基于北斗技術(shù)的無人機飛行監(jiān)管系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

任麗艷， 李英成,3， 薛艷麗,3， 丁曉波,3， 吳 豪

(1.航空遙感技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100039； 2.中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100039； 3.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039)

0 引言

低空輕小型無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)具有成本低、易操作和高度靈活性的特點，能夠攜帶相關(guān)設(shè)備在空中執(zhí)行一些特殊任務(wù)[1-2]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并廣泛應(yīng)用在國土資源監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)和農(nóng)林遙感等多個領(lǐng)域[3-9]。然而，這類無人機機型多，裝備分散，缺乏統(tǒng)一管理，且飛行高度低、速度慢、體積小，沒有安裝大型無人機的通信應(yīng)答設(shè)備，無法使用傳統(tǒng)的空管方式，給民航等正常飛行任務(wù)帶來嚴(yán)重威脅。隨著國家逐步對低空的開放，無人機飛行應(yīng)用的快速發(fā)展迫切需要飛行作業(yè)的安全管理。

從監(jiān)管技術(shù)發(fā)展來說，目前低輕型無人機多數(shù)采用無線電臺的飛行監(jiān)管模式，受限于無線電臺功率，信號傳輸距離短，不具備遠程監(jiān)管的能力[10-11]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外無人機遠程監(jiān)管尚處于探索期，美國航空航天局開發(fā)的無人機空中交通管制系統(tǒng)，在無人機上安裝低空交通與飛行空間安全系統(tǒng)(low altitude traffic and airspace safety，LATAS)，利用無線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)，在云端軟件中顯示無人機的位置和姿態(tài)，并能自動警醒避免彼此碰撞[12]； 美國聯(lián)邦航空管理局推出的無人機網(wǎng)上登記服務(wù)，通過注冊備案無人機進行監(jiān)管[13]； 國內(nèi)的AOPA U-Cloud系統(tǒng)，在無人機上裝備SIM卡，基于互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，將其飛行航跡、速度等實時納入到云數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對無人機的監(jiān)控[14]； DJI GEO系統(tǒng)通過與其硬件產(chǎn)品綁定，利用無線網(wǎng)絡(luò)提供所在區(qū)域的飛行限制和安全信息提示[15]； U-Care系統(tǒng)也具備無人機云監(jiān)管、飛行作業(yè)管理等無人機監(jiān)管與運營功能[16]。

隨著無人機監(jiān)管系統(tǒng)在推廣應(yīng)用中的不斷完善，需要融入更多的高新信息技術(shù)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)具有(導(dǎo)航)定位、(精密)授時和短報文通信功能，可以在全國范圍內(nèi)提供全天候的衛(wèi)星導(dǎo)航和短信傳輸服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自1994年開始制定了“三步走”發(fā)展規(guī)劃，即實現(xiàn)“區(qū)域有源定位(2000年)—區(qū)域無源定位(2012年)—全球無源定位(2020年)”，最終將實現(xiàn)全球的衛(wèi)星導(dǎo)航能力。

為滿足無人機資源的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)飛行作業(yè)任務(wù)按照“注冊報批—合理判斷—任務(wù)統(tǒng)籌”的業(yè)務(wù)化流程，在充分研究北斗導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，基于“‘863’計劃”課題，本文項目組研發(fā)了基于北斗技術(shù)的針對低空輕小型無人機的飛行監(jiān)管系統(tǒng)，以解決低輕型無人機的快速標(biāo)識與有效監(jiān)管問題。本文從該監(jiān)管系統(tǒng)的研發(fā)思路、開發(fā)環(huán)境和功能構(gòu)成等方面詳細闡述系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，并在四川省、新疆維吾爾自治區(qū)和湖北省等地區(qū)開展了多類型作業(yè)環(huán)境的測試和驗證工作。

1 系統(tǒng)研發(fā)

1.1 研發(fā)思路

低空輕小型無人機飛行監(jiān)管系統(tǒng)研發(fā)思路主要是在硬件和軟件2個層面將北斗導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)與無人機飛行監(jiān)管工作流程進行深度融合。研發(fā)內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、硬件研制、軟件研發(fā)、軟硬件集成和測試飛行等。

硬件方面： 研發(fā)機載/地面無人機監(jiān)管單元、硬件接口協(xié)議以及飛行諸元(無人機位置、姿態(tài)參數(shù))傳輸協(xié)議。在此基礎(chǔ)上，利用北斗短報文通信機制與鏈路，將無人機的飛行諸元實時回傳至監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫，相關(guān)部門可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用軟件對無人機實施監(jiān)控。

