5G通信技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來隨著無人機(jī)市場的興起，無人機(jī)平臺技術(shù)逐漸成熟，其攜帶的載荷種類不斷擴(kuò)展，應(yīng)用場景逐漸豐富。5G通信技術(shù)具有高寬帶、海量連接、低時延、高可靠的特點，能夠有力支撐無人機(jī)在執(zhí)行軍事、農(nóng)業(yè)、電力、應(yīng)急救援等多類型任務(wù)時對通信網(wǎng)絡(luò)的要求。無人機(jī)與5G融合發(fā)展的需求與趨勢已經(jīng)有目共睹，本文將梳理5G通信技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域已實現(xiàn)的典型應(yīng)用場景，分析可能存在的問題，總結(jié)并預(yù)測未來發(fā)展趨勢。

5G通信技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

低空監(jiān)管

搭載高清相機(jī)、喊話器等載荷的無人機(jī)通過5G網(wǎng)絡(luò)接入指揮中心可實現(xiàn)無人機(jī)的實時顯示與統(tǒng)一調(diào)度，遠(yuǎn)程監(jiān)視并管控空域、海域、陸域等。同時，在5G網(wǎng)絡(luò)的支撐下，基于人工智能的實時航線規(guī)劃、智能起降管理、智能探測與避讓等技術(shù)為實現(xiàn)低空空域智慧管控提供了重要支撐。2021年4月，布魯塞爾機(jī)場與空中交通管制和管理公司Skeyes成功測試了基于機(jī)場5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)監(jiān)視用例，測試中無人機(jī)遠(yuǎn)程回傳的空域高清視頻圖像為飛機(jī)起飛調(diào)度提供了依據(jù)。2022年4月，南京海事局啟動了“5G+無人機(jī)”海事監(jiān)管創(chuàng)新試驗，開展了多架次固定翼無人機(jī)低空飛行試驗，通過智慧無人機(jī)管理平臺遠(yuǎn)程控制無人機(jī)按照設(shè)定航線自動飛行，利用5G網(wǎng)絡(luò)將海事監(jiān)管數(shù)據(jù)實時回傳，供指揮中心實時判斷分析。

物流配送

無人機(jī)物流配送已成為國內(nèi)外各大物流公司實現(xiàn)降本增效的新業(yè)務(wù)增長點。利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延特性一方面可以實現(xiàn)無人機(jī)狀態(tài)及拍攝視頻的實時回傳；另一方面地面人員可以遠(yuǎn)程控制無人機(jī)的飛行路線。2022年11月，韻達(dá)公司在浙江省桐廬縣完成了韻達(dá)X470無人機(jī)的首次載貨飛行，在16min時間內(nèi)完成了直線距離10km的飛行與送貨，其中5G網(wǎng)絡(luò)提供了全程的管控支持。2023年3月，德國電信公司宣布將建設(shè)5G專網(wǎng)并測試其支撐物流無人機(jī)可靠傳輸傳感器、圖像及飛行數(shù)據(jù)的能力。

電力巡檢

無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢、基站巡檢等過程中，利用5G通信技術(shù)較大的上行帶寬可將其搭載的高清相機(jī)、紅外相機(jī)、夜視相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時上傳至后臺服務(wù)器中，利用人工智能等算法進(jìn)行分析，自動識別目標(biāo)故障，降低了人工巡檢勞動強(qiáng)度及作業(yè)風(fēng)險，提高了巡檢效率。2019年4月，南方電網(wǎng)廣東東莞供電局在全國率先實現(xiàn)“5G無人機(jī)+程序化操作”，依托中國聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)將實時高清視頻回傳到主控室，將巡檢耗時由30min縮短至5min。2022年10月，中國電信與湖北電力共同搭建了融合電力5G短切片專網(wǎng)，在實現(xiàn)無人機(jī)智能巡檢、自動識別安全隱患的同時，保障了數(shù)據(jù)傳輸通道的安全性。

農(nóng)業(yè)植保

農(nóng)林植保無人機(jī)是工業(yè)無人機(jī)發(fā)展最快、前景最廣闊的方向之一。5G通信技術(shù)與農(nóng)林植保無人機(jī)相結(jié)合，可以將農(nóng)田的環(huán)境動態(tài)以及作物的實時情況通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳高清視頻流進(jìn)行監(jiān)控，并將人力從噴灑農(nóng)藥、種子播撒等高強(qiáng)度的勞作中解放出來。2021年在四川涼山金陽縣蘆稿鎮(zhèn)青花椒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，植保無人機(jī)已經(jīng)能夠通過5G網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)自動化噴灑農(nóng)藥，1min就能完成2畝（約1333m2）地作業(yè)，效率是人工作業(yè)的20倍。

視頻直播

無人機(jī)搭載全景相機(jī)進(jìn)行360°全景拍攝，依托5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延的特性實時傳輸4K等超高清直播視頻，可以讓遠(yuǎn)程用戶獲得實時、沉浸式的觀看體驗。2018年5月，搭載5G通信模組的無人機(jī)在上海虹口北外灘成功演示了基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人能及全景4K高清視頻直播。同年，日本電商巨頭樂天公司在“智能體育場”項目中演示了利用5G通信技術(shù)傳輸無人機(jī)拍攝的8K虛擬現(xiàn)實視頻。在2019年世園會上，中國移動與華為合作推出了5G無人機(jī)VR旅游。后續(xù)云南、廣西等多地也都利用5G+無人機(jī)VR視頻直播的方式有力支撐了疫情時代下的旅游經(jīng)濟(jì)。

