警用無人機(jī)飛行動態(tài)監(jiān)控平臺設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

鄧楠

（中國移動通信設(shè)計院有限公司北京分公司，北京 100038）

1 引言

UAV（Unmanned Aircraft Vehicle，無人駕駛航空器）簡稱“無人機(jī)”，是一種使用無線電設(shè)備遙控或自帶程序控制裝置操縱而不載人的低空空域飛行器。非軍用無人機(jī)用途廣泛，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。但目前無人機(jī)尚無完整、有效管控體系，缺乏對無人機(jī)飛行全過程的規(guī)范化管理，同時目標(biāo)識別、圍繞重要目標(biāo)和地區(qū)的空情判斷、相關(guān)決策和處置等工作難度較大，不利于要地空防安全的確保。另外，由于我國低空飛行管理系統(tǒng)建設(shè)起步晚，尚未基本形成全國一體的低空空域運(yùn)行管理和服務(wù)保障體系，使得無人機(jī)飛行活動受到較大限制，低空空域不能得到充分利用，對無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成較大的制約。

因此，建設(shè)無人機(jī)飛行動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)已成為迫切需求。研究、實(shí)施與有效部署警用無人機(jī)飛行動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅通過動態(tài)監(jiān)控為警務(wù)工作自身提供必要的、具有重大意義的保障體系，同時對未來全行業(yè)、全社會的無人機(jī)合法、規(guī)范的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)平臺。

2 構(gòu)成要素

警用無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用所涉及的要素分別包括：管控員、無人機(jī)駕駛員、監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)載端系統(tǒng)（無人機(jī)）。管控員利用監(jiān)控系統(tǒng)對無人機(jī)和無人機(jī)駕駛員進(jìn)行管理和監(jiān)控，其中，管控員通過話音通信手段向無人機(jī)駕駛員發(fā)布管理和咨詢指令；利用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視無人機(jī)的飛行狀態(tài)，并在緊急情況下向無人機(jī)發(fā)布超級飛控指令，對無人機(jī)的飛行實(shí)施控制。

機(jī)載端系統(tǒng)（無人機(jī)）通過衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取自身位置并通過空地通信系統(tǒng)向監(jiān)控系統(tǒng)下傳、接收管控員的操控指令，控制無人機(jī)飛行。無人機(jī)駕駛員利用無人機(jī)操控通信手段對無人機(jī)飛行進(jìn)行操控，接收管控員發(fā)出的管理和咨詢指令，并據(jù)此向管控員報告無人機(jī)飛行狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)是管控員對無人機(jī)飛行實(shí)時管控的平臺。

3 總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計基于總體可擴(kuò)充性和兼容開放的原則，不過分依賴于單一的設(shè)備配置和技術(shù)手段，保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性和對新技術(shù)的兼容能力；同時，統(tǒng)一系統(tǒng)建設(shè)中所涉及的各類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使系統(tǒng)具備相互兼容和可持續(xù)發(fā)展的能力。本系統(tǒng)由五大部分構(gòu)成，即機(jī)載端系統(tǒng)、地面端系統(tǒng)、地面話務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與支持系統(tǒng)和邊緣系統(tǒng)。如圖1所示。

3.1 機(jī)載端系統(tǒng)

機(jī)載端利用成熟的軟件無線電技術(shù)和信號處理技術(shù)，采用芯片化、模塊化設(shè)計，保證設(shè)計開發(fā)的獨(dú)立性、繼承性，便于將來使用、維護(hù)及升級；同時針對無人機(jī)特點(diǎn)，注重小型化、低功耗、方便安裝。

機(jī)載端系統(tǒng)由BD2/GPS雙模天線、BD2/GPS單元，MCU處理單元，2G/4G模塊單元、SIM卡、LTE天線，電源管理單元組成。機(jī)載端系統(tǒng)的BD2/GPS單元，MCU處理單元，2G/4G模塊單元采用小型化芯片，集成在機(jī)載監(jiān)控板卡上，以達(dá)到小型化、低功耗、方便安裝的目標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 地面端系統(tǒng)設(shè)計