軟件方面： 設(shè)計并構(gòu)建一系列無人機監(jiān)管相關(guān)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜集和整理入庫； 研發(fā)軟件平臺，實現(xiàn)對無人機飛行監(jiān)管前數(shù)據(jù)的注冊報批審核，飛行監(jiān)管時的北斗數(shù)據(jù)接收、飛行軌跡可視化、違規(guī)報警、規(guī)劃調(diào)度以及飛行監(jiān)管后的數(shù)據(jù)發(fā)布。主要涵蓋4個功能模塊： ①無人機資源與任務(wù)的注冊審批發(fā)布，實現(xiàn)飛行監(jiān)管前數(shù)據(jù)的報批審核與資源統(tǒng)一管理； ②北斗數(shù)據(jù)接收，實現(xiàn)飛行諸元的實時接收； ③飛行任務(wù)監(jiān)管，實現(xiàn)飛行監(jiān)控與違規(guī)報警； ④資源規(guī)劃配置，實現(xiàn)無人機應(yīng)急服務(wù)調(diào)度管理。

1.2 開發(fā)環(huán)境

按照監(jiān)管平臺應(yīng)滿足用戶廣泛性和數(shù)據(jù)保密性的要求，系統(tǒng)設(shè)計了外網(wǎng)B/S架構(gòu)和內(nèi)網(wǎng)C/S架構(gòu)2部分，外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)的開發(fā)環(huán)境如表1—2所示。

表1 外網(wǎng)開發(fā)環(huán)境Tab.1 Development environment of the wide area network

表2 內(nèi)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境Tab.2 Development environment of the local area network

1.3 功能構(gòu)成

系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1所示。其中，外網(wǎng)平臺注冊、審核飛行監(jiān)管前的無人機資源與任務(wù)數(shù)據(jù)以及發(fā)布飛行監(jiān)管后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)同步更新至內(nèi)網(wǎng)； 北斗一體機中的北斗模塊通過串口直接與內(nèi)網(wǎng)監(jiān)管平臺連接，實現(xiàn)無人機飛行諸元數(shù)據(jù)的傳輸； 內(nèi)網(wǎng)平臺則通過匹配外網(wǎng)數(shù)據(jù)與北斗數(shù)據(jù)實現(xiàn)無人機飛行時監(jiān)管功能以及三維可視化。

圖1 系統(tǒng)功能構(gòu)成

1.3.1 注冊、審核和發(fā)布

系統(tǒng)設(shè)計了3類用戶： 未注冊用戶、注冊用戶和管理員，不同級別的用戶具有不同的權(quán)限。未注冊用戶通過外網(wǎng)平臺中的用戶注冊模塊注冊、審批成為注冊用戶。擁有無人機資源的注冊用戶進入資源注冊系統(tǒng)填報無人機資源信息(如基本信息、飛行平臺信息、飛控信息和擁有單位等)，用于無人機系統(tǒng)的登記統(tǒng)計及規(guī)劃管理； 計劃執(zhí)行飛行任務(wù)的注冊用戶進入任務(wù)注冊系統(tǒng)填報任務(wù)信息(如任務(wù)范圍、飛行時間、飛行高度和所用無人機型號等)，報批飛行任務(wù)。管理員根據(jù)資源注冊信息的合法性、合理性和重復(fù)性以及任務(wù)注冊信息的空域?qū)徟?、時間審批等條件，24 h內(nèi)確認和審核注冊信息并反饋審核結(jié)果狀態(tài)。審核通過后,系統(tǒng)會為無人機和任務(wù)分配唯一的標(biāo)識ID。審核通過的任務(wù)信息即可進行無人機飛行任務(wù)監(jiān)管，審核未通過的則反饋存在問題。

完成飛行監(jiān)管后，系統(tǒng)根據(jù)用戶注冊權(quán)限提供所有信息的匯總瀏覽、各項指標(biāo)的介紹信息，共享無人機資源與任務(wù)數(shù)據(jù)以及飛行結(jié)果數(shù)據(jù)，相關(guān)部門可以有效掌控?zé)o人機的信息資源，以備優(yōu)化配置并統(tǒng)一管理和調(diào)度。

