射頻識別在無人機空管中的應用

四川九洲電器集團有限責任公司 鄧洪有

1 背景分析

隨著我國經(jīng)濟、社會的迅速發(fā)展和空域管理改革的持續(xù)推進，低空空域的逐漸開放，無人機使用亂象漸顯，無人機“黑飛”、“亂飛”導致的事故不斷出現(xiàn)[1][2]，除了墜落傷人、涉嫌侵犯隱私、擾民等問題外，還嚴重威脅著空域安全。2017年國內多家機場發(fā)生了“惡性”無人機黑飛事件，僅4月份成都雙流機場就遭到無人機干擾事件達9起，嚴重影響了航空運輸飛行安全和正常飛行秩序。

無人機與有人機共同使用空域使得無人機空中管制問題已成為亟待研究和解決的突出問題[3-5]。無人機空管包括兩方面內容，在法規(guī)和程序方面，盡最大可能從無人機的適航標準、無人機飛行員的資格許可等相關制度上杜絕安全隱患。我國《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規(guī)定》明確規(guī)定2017年6月1日起，我國境內最大起飛重量為250克以上（含250克）的民用無人機擁有者必須進行實名登記。在技術方面，管制員借助空管設備監(jiān)視飛行活動，防止違規(guī)飛行和違反間隔標準（如通過地面二次監(jiān)視雷達對發(fā)現(xiàn)的無人機目標進行詢問），而無人機操作員通過機載設備及時掌握周圍交通情況并進行相應的處理（如機載防撞系統(tǒng)）。目前的技術手段對大中型無人機可以起到一定的空管效果，但同時也出現(xiàn)了一些弊端和不足，簡要分析如下。

（1）無人機空中管制的基本前提是保證地面空中管制機構能及時準確地掌握無人機的基本信息。目前的地面監(jiān)視主要通過二次雷達實現(xiàn)，需要地基詢問機與機載應答機協(xié)同配合工作，但由于絕大多數(shù)無人機受到價格體積等方面的限制，沒有條件配備應答機，使微小無人機成了空管的“盲區(qū)”。而應答信息也十分有限，A模式僅應答識別碼、C模式為高度碼，S模式雖然可以發(fā)送數(shù)據(jù)通信報文但價格較高，更難廣泛裝備在微小無人機上，這在一定程度上限制了二次雷達的使用。

（2）目前無人機采用地面控制的飛行方式，民用特別是消費級的微小型無人機的飛行活動非常靈活，沒有固定的控制站點，管制單位與實施無人機飛行的操作人員通常難以建立及時有效地通訊聯(lián)系，無法對其進行“面對面”的管制指揮。

射頻識別即RFID（Radio Frequency Identification）[6]由詢問器（或閱讀器）和應答器（或標簽）組成，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)。RFID識別距離遠，可達數(shù)十米；可對標簽內的數(shù)據(jù)進行及時修改；環(huán)境適應性強，抗干擾能力強，可全天候使用；數(shù)據(jù)量大；閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。目前RFID技術較為成熟，體積小、重量輕、成本極低，在高速公路自動收費、人員識別、物資追蹤、生產(chǎn)自動化控制、倉儲管理等大量應用。

隨著無人機應用的急劇增加，急需參考傳統(tǒng)飛行器的空管方式，針對無人機的空管需求，結合其它技術領域（如RFID）提出

2 系統(tǒng)組成

基于射頻識別的無人機空管系統(tǒng)包括目標無人機攜帶的空管標簽、稽查無人機攜帶的空管閱讀器和機載通信系統(tǒng)、空管地面站的通信系統(tǒng)和無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲關于無人機、擁有者及飛行審批足夠詳細和全面的信息，是否建有該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)決定了空管標簽存儲的信息量，建有則空管標簽可只存儲基本信息并依此查詢數(shù)據(jù)庫獲得更完備的信息，否則空管標簽需存儲盡可能完備的信息。機載通信系統(tǒng)和地面站通信系統(tǒng)可利用現(xiàn)有通信手段和設備，無需另行研制和加裝?？展軜撕灪涂展荛喿x器是該系統(tǒng)的核心。

2.1 空管標簽

空管標簽主要由存儲器、控制模塊、射頻模塊和天線組成，如是有源標簽則帶有電池供電?？展軜撕灥念愋陀蔁o人機類型決定，微型無人機通常成本低、載荷小、速度較低，可以允許稽查無人機更近距離的識別，因此配置無源標簽；其它無人機配置有源標簽。