地面綜合信息管理（監(jiān)控中心）系統(tǒng)，是利用軟、硬件設(shè)備，利用各種外源信息處理無人駕駛器，按用戶需求提供服務(wù)。采用面向?qū)ο蟮姆治瞿Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)化模型，單一模塊的升級，不影響系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和其他功能模塊；采用開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不過分依賴于單一的設(shè)備配置和技術(shù)手段，保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對新技術(shù)的兼容能力；同時，采用系統(tǒng)整體安全設(shè)計，明確網(wǎng)絡(luò)安全域邊界、控制數(shù)據(jù)的存取、實(shí)施數(shù)據(jù)應(yīng)用與交換權(quán)限管理，確保系統(tǒng)信息安全。系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)示意如圖3所示，分為接口層，核心層、服務(wù)層和應(yīng)用層。每一層又包括不同的子層次，每層修改不影響其他層次。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

圖2 機(jī)載端系統(tǒng)構(gòu)成

（1）接口層。為系統(tǒng)與外部的信息接口和提供人機(jī)交互界面，包括話音、數(shù)字和操作接口，提供接收系統(tǒng)運(yùn)行所需支撐信息，輸出支持監(jiān)控的信息。

（2）核心層。為操作系統(tǒng)軟件，是所有通用軟件、應(yīng)用軟件分配、通信、同步以及控制硬件運(yùn)行的核心軟件。

（3）服務(wù)層。為建立在操作系統(tǒng)之上的數(shù)據(jù)管理軟件、J2EE/J2SE平臺軟件和Web服務(wù)器軟件，是為應(yīng)用層提供高層次服務(wù)軟件。

（4）應(yīng)用層。是系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件，可根據(jù)用戶需求構(gòu)成的用于監(jiān)控的各類服務(wù)軟件，服務(wù)軟件可根據(jù)不同系統(tǒng)部署要求進(jìn)行配置。

3.3 地面話務(wù)系統(tǒng)

地面話務(wù)系統(tǒng)滿足地面機(jī)組人員之間、監(jiān)控中心與機(jī)組人員之間等的實(shí)時通話需求。地面話務(wù)系統(tǒng)作為地面話音通信的解決方案，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控中心對任務(wù)區(qū)域的實(shí)時話音指揮，還可以拓展為多種制式的融合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的多場景功能。

圖3 地面綜合信息管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

端到端PDT集群網(wǎng)絡(luò)主要網(wǎng)元包括：移動交換中心MSC、集群基站BS和移動臺MS。MSC為整個集群系統(tǒng)的管理和交換中心，完成跨站呼叫和集群用戶管理。BS實(shí)現(xiàn)PDT空中接口協(xié)議，完成上下行信號的收發(fā)和處理。MS為用戶設(shè)備，完成用戶的語音或數(shù)據(jù)呼叫。此基礎(chǔ)PDT集群網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的指揮、監(jiān)控功能需求，而拓展后的融合通信系統(tǒng)，通信網(wǎng)關(guān)設(shè)備與不同制式的通信系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各種通信方式間的互聯(lián)互通，如數(shù)字系統(tǒng)用戶呼叫PSTN電話用戶、調(diào)度坐席用戶查看監(jiān)控攝像頭視頻等。此外，地面話務(wù)系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)使用不同通信方式的用戶之間的語音和視頻會議。

3.4 網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)主要包括空地通信子系統(tǒng)和地面?zhèn)鬏斪酉到y(tǒng)兩部分。通過空中接口將機(jī)載數(shù)據(jù)發(fā)送至基站接收設(shè)備，通過基站設(shè)備將空中接口射頻信號轉(zhuǎn)換為可地面?zhèn)鬏數(shù)墓庑盘柣螂娦盘?，并通過地面?zhèn)鬏斪酉到y(tǒng)發(fā)送至地面端系統(tǒng)。

可以利用現(xiàn)有GSM（GPRS）制式移動公共移動通信網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)無人機(jī)機(jī)載模塊數(shù)據(jù)回傳至綜合信息管理平臺的通信網(wǎng)絡(luò)空中接口。

