基于5G 網(wǎng)絡(luò)拓展無人機(jī)飛行控制距離

［鄧也 朱華章 譚裴 古莉姍 葉敏］

1 引言

無人機(jī)操控主要由控制端和無人機(jī)組成。控制端設(shè)備又由遙控器、電腦、視頻顯示器、電源系統(tǒng)、總控模塊、無線電模塊等設(shè)備組成。一般簡(jiǎn)單的來說就是一臺(tái)電腦，一個(gè)無線電模塊，一個(gè)遙控，電腦上裝有控制飛機(jī)的軟件，通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路，并設(shè)定飛行高度、飛行速度和飛行地點(diǎn)。飛行任務(wù)等通過數(shù)據(jù)口連接的無線電電臺(tái)將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中，無線電模塊就是空中數(shù)據(jù)傳輸模塊。

無線電模塊就是飛機(jī)與地面站通信的一個(gè)主要工具，主要無線電模塊采用的接口協(xié)議有TTL 接口、RS485 接口、RS232 接口、CAN-BUS 總線接口。頻率有840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 頻段，其中消費(fèi)級(jí)無人機(jī)一般以2 408～2 440 MHz 頻段的較多，控制指令覆蓋距離在5 km 到10 km 不等。其作用就是無人機(jī)與控制端的通訊，控制端給無人機(jī)的下達(dá)任務(wù)，如飛行高度、速度等很多數(shù)據(jù)都會(huì)通過它來回傳到控制端，以方便我們實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)情況，根據(jù)需要隨時(shí)修改飛機(jī)航向。

2 原理介紹

由于現(xiàn)有物對(duì)物（控制端對(duì)無人機(jī)）指定通道為無線電方式，一定的發(fā)射功率無法突破極限距離。在極限距離情況下需要合理安全的切換控制指令至5G 網(wǎng)絡(luò)，而不是把控制權(quán)移交給飛控系統(tǒng)，此時(shí)飛控系統(tǒng)只是作為備份系統(tǒng)；一旦控制端與無人機(jī)之間恢復(fù)物物通信的條件后，再把控制權(quán)交回?zé)o線電方式通訊。由此可以大幅度擴(kuò)展無人機(jī)飛行控制距離，突破現(xiàn)有極限。要實(shí)現(xiàn)上述功能，需要新增5G 模塊，如圖1 所示。

圖1 新增5G 模塊

3 控制指令通道切換技術(shù)

在飛行過程中無人機(jī)通過接收到的控制端無線電信號(hào)強(qiáng)度或者質(zhì)量（控制指令解析靈敏度門限）判斷是否接近到達(dá)控制指令極限距離。一旦接近到達(dá)極限距離后，無人機(jī)與控制端進(jìn)行交互，請(qǐng)示開啟其他通信網(wǎng)絡(luò)模塊（比如各大運(yùn)營(yíng)商的5G 網(wǎng)絡(luò)模塊）。一旦控制端確認(rèn)開啟后，無人機(jī)開啟5G 模塊，注冊(cè)5G 網(wǎng)絡(luò)（registration 流程），并測(cè)量5G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)測(cè)量滿足無人機(jī)穩(wěn)定接入門限（測(cè)量主服5G 小區(qū)強(qiáng)度是否在一定時(shí)間段滿足某一門限）時(shí)，再次通過無線電信號(hào)請(qǐng)示控制端是否將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò)，并提示控制端同時(shí)接入5G 網(wǎng)絡(luò)（此處有兩種方案：方案一控制端直接利用5G 模塊接入5G網(wǎng)絡(luò)；方案二控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連，通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò)）。一旦控制端指示無人機(jī)切換控制指令通路至5G 網(wǎng)絡(luò)（針對(duì)無人機(jī)控制指令，必須啟用5G 超可靠低延遲通信URLLC，配置相應(yīng)的切片數(shù)據(jù)，保證無人機(jī)高可靠低時(shí)延控制），控制端及無人機(jī)5G 模塊接入運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)并完成無人機(jī)操控平臺(tái)登錄后，控制端及無人機(jī)關(guān)閉無線電通信模塊，后期控制指令通路完全由5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o人機(jī)操控平臺(tái)處理承載。

具體的技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 無線電切換到5G 流程圖

（1）無人機(jī)飛行過程中始終監(jiān)控控制端無線電信號(hào)強(qiáng)度及質(zhì)量（如現(xiàn)階段主流消費(fèi)級(jí)無人機(jī)接收機(jī)靈敏度約為-110 dbm），一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)（先期可以設(shè)定為2 秒）滿足強(qiáng)度低于某門限及質(zhì)量低于某門限（此處門限可以適當(dāng)高于極限門限，便于無人機(jī)通過無線電信號(hào)回傳開啟5G 及切換請(qǐng)求，初步可以定義為-100 dbm），進(jìn)入步驟2。

