通用航空無人機飛行管控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著無人機應(yīng)用普及，為人們的工作和生活提供便利。但是隨之而來的也有風(fēng)險和隱患，多數(shù)無人機飛行處于“黑飛”狀態(tài)。沒有培訓(xùn)、沒有申報的無人機駕駛，不僅影響人們的生命財產(chǎn)安全，也會威脅公共安全、飛行安全甚至是空防安全。針對無人機使用過程中存在的諸多安全問題和監(jiān)管問題，本文給出了一套通用航空無人機監(jiān)管系統(tǒng)“G-Cloud”設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：無人機；監(jiān)管系統(tǒng)；G-Cloud

引言

本文旨在結(jié)合中國民航最新政策法規(guī)，設(shè)計一種無人機飛行管控系統(tǒng)“G-Cloud”，可以直接對無人機的位置、高度、速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測；利用互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的手段，將海量的文字及數(shù)據(jù)信息通過系統(tǒng)終端直觀呈現(xiàn)。系統(tǒng)使用雷達(dá)實現(xiàn)對活動目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)測、并結(jié)合視頻監(jiān)控實現(xiàn)安防系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)主要功能包括：單個或多個目標(biāo)自動探測、跟蹤運動目標(biāo)、區(qū)域報警設(shè)置、智能自動值班、目標(biāo)軌跡、信息回放、目標(biāo)自動識別等。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如下圖所示，G-Cloud由機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備、低空監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控中心、工作終端四大部分組成：

1.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備

機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備含定位模塊、無線通訊模塊及ADS-B模塊。無人機飛行過程中，定位模塊會按一定頻率接收定位衛(wèi)星下發(fā)的最新位置信息，然后機載盒體會通過無線通訊及ADS-B兩種方式實時向監(jiān)控平臺實時提交最新位置信息。

1.2低空監(jiān)測設(shè)備

低空監(jiān)測設(shè)備包括安裝在監(jiān)控現(xiàn)場的低空監(jiān)控雷達(dá)和監(jiān)控攝像機。

低空監(jiān)控雷達(dá)：雷達(dá)對探測區(qū)域內(nèi)的無人機等活動目標(biāo)進(jìn)行搜索、獲取目標(biāo)的位置，方向，速度等信息，并定時上報給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

監(jiān)控攝像機：安裝在現(xiàn)場的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機，監(jiān)控中心能夠根據(jù)雷達(dá)探測追蹤目標(biāo)控制攝像頭旋轉(zhuǎn)角度，對目標(biāo)進(jìn)行攝像；并將目標(biāo)的視頻數(shù)據(jù)傳送給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

1.3監(jiān)控平臺

監(jiān)控中心由管理主機、機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、Web服務(wù)器、APP接口服務(wù)器、視頻存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，是整個系統(tǒng)的核心部分。監(jiān)控中心采集雷達(dá)定時發(fā)送的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)、根據(jù)目標(biāo)的經(jīng)緯度，方向，速度，將活動目標(biāo)的運動軌跡在地圖上顯示，并控制攝像機的旋轉(zhuǎn)，對報警目標(biāo)進(jìn)行拍攝，同時進(jìn)行大屏幕播放。監(jiān)控中心將雷達(dá)數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。監(jiān)控中心為安保人員提供web、手機APP、現(xiàn)場大屏幕等展示接口。

機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負(fù)責(zé)采集無人機定時上報的經(jīng)緯度、高程、時間等數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負(fù)責(zé)采集雷達(dá)定時發(fā)送的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)x坐標(biāo)、目標(biāo)y坐標(biāo)、目標(biāo)z坐標(biāo)、目標(biāo)方位角、目標(biāo)絕對速度、目標(biāo)距離、目標(biāo)批號、數(shù)據(jù)周期等，同時將雷達(dá)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負(fù)責(zé)控制攝像機，對報警目標(biāo)進(jìn)行攝像，并接收攝像機實時傳送的視頻數(shù)據(jù)，傳送到大屏幕播放，同時將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。

Web服務(wù)器：Web服務(wù)器負(fù)責(zé)整個監(jiān)控平臺系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)展示，是整個平臺的展示窗口。

APP接口服務(wù)器：APP接口服務(wù)器將現(xiàn)場報警信息推送到安保人員的手機APP上，安保人員可以通過手機APP查看現(xiàn)場報警信息。

視頻存儲設(shè)備：存儲攝像機拍攝的視頻文件。目前視頻存儲有三種成熟的解決方案：存儲服務(wù)器方案、IP-SAN方案、云存儲方案。存儲服務(wù)器方案擴展比較困難，云存儲方案成本比較高，本系統(tǒng)采用IPSAN方案，IP-SAN方案具體介紹見數(shù)據(jù)存儲方案設(shè)計章節(jié)。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)采集、處理服務(wù)器提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域，存儲大量雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用主從同步，讀寫分離方式存儲數(shù)據(jù)。