無人機(jī)目前的飛行高度大部分在高程200 m以內(nèi)，少量能達(dá)到200～1 000 m的高空中。而目前GSM（GPRS）的基站天線高度大多均在35～55 m，遠(yuǎn)低于實(shí)際無人機(jī)的平均飛行高度。一般GSM（GPRS）基站覆蓋范圍水平都控制在500 m以內(nèi)，實(shí)際覆蓋范圍要視周圍山體（阻擋信號）、湖泊（反射信號）等情況而定，如果是自由空間加上基站高度夠高的話，水平覆蓋范圍1 500 m以上接收質(zhì)量一般較好。在高程方向上，由于天線高度和下傾角的原因，GSM信號會在200 m以上高程迅速衰減。

因此，在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)條件下，充分利用GSM基本承載力，滿足現(xiàn)階段要求。在無GSM覆蓋的區(qū)域內(nèi)，則考慮使用LoRa技術(shù)或GSM（GPRS）移動通信應(yīng)急設(shè)備來滿足機(jī)載端系統(tǒng)的通信需求。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線通信技術(shù)有多種，可組成局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。組成局域網(wǎng)的無線技術(shù)主要有2.4GHz的WiFi，藍(lán)牙、Zigbee等，組成廣域網(wǎng)的無線技術(shù)主要有2G/3G/4G等。在LPWAN產(chǎn)生之前，通常遠(yuǎn)距離傳輸和低功耗兩者之間只能二選一。隨著LPWAN技術(shù)的產(chǎn)生，上述問題得到了解決，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)長距離并且低功耗的通信，還可節(jié)省額外的中繼器成本。LoRa是目前最為成熟的LPWAN技術(shù)，它是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，并且易于建設(shè)和部署。

LoRa接受靈敏度可達(dá)到-148 dBm，相較于其他Sub-GHz芯片，最高的接收靈敏度改善了20 dB以上，這確保了網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。LoRa使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。

在沒有GSM（GPRS）覆蓋的地區(qū)，該系統(tǒng)采用便攜式LoRa基站與機(jī)載端系統(tǒng)進(jìn)行通信。這要求，無人機(jī)上加載一個LoRa模塊用來實(shí)現(xiàn)與便攜式LoRa基站的通信。

3.5 邊緣系統(tǒng)設(shè)計

邊緣實(shí)現(xiàn)與非本系統(tǒng)的其他外部系統(tǒng)對接功能，主要體現(xiàn)在與公安網(wǎng)邊際系統(tǒng)對接方面。由路由接入?yún)^(qū)、邊界保護(hù)區(qū)、應(yīng)用服務(wù)區(qū)、安全隔離區(qū)、安全監(jiān)測與管理區(qū)五部分組成?？傮w框架圖如圖4所示。

路由接入?yún)^(qū)建立各個外部網(wǎng)絡(luò)同安全接入及信息交換平臺之間的連接。將與各外部網(wǎng)絡(luò)和接入對象進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)流按照安全接入及信息交換平臺的安全策略加以區(qū)分。

邊界保護(hù)區(qū)實(shí)現(xiàn)安全接入及信息交換平臺邊界的完整保護(hù)。實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備認(rèn)證、用戶身份認(rèn)證、訪問控制和權(quán)限管理；數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性保護(hù)；防御網(wǎng)絡(luò)攻擊，所有外部網(wǎng)絡(luò)地址在此區(qū)域被轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的平臺內(nèi)部地址。

應(yīng)用服務(wù)區(qū)處理各類應(yīng)用相關(guān)的操作，作為公安信息網(wǎng)對外信息發(fā)布、信息采集、數(shù)據(jù)交換的中間區(qū)域。向外提供應(yīng)用代理等功能，避免直接訪問公安信息網(wǎng)的行為。此外，對此區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)各服務(wù)器的安全保護(hù)，防止非法控制。

安全監(jiān)測與管理區(qū)對整個安全接入及信息交換平臺的安全監(jiān)測、管理與維護(hù)。主要是業(yè)務(wù)安全監(jiān)測與管理，進(jìn)行業(yè)務(wù)注冊信息管理、各種安全策略管理、流量監(jiān)測、統(tǒng)計分析、安全審計等；部署入侵檢測系統(tǒng)，檢測和發(fā)現(xiàn)各類網(wǎng)上的非法攻擊；進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，設(shè)備日常運(yùn)行維護(hù)以及補(bǔ)丁升級、漏洞掃描與病毒防范。