應(yīng)急救援

無人機(jī)在自然災(zāi)害、公共事件發(fā)生時可以快速響應(yīng)，利用5G網(wǎng)絡(luò)回傳實時圖像，輔助第一時間查明災(zāi)害事故的關(guān)鍵因素。在災(zāi)后救援工作中，無人機(jī)搭載通信基站進(jìn)行災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信覆蓋，能夠觸發(fā)受災(zāi)被困人員換手機(jī)接入機(jī)載基站網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對被困人員通信設(shè)備的主動定位，確認(rèn)被困人員的位置及身份信息，結(jié)合5G實時回傳的圖像以及人工智能技術(shù)，有助于救援人員針對性地開展?fàn)I救工作。2021年7月鄭州特大暴雨搶險中，中航（成都）無人機(jī)系統(tǒng)股份公司的“翼龍”-2型平臺搭載中國移動基站搭建了空天地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)，為受災(zāi)群眾提供了長達(dá)5h的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。2022年8月重慶山火搶險救援中，12架5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)在3天時間內(nèi)完成了超過520km2的森林巡查，通過中國移動的5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳畫面，指揮中心發(fā)現(xiàn)3處火點并及時拋投阻燃劑成功阻止了山火的蔓延。

集群作戰(zhàn)

利用5G等先進(jìn)通信技術(shù)構(gòu)建無人集群化作戰(zhàn)體系是近年來國內(nèi)外的關(guān)注熱點。5G網(wǎng)絡(luò)為未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)提供了新型組網(wǎng)架構(gòu)，能夠極大地提升集群內(nèi)態(tài)勢共享、數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同指控能力。5G通信技術(shù)與邊緣計算、人工智能等技術(shù)結(jié)合，還可將無人機(jī)執(zhí)行圖像識別、自主避障等任務(wù)所需的復(fù)雜算力轉(zhuǎn)移到邊緣計算平臺，釋放機(jī)上載荷，降低無人機(jī)功耗，提升無人機(jī)任務(wù)能力和智能化水平。2022年9月，洛克希德·馬丁公司與美國電信運營商Verizon公司合作演示了5G網(wǎng)絡(luò)支撐無人機(jī)開展情報、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)的場景。該場景下，4架旋翼無人機(jī)通過接入Verizon公司的兩個5G專網(wǎng)節(jié)點，將探測到的目標(biāo)通信、感知或干擾的低功率射頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行實時回傳，為戰(zhàn)場指揮官提供了更高水平的指揮和控制能力。

存在的問題

通過上述分析，可以得知5G通信技術(shù)在軍民用無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得很多積累，但是在泛低空覆蓋、抗干擾、移動能力方面，現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)還存在一些不足，亟待提升。

5G通信網(wǎng)絡(luò)的泛低空覆蓋能力

傳統(tǒng)移動通信場景下絕大多數(shù)終端在地面，基站高度為30～50m，其射頻信號的主瓣向下覆蓋指向地面。5G網(wǎng)絡(luò)通過成熟的大規(guī)模天線陣列Massive MIMO和波束賦型技術(shù)一定程度上增加了垂直波束角度，在一定高度下對空覆蓋能力更強(qiáng)。而當(dāng)無人機(jī)飛行高度進(jìn)一步提高，5G通信技術(shù)對空信號功率衰減與距離的平方成正比，需要根據(jù)實際飛行高度與距離通過波束賦型等技術(shù)調(diào)整 5G基站主瓣指向，以提升覆蓋性能。

5G通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性

由于泛低空區(qū)域開放特性，無人機(jī)5G通信面臨多種無線信號干擾，包括惡意干擾、開放環(huán)境噪聲等非5G網(wǎng)絡(luò)干擾，以及鄰區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)的自干擾。一方面需要通過Massive MIMO波束賦型對準(zhǔn)無人機(jī)形成精準(zhǔn)的窄波束，以及小區(qū)間協(xié)調(diào)、功率控制等技術(shù)手段減少小區(qū)內(nèi)或者小區(qū)間干擾；另一方面在基于5G通信技術(shù)的無人機(jī)專網(wǎng)建網(wǎng)時進(jìn)行整體規(guī)劃，完善監(jiān)管體系也可以達(dá)到鄰區(qū)干擾降低的目的。

5G通信網(wǎng)絡(luò)的移動能力

5G網(wǎng)絡(luò)的移動性管理以4G通信技術(shù)機(jī)制為基準(zhǔn)，對測量配置、小區(qū)質(zhì)量計算、小區(qū)切換等機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，提高了地面移動性支持的最高速度。但是為保障無人機(jī)尤其是軍用無人機(jī)在高速移動狀態(tài)下的接入質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，降低多普勒頻移帶來的干擾，還需要針對性開展子載波間隔、小區(qū)切換策略等設(shè)計。

結(jié)束語

無人機(jī)接入5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)的快速回傳、資產(chǎn)的監(jiān)視和管理、航線的規(guī)范、效率的提升，促進(jìn)空域的合理利用，從而極大地延展無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，在低空監(jiān)管、物流配送、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保、視頻直播、應(yīng)急救援、集群作戰(zhàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)及軍事價值。為進(jìn)一步保障無人機(jī)飛行安全，將當(dāng)前相對分立的應(yīng)用場景統(tǒng)一管控，還需要從頂層建立低空空域管理體系，推動以5G通信技術(shù)為代表的低空智聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)高效、有序的無人機(jī)低空應(yīng)用，最終實現(xiàn)數(shù)字化天空，繁榮低空經(jīng)濟(jì)。