低空無人機(jī)多鏈路動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著低空空域開放，無人機(jī)密度顯著增加，給航空安全帶來了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)無人機(jī)的監(jiān)視定位需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了融合廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B）、北斗短報(bào)文、4G/5G 3 條鏈路的動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)。在城市低空環(huán)境中，4G/5G 鏈路傳輸穩(wěn)定；在無遮擋空域，ADS-B 鏈路能提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸；在開闊空域，北斗短報(bào)文鏈路傳輸穩(wěn)定。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了單一鏈路的不足，提升了無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性與適應(yīng)能力，為未來低空空域管理和無人機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供了全新視角。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈；ADS-B；4G/5G；北斗短報(bào)文；混合監(jiān)視鏈路

中圖分類號(hào)：TN919.6+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，無人機(jī)系統(tǒng)（unmanned aerial system，UAS）技術(shù)迅速發(fā)展，全球無人機(jī)的數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。隨著中國低空空域管理改革的持續(xù)推進(jìn)，國內(nèi)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，通用航空企業(yè)和無人機(jī)注冊(cè)數(shù)量顯著增加。包括迅蟻、美團(tuán)在內(nèi)的企業(yè)已在城市超低空物流配送領(lǐng)域建立試點(diǎn)，使無人機(jī)的應(yīng)用場景不斷拓寬[1]。然而，低空飛行器種類的多樣化及空中交通量的快速增長，給低空空域的安全性與運(yùn)行效率帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在復(fù)雜低空環(huán)境下，如何對(duì)無人機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)視與管理，已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)監(jiān)視手段如雷達(dá)、光電監(jiān)測等，在探測范圍、精度以及抗干擾能力等方面已無法滿足低空空域無人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)視的需求。目前，我國尚未形成統(tǒng)一的低空空域協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)[2]。因此，研究高效且可靠的低空無人機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)于低空空域的安全運(yùn)行，以及促進(jìn)低空產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出了一種低空無人機(jī)多鏈路動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成。結(jié)合廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（automatic dependentsurveillance-broadcast，ADS-B）、北斗短報(bào)文和4G/5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)3 條數(shù)據(jù)鏈路，構(gòu)建了多源信息融合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜低空環(huán)境中的無人機(jī)進(jìn)行全方位、高精度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視，為低空無人機(jī)的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

1 現(xiàn)有無人機(jī)監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈方案

目前，大多數(shù)無人機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)依賴于單一的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、4G/5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或ADS-B 數(shù)據(jù)鏈。然而，部分研究者已經(jīng)開始探究如何將兩種或多種數(shù)據(jù)鏈技術(shù)相結(jié)合以提高監(jiān)視效果[3-4]。例如，徐杰等[5] 通過整合STM32 微處理器、北斗通信終端和3G/4G 模塊，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)位置監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能。胡小蒙等[6] 設(shè)計(jì)了一套基于北斗和5G 技術(shù)的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)監(jiān)管架構(gòu)，為無人機(jī)運(yùn)行提供了可視化監(jiān)管平臺(tái)，推動(dòng)了無人機(jī)監(jiān)控技術(shù)理論與實(shí)踐的發(fā)展。此外，Abro 等[7]提出為了確保無人機(jī)的通信可靠性和安全飛行，除必要的傳感器外，機(jī)載系統(tǒng)還需配備多種通信設(shè)備以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的空中監(jiān)控。

未來，空中通信網(wǎng)絡(luò)將面臨諸多挑戰(zhàn)。通過分析多種無線通信技術(shù)在支持低空無人機(jī)連接中的潛力，指出單一的無線通信技術(shù)難以滿足低空無人機(jī)通信的復(fù)雜需求。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的空中連接，未來的研究應(yīng)關(guān)注多技術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)，以支持多樣化的服務(wù)質(zhì)量需求[8]。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了結(jié)合多種通信技術(shù)來構(gòu)建統(tǒng)一空中網(wǎng)絡(luò)的重要性。

2 多鏈路動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)及原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的低空無人機(jī)多鏈路動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)由機(jī)載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

機(jī)載系統(tǒng)以STM32F4 系列微處理器為核心，集成定位模塊、北斗短報(bào)文模塊、4G/5G 通信模塊和功放模塊，配備北斗、4G/5G 及1 090 MHz 天線。利用機(jī)載設(shè)備和地面通信網(wǎng)絡(luò)，機(jī)載系統(tǒng)完成無人機(jī)位置信息及狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸。