（2）無人機(jī)通過無線電信號(hào)回傳請(qǐng)求開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊請(qǐng)求。

（3）控制端收到無人機(jī)請(qǐng)求開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊請(qǐng)求，通過無線電信號(hào)下發(fā)請(qǐng)求確認(rèn)，允許無人機(jī)開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊。

（4）無人機(jī)接收到開啟5G網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)消息無線電信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)至無人機(jī)總控模塊?？偪啬K指示開啟5G 網(wǎng)絡(luò)模塊，5G 網(wǎng)絡(luò)模塊完成5G SA 網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)（registration），并主動(dòng)測(cè)量主服NR 小區(qū)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量（SSB-RSRP）。

（5-1）無人機(jī)5G 模塊實(shí)時(shí)測(cè)量5G 信號(hào)，并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊，總控模塊判斷如果5G 信號(hào)無法在一定的時(shí)間段內(nèi)（先期可以設(shè)定為5 秒）滿足一定的門限（先期可以設(shè)定為-100 dbm），則總控模塊反饋無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)接入Ack，無人機(jī)總控模塊通過無線電模塊向控制端申請(qǐng)關(guān)閉5G 模塊，得到控制端確認(rèn)后關(guān)閉5G 模塊，并沿用無線電通信模式。無人機(jī)繼續(xù)通過無線電模塊測(cè)量無線電信號(hào)強(qiáng)度，一旦距離小于前一門限減去5 db（如定義為-100 dbm-5 db=-105 dbm），再次進(jìn)入步驟2。

（5-2）無人機(jī)5G 模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控5G 信號(hào)，并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊，總控模塊判斷一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)（先期可以設(shè)定為5 秒）滿足強(qiáng)度高于某門限（先期可以設(shè)定為-100 dbm），無人機(jī)總控模塊請(qǐng)求切換至5G 網(wǎng)絡(luò)并通過無人機(jī)無線電信號(hào)回傳將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，并提示控制端同時(shí)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，后面進(jìn)入流程步驟6。

（6）控制端收到無人機(jī)將控制指令通道切換到5G網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，通過無線電信號(hào)下發(fā)請(qǐng)求確認(rèn)，允許無人機(jī)控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡(luò)。

（7）控制端自主接入5G 網(wǎng)絡(luò)，并完成無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)登陸，并自主關(guān)閉無線電模塊，以節(jié)省相應(yīng)能源。

其中控制端接入5G 網(wǎng)絡(luò)有種方案：

①方案一：控制端直接利用5G 模塊接入5G 網(wǎng)絡(luò)；

②方案二：控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連，通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò)。

（8）無人機(jī)通過無線電信號(hào)接收到請(qǐng)求切換至5G網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求確認(rèn)，無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)登陸，并自主關(guān)閉無線電模塊，以節(jié)省相應(yīng)能源。

（9）至此控制端與無人機(jī)指令交互由先期的無線電通信變成了控制端通過5G 網(wǎng)絡(luò)（二種方案）連接無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)，再通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至無人機(jī)。無人機(jī)操控由原來的物物連接變更為了物網(wǎng)物互聯(lián)，勢(shì)必會(huì)引入多余的時(shí)延。對(duì)于此類時(shí)延，必須將控制端及無人機(jī)簽約URLLC 切片，切片類型中SST 配置為2，表征為URLLC切片。利用SA 網(wǎng)絡(luò)的URLLC 的超低時(shí)延、超高可靠特性，完全可以滿足無人機(jī)飛行過程中的時(shí)延、可靠性要求，由于URLLC 控制時(shí)延方面并非本提案關(guān)鍵點(diǎn)，只是利用SA 網(wǎng)絡(luò)，在此不詳細(xì)贅述。

4 控制指令切換回?zé)o線電通信

控制指令通路切換到5G 網(wǎng)絡(luò)后，控制端通過5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)了解無人機(jī)GPS 位置，無人機(jī)通過自有GPS模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制端距離，一旦距離在一定時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定的小于某一門限（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km），無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)開啟無線電模塊請(qǐng)求至控制端?？刂贫送ㄟ^5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)允許開啟無線電模塊確認(rèn)，并自主開啟控制端無線電信號(hào)模塊發(fā)送握手測(cè)試信號(hào)。無人機(jī)收到確認(rèn)后自主開啟無線電模塊并開始掃描控制端握手測(cè)試信號(hào)。如果握手測(cè)試信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)保持穩(wěn)定強(qiáng)度及質(zhì)量（滿足無線電信號(hào)解析靈敏度），無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)示控制端是否切換回直連模式（無線電通信）?？刂贫送ㄟ^5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)確認(rèn)切回，并同時(shí)在無線電信號(hào)端收取無人機(jī)切回信號(hào)，一旦收到無人機(jī)在無線電信號(hào)中收到切回notification，控制端關(guān)閉5G模塊（deregistration流程）。無人機(jī)收在5G 網(wǎng)絡(luò)上收到切換回?zé)o線電通信確認(rèn)后，無人機(jī)通過無線電模塊回傳切回notification，并關(guān)閉5G 模塊（deregistration 流程）?？刂贫伺c無人機(jī)再次進(jìn)入無線電直連控制階段。