管理主機：監(jiān)控整個系統(tǒng)服務(wù)器運行狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)性能。

1.4工作終端

工作終端包括安保人員使用的電腦和手機、大屏幕顯示終端、聲光報警終端。工作人員可以通過前端電腦瀏覽器登錄，管理整個系統(tǒng)，實時了解到現(xiàn)場監(jiān)控情況；報警信息也會實時推送到工作人員手機上；另外大屏幕實時播放監(jiān)控現(xiàn)場視頻。

2系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

G-Cloud平臺軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)采集層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層、信息展示層等六層。該系統(tǒng)采用組件式結(jié)構(gòu)，靈活方便，并有良好的通用性和可擴展性。基于該模型可迅速組建各種應(yīng)用模式的無人機監(jiān)管解決方案。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2.1物理層

物理層包括監(jiān)控雷達(dá)、監(jiān)控智能網(wǎng)絡(luò)攝像機、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、聲光報警設(shè)備以及服務(wù)器等物理硬件設(shè)備，是整個系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括WLAN/LAN、3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)、WIFI等通信方式，監(jiān)控雷達(dá)、監(jiān)控攝像機與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通過WLAN/LAN通信，監(jiān)控中心與安保人員手機APP通過3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、光電數(shù)據(jù)采集等。數(shù)據(jù)層為應(yīng)用支撐層提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層包括地圖引擎、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、視頻解碼、數(shù)據(jù)庫等。應(yīng)用支撐層主要依賴地圖、活動目標(biāo)的參數(shù)，預(yù)測目標(biāo)運行軌跡，為應(yīng)用層提供功能基礎(chǔ)。

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層包括、實時監(jiān)控、實時報警、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡回放、目標(biāo)流量監(jiān)測、自動值班功能、視頻目標(biāo)識別、抓拍功能、報警區(qū)域設(shè)置、目標(biāo)地圖顯示、視頻播放、日志管理、用戶管理、歷史報警、攝像頭運轉(zhuǎn)情況、雷達(dá)運轉(zhuǎn)狀況、軌跡回放、角色管理、設(shè)備管理、分時報警統(tǒng)計、區(qū)域報警統(tǒng)計、目標(biāo)類型統(tǒng)計、目標(biāo)趨勢統(tǒng)計等功能，具體可見下一節(jié)系統(tǒng)功能。

2.6展示層

展示層包括web界面展示、手機APP展示、中心大屏幕展示；監(jiān)控管理人員可以通過web界面、中心大屏幕，便捷了解監(jiān)控現(xiàn)場的實時情況、并可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

2.7依賴和規(guī)則

雷達(dá)和光電的綜合安防系統(tǒng)依賴現(xiàn)場地圖，并遵守視頻標(biāo)準(zhǔn)、以及第三方協(xié)議等。

3系統(tǒng)工作流程

3.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程

機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程流程主要包含機載數(shù)據(jù)接收及處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)流程圖如下圖所示：

3.2機載數(shù)據(jù)處理流程

飛行中的無人機實時將最新位置及飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)上報給機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；過程中如果需要報警，機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像機，打開攝像機對目標(biāo)進(jìn)行攝像，同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器，APP服務(wù)器將報警信息推送到安保人員手機上。

3.3視頻數(shù)據(jù)處理流程

攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕，同時保存到視頻存儲設(shè)備上；安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

3.4監(jiān)控流程

安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況，安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向攝像機發(fā)出設(shè)置指令，指令通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給攝像機。

3.5地面雷達(dá)及光電工作流程

主要包含雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)流程圖如下圖所示：

3.6監(jiān)控雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

安裝在現(xiàn)場的監(jiān)控雷達(dá)實時將活動目標(biāo)數(shù)據(jù)上報給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；如果發(fā)現(xiàn)報警目標(biāo)，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像機，打開攝像機對目標(biāo)進(jìn)行攝像，同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器，APP服務(wù)器將報警信息推送到安保人員手機上。

3.7視頻數(shù)據(jù)處理流程

攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕，同時保存到視頻存儲設(shè)備上；安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

3.8監(jiān)控流程

安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況，安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向雷達(dá)和攝像機發(fā)出設(shè)置指令，指令通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給監(jiān)控雷達(dá)或者攝像機。

4總結(jié)

G-Cloud能夠?qū)崿F(xiàn)無論在辦公室還是室外，隨時通過電腦、手機端管理和監(jiān)視各類型無人機；有效提升監(jiān)管部門協(xié)同效率及管理能力，飛行計劃快速報批，讓用戶贏得起飛時間；支持互聯(lián)網(wǎng)/3G/4G/5G/ADS-B北斗低空雷達(dá)等多種鏈路數(shù)據(jù)實時接入，結(jié)合禁飛區(qū)數(shù)據(jù)和電子圍欄，無人機飛行過程實時監(jiān)視，自動告警。

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（作者簡介：王夢璇，碩士研究生，工程師；工作單位：中國電子科技集團公司第二十研究所）