圖4 邊界接入平臺總體框架圖

在各個區(qū)域?qū)嵤┌踩L問控制，配置默認(rèn)禁止，按需允許的訪問策略。實(shí)現(xiàn)適度安全的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)交換，同時要具有可擴(kuò)充性。做到用戶接入數(shù)量能方便擴(kuò)充，數(shù)據(jù)交換帶寬能方便擴(kuò)充，應(yīng)用系統(tǒng)能方便擴(kuò)充，安全防御能方便擴(kuò)充。

4 成果推廣和未來工作

支撐本監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的核心技術(shù)是監(jiān)視信息和命令信息交互，大范圍的移動通信網(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)成為關(guān)鍵。有效利用與借助公共移動通信網(wǎng)絡(luò)資源可保障系統(tǒng)在最大范圍應(yīng)用的效費(fèi)比和綜合可用度。因此，本系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計、部署與運(yùn)行需針對現(xiàn)有通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)體系、標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn)保持持續(xù)性跟進(jìn)、研究與完善。

已知可用技術(shù)體制的對比如表1所示。

通過表1中對已知技術(shù)體制的對比和前述的技術(shù)論證，可以看出：

GSM（GPRS）二代移動通信網(wǎng)絡(luò)隨著移動運(yùn)營商停止維護(hù)與升級，會逐步被4G、5G等新一代移動通信技術(shù)體制所取代。

表1 技術(shù)體制對比表

NB-IoT與LoRa是LPWAN體系下的兩大主要標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT作為三大運(yùn)營商在5G物聯(lián)網(wǎng)分支所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在大規(guī)模商用后，從傳輸距離、功耗、靈敏度、安全性等各方面將給予物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用更好的滿足和支撐；而針對LoRa技術(shù)，若大范圍的規(guī)模覆蓋，勢必會帶來較大的成本投入，但同樣由于其自組網(wǎng)的特點(diǎn)，更適合作為無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的補(bǔ)充選擇。

結(jié)合本系統(tǒng)在業(yè)務(wù)層面對于通信支撐網(wǎng)絡(luò)的需求，可按照移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與迭代的進(jìn)程，分階段實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)支撐網(wǎng)絡(luò)的逐步完善：

第一階段：基于公共資源現(xiàn)狀基于現(xiàn)有GSM（GPRS）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署?；谇笆龇治觯珿SM（GPRS）網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段可最大限度低成本滿足本系統(tǒng)在通信支撐網(wǎng)絡(luò)方面需求；在GSM（GPRS）網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，通過LoRa或應(yīng)急通信車方式進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋。

第二階段：在公共移動通信運(yùn)營商啟動NB-IoT部署后，可跟隨其部署的步伐，在本系統(tǒng)部分新開展區(qū)域使用NB-IoT技術(shù)作為承載網(wǎng)絡(luò)，使得NB-IoT與GSM（GPRS）在此階段共存。

第三階段：在NB-IoT完成全國范圍內(nèi)部署后，逐步在使用二代網(wǎng)絡(luò)作為通信承載的區(qū)域完成向NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的切換和業(yè)務(wù)割接。最終完成在全國范圍內(nèi)使用NB-IoT作為承載網(wǎng)絡(luò)的體系格局。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)率先面向警用無人駕駛航空器建立飛行動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)：相關(guān)裝備檢測管制、人員認(rèn)證管理、飛行監(jiān)視控制、數(shù)據(jù)智能追溯。后續(xù)可有逐步將飛行動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍有序擴(kuò)展至能源、交通、農(nóng)林等無人駕駛航空器應(yīng)用密集的垂直體系與行業(yè)。面對消費(fèi)類相關(guān)市場爆發(fā)式發(fā)展，有能力完成安全管理。最終實(shí)現(xiàn)安全、敏捷的管理能力復(fù)制，面向全行業(yè)、全社會的非軍用無人駕駛航空器的全面管理。

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