1.3.2 北斗數(shù)據(jù)接收

如圖2所示，首先將機載無人機監(jiān)管單元采集的飛行諸元數(shù)據(jù)和接收方ID的通信申請信號加密，并利用北斗短報文技術(shù)發(fā)送至北斗衛(wèi)星； 然后，北斗衛(wèi)星將信號以短報文方式轉(zhuǎn)發(fā)到地面無人機監(jiān)管單元； 最后，地面無人機監(jiān)管單元實時接收和解密短報文，并推送給無人機飛行監(jiān)管軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收模塊。

北斗數(shù)據(jù)接收軟件模塊操作流程為： 啟動無人機通訊設(shè)置，配置端口、波特率等硬件參數(shù)，完成北斗監(jiān)管裝置的軟硬件連接； 點擊“跟蹤”啟動監(jiān)管，當(dāng)連接狀態(tài)顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)信息時，表示數(shù)據(jù)接收成功； 點擊“斷開”則停止監(jiān)管，當(dāng)連接狀態(tài)顯示關(guān)閉時，表示數(shù)據(jù)接收失敗。

(a) 北斗數(shù)據(jù)接收流程 (b) 北斗數(shù)據(jù)接收模塊界面

圖2北斗數(shù)據(jù)接收邏輯流程與功能

Fig.2LogicalprocessandfunctionofBeidoudatareception

1.3.3 基礎(chǔ)功能

系統(tǒng)是基于自主研發(fā)的“神州遨游TopWorld”基礎(chǔ)平臺開發(fā)的三維可視化平臺，其基礎(chǔ)功能包括： ①圖層化管理,加/卸載監(jiān)管區(qū)域的影像、地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及管制區(qū)和飛行任務(wù)注冊范圍等無人機監(jiān)管專題數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的顯示模式； ②視圖,提供一系列基本瀏覽操作功能，包括旋轉(zhuǎn)、平移及縮放等； ③符號化表達,對系統(tǒng)中無人機等專題對象配置相應(yīng)的符號； ④空間分析,提供空間距離量測和面積量測等功能。

1.3.4 飛行任務(wù)監(jiān)管

在任務(wù)飛行過程中，借助北斗模塊獲取飛行諸元信息(如飛行瞬時空間位置、飛行航向及飛行速度等)并將其入庫，然后在監(jiān)管平臺上進行三維實時監(jiān)管、匹配預(yù)警和可視化分析。具體包括以下4方面內(nèi)容：

1)一鍵啟動對所有任務(wù)的監(jiān)管，可切換當(dāng)天任務(wù)資源列表和在線資源樹形分布2種監(jiān)管模式，通過動態(tài)監(jiān)管面板顯示當(dāng)前任務(wù)的基本信息和任務(wù)狀態(tài)信息，并在三維場景中疊加飛行任務(wù)注冊范圍和管制區(qū)范圍。

2)當(dāng)接收到無人機飛行數(shù)據(jù)時，三維場景中顯示出無人機標(biāo)識并實時繪制其飛行軌跡，可實時動態(tài)顯示飛行諸元信息并查看無人機的資源信息。

3)實時監(jiān)管過程中，將飛行軌跡(或坐標(biāo))與飛行管制區(qū)域和任務(wù)注冊信息進行實時匹配，預(yù)警提示越界飛行、進入飛行管制區(qū)以及未注冊飛行等多種情況，出現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象時，無人機閃爍提示，并顯示和發(fā)送告警短信。

4)監(jiān)管結(jié)束后，統(tǒng)計分析當(dāng)天任務(wù)執(zhí)行情況，生成統(tǒng)計文檔，如飛行時長、違規(guī)信息等內(nèi)容。

1.3.5 資源規(guī)劃配置

系統(tǒng)的無人機資源與飛行任務(wù)注冊數(shù)據(jù)庫提供了大量的信息資源，因此，通過查詢統(tǒng)計等功能建立了一套應(yīng)急服務(wù)調(diào)度流程，在此基礎(chǔ)上，通過對無人機資源規(guī)劃、配置和調(diào)度，為相關(guān)部門提供管理和決策支持。主要包括以下3個環(huán)節(jié)：

1)災(zāi)害點的選取標(biāo)注。主要采用符號標(biāo)注的功能。

2)資源的綜合查詢和顯示。系統(tǒng)提供了基于語義和空間范圍2種查詢模式。語義查詢可以通過輸入行政區(qū)域和系統(tǒng)型號等進行精確查詢或模糊查詢； 空間查詢可按空間范圍或者按距災(zāi)害點的空間距離進行設(shè)置查詢。查詢結(jié)果可通過彈出結(jié)果面板和表格記錄等方式進行瀏覽，并在三維場景中顯示。

