幕上进行实时显示。无人机地面站应用电子地图技术可以直观地对无人机飞行信息以及飞行数据进行显示。刘善武等[18]提出了基于GPS数据和压缩栅格算法，弥补了栅格地图存储空间较大和处理时运算资源需求较多等弊端的同时，实现了电子地图的快速构建；刘尚兰[19]研究了基于线路特征的电子地图匹配技术，以电子地图为基础，结合线路特征，实现地图辅助的车辆位置估计，提高了位置估计精度和对复杂场景的适应性。由于电子地图的显著特点以及直观性，各行各业已经在广泛研究与应用。电子地图的特点如下：

（1）可以信息检索、地图分析和智能规划等。

（2）地理信息可视化、信息表达多样性和地图载负量高。

（3）能与用户进行交互，具有共享性。

（4）成本相对低廉、容易再版。

3.4 MAVLink协议与SBUS协议

MAVLink协议是一种适用于微型无人机与地面站 通 信 的 开 源 协 议，PIXHAWK飞 控、APM和QGroundControl地面站均使用了MAVLink协议进行通讯。由于该通信协议是开源的，缺乏足够的安全机制，存在可能导致严重威胁和隐患的安全漏洞的问题，吴颖等[20]提出了针对MAVLink链路通信协议的安全分析，归纳了其常见的安全威胁和隐患；张凌浩等[21]提出一种基于MAVLink协议的无人机系统安全通信方案，防止了无人机与地面站通信过程中存在的恶意窃听、篡改消息、中间人攻击等问题，并且对无人机性能影响较小，较好地解决了MAVLink协议存在的安全漏洞。因此，由于该协议的开源性，针对其安全机制的研究是未来的主要趋势。SBUS协议是一种串口通信协议，通常是在遥控上面使用，它的优点是可以通过一根总线便可获得遥控器上的多个通道的数据，从而能连接多个设备，“一站多机”的功能便是通过此协议来实现的。

4 民用无人机地面站发展趋势

民用无人机地面站具有以下发展趋势：

（1）发展长航时地面站。目前无人机地面站普遍的续航时间都在十小时以内，如果当在野外或者不方便直接进行充电的环境条件下执行飞行任务时，续航时间将会是一个直接影响任务成功与否的关键问题。所以发展长航时地面站是一个亟待解决的问题，也是未来的发展趋势。

（2）发展模块级地面站。当前多数的民用无人机地面站都是只能适配固有的无人机型号，其他型号的可能就不能连接上使用。发展研究通用模块级地面站，可以在一定程度上避免重复研制，浪费时间与精力的问题，而且可以更好的为用户服务，促进无人机产业的发展。

（3）发展可实现多无人机编队或者虚实结合的无人机编队飞行功能的地面站。当前无人机地面站虽然基本能实现同时控制多架无人机飞行，但是利用地面站实现多无人机编队飞行也是未来发展的趋势，这样不仅可以更好地完成飞行任务也能高效率的节省飞行时间，为用户创造更高的价值。