存儲器采用可讀寫存儲器，允許多次寫入數(shù)據(jù)。根據(jù)是否建有無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，存儲器內存儲不同的信息。如沒有無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，存儲的關于無人機、擁有者及飛行審批信息應足夠詳細和全面，主要包括但不限于無人機ID、無人機型號、無人機重量、無人機升限、非視距飛行能力、擁有者姓名、擁有者身份證號、擁有者聯(lián)系方式、批準的飛行區(qū)域、批準的飛行開始和結束時刻、批準的操作方式（視距/非視距）、操作員姓名、操作員身份證號、操作員取得的無人機駕照級別、操作員聯(lián)系方式等信息。如建有無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，空管標簽可存儲一些基本信息，主要包括但不限于無人機ID、擁有者身份證號、操作員身份證號等。

2.2 空管閱讀器

空管閱讀器的基本作用是作為鏈接前向信道(即空管標簽)和后向信道(機載通信系統(tǒng))的核心數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)，由接口控制單元、基帶模塊、射頻模塊、天線等組成。接口控制單元通過USB、串口、有線網(wǎng)口等將數(shù)據(jù)傳送給機載通信系統(tǒng)?；鶐K、射頻模塊、天線的個數(shù)N由采用空管標簽的種類數(shù)N決定，采用的標準和協(xié)議與射頻標簽的類型一一對應。

3 使用方法

基于射頻識別的無人機空管系統(tǒng)的使用前提和基礎是無人機購買時實行實名登記制，無人機信息、擁有者信息連同無人機空域使用審批信息（如已通過審批）一起寫入了空管標簽，并存入無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如建有）。如空管地面站發(fā)現(xiàn)疑似違規(guī)飛行無人機或不明無人機，則由地面站派遣攜帶閱讀器的無人機抵近進行識別，獲取該無人機、擁有者及飛行審批信息并依此判斷是否違規(guī)，如有必要可通過獲取操作員或擁有者的聯(lián)系方式實現(xiàn)對無人機的實時管控。

4 效益分析

本文針對傳統(tǒng)空管方式必須安裝機載應答機，以及管制員和操作員之間缺少聯(lián)系途徑的問題，提出一種無人機空管系統(tǒng)，相比基于空管應答機的傳統(tǒng)方式，該方法具有體積小、重量輕、成本低、操作簡單、使用靈活等特點。該系統(tǒng)將會產(chǎn)生的有益效果分析如下：

（1）大大拓展了無人機空管的監(jiān)控范圍。本方案中的空管標簽重量輕、體積小、成本低，適合微小無人機普遍安裝，填補了目前無人機的空管盲區(qū)，大大拓展了無人機空管的監(jiān)控范圍。

（2）建立了空管管制員和無人機操作員之間的聯(lián)系。本方案通過空管標簽或無人機管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠直接或間接獲取無人機操作員的聯(lián)系方式，該方法簡單易行，無需增加額外設備。

（3）極大豐富了無人機空管信息。本方案中的空管標簽可以存儲大量信息，包括但不限于無人機、審批（如經(jīng)過審批）以及擁有者信息，為后續(xù)空管指揮調度或事后追責提供條件，對無人機的“黑飛”也起到了威懾和限制作用。

5.小結

隨著無人機應用的急劇增加，無人機“黑飛”、“亂飛”導致的事故不斷出現(xiàn)，針對傳統(tǒng)空管方式必須安裝機載應答機，以及管制員和操作員之間缺少聯(lián)系途徑的問題，本文提出了一種基于射頻識別技術的無人機空管系統(tǒng)及方法，在無人機上粘貼空管標簽，由稽查無人機攜帶閱讀器進行抵近讀取相關信息并傳給地面空管機構?？展軜撕烍w積小、重量輕、成本低，適合微小無人機普遍安裝，該系統(tǒng)和方法具有較高的應用價值。

[1]Department of Defense of the USA. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011-2036[R].2011.

[2]戴大偉,龍海英.無人機發(fā)展與應用[J].指揮信息系統(tǒng)與技術,2013.8,4(4):7-10.

[3]高萍,王古常,鄭幸等.無人機空域飛行的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[C].2014(第五屆)中國無人機大會論文集,2014:627-629.

[4]蔡志浩,楊麗曼,王英勛等.無人機全空域飛行影響因素分析[J].北京航空航天大學學報,2011,37(2):175-179.

[5]沈振,劉洋.規(guī)范無人機空域使用的建議[J].國際航空,2014,9:37-38.

[6]魏峰.遠距離射頻識別系統(tǒng)關鍵技術的研究[D].西安電子科技大學,2009.