3)調(diào)度方案生成。統(tǒng)計輸出查詢結(jié)果并生成調(diào)度方案，包括執(zhí)行飛行任務(wù)的注冊用戶、無人機機型和飛行任務(wù)安排等。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)在四川省、新疆維吾爾自治區(qū)和湖北省等多地進行了測試應(yīng)用。本文僅以武漢市試驗為例介紹系統(tǒng)的應(yīng)用流程。本次測試監(jiān)管中心設(shè)在北京，共設(shè)計了3架無人機在武漢進行飛行試驗。

測試人員通過B/S客戶端完成用戶注冊并登錄B/S客戶端。在資源注冊模塊和任務(wù)注冊模塊分別完成無人機資源信息和飛行任務(wù)信息的注冊，提交信息進行審核； 審核通過后，分別自動生成標(biāo)識無人機和任務(wù)的唯一ID號。

無人機資源和飛行任務(wù)注冊完成后，相關(guān)信息同步傳輸?shù)紺/S客戶端，監(jiān)管用戶通過C/S客戶端對飛行任務(wù)進行監(jiān)管。監(jiān)管功能界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)監(jiān)管功能界面

從圖中可見區(qū)域三維地形地貌、注冊任務(wù)范圍、飛行軌跡和無人機標(biāo)識等監(jiān)管場景。根據(jù)北斗模塊獲取的飛行諸元信息，獲知在線的3架無人機狀態(tài)分別為越界并在禁飛區(qū)飛行、未注冊飛行和正常飛行，點擊單架無人機可以獲取該無人機的實時姿態(tài)信息及其報警信息。

本次試驗還全面測試了監(jiān)管系統(tǒng)的功能和性能，包括注冊系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳、無人機飛行諸元實時傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性以及無人機飛行監(jiān)管的可靠性和可視化效果。監(jiān)管平臺在數(shù)據(jù)接收過程中非常穩(wěn)定，接收的數(shù)據(jù)未出現(xiàn)錯誤，可視化效果良好。

3 結(jié)論

基于北斗技術(shù)的無人機飛行監(jiān)管系統(tǒng)通過對無人機資源與任務(wù)注冊、北斗飛行諸元接收、無人機飛行監(jiān)管與告警、資源規(guī)劃配置等關(guān)鍵技術(shù)的研究和實現(xiàn)，并基于B/S和C/S框架實現(xiàn)了無人機系統(tǒng)注冊與監(jiān)管功能。多地區(qū)的測試應(yīng)用試驗表明：

1)系統(tǒng)可實現(xiàn)無人機資源與任務(wù)的注冊、審批以及共享，統(tǒng)一管理和唯一標(biāo)識無人機資源任務(wù)，為飛行監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。

2)可實現(xiàn)多架無人機飛行諸元的同時遠程傳輸與3D可視化，提供無人機的實時位置服務(wù)與姿態(tài)信息。

3)在中心節(jié)點可實現(xiàn)全局無人機飛行的實時監(jiān)控和指揮，提供了無人機實時位置、飛行軌跡以及違規(guī)飛行報警信息，可聯(lián)系作業(yè)人員執(zhí)行控制指揮。

4)通過資源規(guī)劃配置和管理為管理部門指揮調(diào)度和決策提供依據(jù)。

5)本監(jiān)管系統(tǒng)首次將北斗通訊技術(shù)應(yīng)用于無人機飛行監(jiān)管，具有重要的應(yīng)用價值。一方面，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的引入解決了無人機飛行監(jiān)管目前所面臨的系列問題，使得國家空管和科技部門能夠有效掌控?zé)o人機遙感網(wǎng)絡(luò)的信息資源，實時監(jiān)管無人機飛行作業(yè)安全，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置、統(tǒng)一管理和調(diào)度； 另一方面，基于北斗技術(shù)的無人機飛行監(jiān)管系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的推廣提供了技術(shù)和硬件基礎(chǔ)，有利于其在無人機領(lǐng)域的扎根和快速發(fā)展。隨著我國民用無人機空管技術(shù)和管理機制的逐步形成，低空輕小型無人機的監(jiān)管功能將會不斷得到完善。

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