具體流程如圖3 所示。

圖3 5G 切換回?zé)o線電流程圖

（1）無人機(jī)通過GPS 模塊計(jì)算與控制端距離，一旦距離在一定時(shí)間段內(nèi)（初期可以定義為30 秒）均小于某一門限（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km）。

（2）無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送開啟無線電模塊請(qǐng)求至控制端（中間經(jīng)過了無人機(jī)操控服務(wù)器平臺(tái)）。

（3）控制端收到無人機(jī)開啟無線電模塊請(qǐng)求，通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)請(qǐng)求確認(rèn)，允許無人機(jī)開啟無線電模塊，控制端自主開啟無線電模塊并主動(dòng)發(fā)送握手測(cè)試控制信號(hào)。

（4）無人機(jī)開啟無線電模塊，并主動(dòng)測(cè)量無線電控制通路中握手測(cè)試信號(hào)質(zhì)量。

（5-1）無人機(jī)無線電模塊實(shí)時(shí)測(cè)量無線電握手測(cè)試控制信號(hào)，并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊，總控模塊判斷如果無線電握手信號(hào)無法在一定的時(shí)間段內(nèi)（先期可以設(shè)定為20 秒）滿足一定的門限，則無人機(jī)總控模塊通過5G 模塊向控制端申請(qǐng)關(guān)閉無線電模塊，得到控制端確認(rèn)后關(guān)閉無線電模塊，并沿用5G 通信模式。無人機(jī)繼續(xù)通過GPS 模塊計(jì)算與控制端距離，一旦距離小于前一門限減去2 km（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km-2 km=5 km），再次進(jìn)入步驟2。

（5-2）無人機(jī)無線電模塊實(shí)時(shí)測(cè)量無線電握手測(cè)試控制信號(hào)，并上報(bào)至無人機(jī)總控模塊，總控模塊判斷一旦滿足一定時(shí)間段內(nèi)（先期可以設(shè)定為20 秒）滿足強(qiáng)度高于某門限且質(zhì)量高于某門限，無人機(jī)總控模塊通過5G 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求將控制指令通道切換到無線電通路，后面進(jìn)入流程步驟6。

（6）控制端收到無人機(jī)將控制指令通道切換到無線電通信的請(qǐng)求，通過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)請(qǐng)求確認(rèn)ack，允許無人機(jī)控制指令通道切換到無線電通信。

（7）控制端一旦收到無人機(jī)在無線電信號(hào)中的切回notification，關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)（此處需根據(jù)控制端接入5G 網(wǎng)絡(luò)方式分別關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)），隨后完成5G 模塊電源關(guān)閉，以節(jié)省相應(yīng)能源。

其中控制端關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)有種方案：

①方案一：控制端直接利用5G模塊接入5G網(wǎng)絡(luò)方式，則采用deregistration 流程關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)接入；

②方案二：控制端通過wifi 或者藍(lán)牙短距離與操控者手機(jī)直連，通過操控者5G 手機(jī)接入5G 網(wǎng)絡(luò)，則關(guān)斷控制端與操控者5G 手機(jī)連接。

（8）無人機(jī)通過5G 網(wǎng)絡(luò)收到切換控制指令通路至無線電后，開啟無線電模塊接收控制指令，并通過無線電模塊上報(bào)切回notification 至控制端。

（9）無人機(jī)發(fā)起deregistration流程完成5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，隨后完成5G 模塊電源關(guān)閉，以節(jié)省相應(yīng)能源。

（10）至此控制端與無人機(jī)指令交互由原來的物網(wǎng)物連接變更為了物物直聯(lián)。

5 總結(jié)

現(xiàn)有消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的通訊主要依靠無線電方式，通訊距離比較短，控制指令極限距離小于10 km（以7 km 最為常見）。但在實(shí)際使用過程中，受到環(huán)境因素影響，比如地形起伏、城市樓宇、高壓電線等，一般有效距離都在5 km 范圍內(nèi)。當(dāng)無人機(jī)無法解析控制端指令達(dá)到一定時(shí)間長(zhǎng)度（一般為2 秒）后，無人機(jī)飛控系統(tǒng)將接管無人機(jī)控制權(quán)并參考原飛行路徑規(guī)劃路線，控制無人機(jī)飛回最近記錄的返航點(diǎn)。采用5G 技術(shù)后，在到達(dá)極限距離之前，無人機(jī)可提前切換至5G 網(wǎng)絡(luò)，由于URLLC（切片）的低時(shí)延特性，對(duì)操控性的影響較小。由此，可以大大擴(kuò)展無人機(jī)的可操作范圍。