地面系統(tǒng)包括地面通信網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)服務(wù)終端和航圖顯控終端。后臺(tái)服務(wù)終端負(fù)責(zé)接收、解析、存儲(chǔ)來自北斗鏈路、ADS-B 鏈路和4G/5G 鏈路的數(shù)據(jù)，并通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合與分發(fā)。航圖顯控終端則通過GMap 航圖軟件實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)飛行軌跡及狀態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的功能[9]。

2.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過ADS-B、北斗短報(bào)文和4G/5G 3 條數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)監(jiān)視、控制指令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。ADS-B 地面站與機(jī)載ADS-B 模塊通過ADS-B 鏈路來完成數(shù)據(jù)交互。北斗指揮終端與機(jī)載北斗模塊通過北斗短報(bào)文鏈路來實(shí)現(xiàn)雙向通信。機(jī)載模塊與地面服務(wù)管理設(shè)備通過4G/5G 鏈路來實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。地面系統(tǒng)通過局域網(wǎng)接入目標(biāo)監(jiān)視中心，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多鏈路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。地面服務(wù)管理設(shè)備接收并解析多鏈路數(shù)據(jù)并發(fā)送至顯控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視目標(biāo)顯示。

3 多鏈路動(dòng)態(tài)混合監(jiān)視系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)載設(shè)備

3.1.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)載模塊的核心是高性能STM32F4 系列微處理器。該處理器集成多種片上資源，包括電源接口、調(diào)試接口、功率放大、控制接口、6 個(gè)通信接口、看門狗電路、3 個(gè)定時(shí)器組件和5 個(gè)外設(shè)模塊。其中，3 個(gè)定時(shí)器分別用于生成脈沖定位調(diào)制（pulse position modulation，PPM） 信號(hào)、實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，以及提供自定義定時(shí)和時(shí)鐘源功能。6 個(gè)通信接口則分別負(fù)責(zé)與北斗模塊、短報(bào)文模塊、4G/5G 模塊、飛行控制系統(tǒng)、配置上位機(jī)和存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1.2 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載模塊的軟件采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由9 個(gè)功能模塊組成，分別為主程序模塊、外設(shè)初始化模塊、自定義任務(wù)定時(shí)器初始化模塊、北斗定位數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、4G/5G 數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊、ADS-B數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、配置數(shù)據(jù)存取模塊、片上IWDG 看門狗模塊，以及狀態(tài)監(jiān)測模塊。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)入主程序入口，依次執(zhí)行通用輸入/ 輸出（general purpose input/output，GPIO）、集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）、定時(shí)器、通用異步收發(fā)器（universalasynchronous receiver/transmitter，UART），以及帶電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasableprogrammable read only memory，EEPROM） 等外設(shè)的初始化操作，并進(jìn)行全局變量的初始化。初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，并執(zhí)行以下任務(wù)。

（1）串口數(shù)據(jù)接收與解析。通過片上外設(shè)串口6以中斷方式實(shí)時(shí)接收并解析NMEA-183 協(xié)議數(shù)據(jù)。

（2）ADS-B 數(shù)據(jù)發(fā)送。每5 ms 執(zhí)行1 次ADS-B數(shù)據(jù)組幀，依據(jù)預(yù)設(shè)條件（每1 s 發(fā)送2 條位置和速度信息，每5 s 發(fā)送1 條識(shí)別信息）進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送控制。

（3） 4G/5G 數(shù)據(jù)發(fā)送。每4 s 判斷發(fā)送使能，若條件滿足，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至地面服務(wù)器。

（4）北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送。每60 s 判斷1 次發(fā)送使能，若條件滿足，則發(fā)送短報(bào)文數(shù)據(jù)。

（5）5G 模塊連接狀態(tài)監(jiān)測。每1 s 監(jiān)測MFxxx 系列5G 芯片的傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（transmissioncontrol protocol/internet protocol，TCP/IP） 連接狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)斷開，則執(zhí)行重連操作。

（6）看門狗任務(wù)執(zhí)行。每4 s 執(zhí)行1 次IWDG看門狗任務(wù)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，防止因程序異常導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

程序流程如圖2 所示。

3.2 地面服務(wù)管理設(shè)備

3.2.1 硬件設(shè)備集成

地面服務(wù)管理設(shè)備的硬件架構(gòu)包括北斗指揮終端、ADS-B 地面站、移動(dòng)通信接入設(shè)備、輸入顯示設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器、串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、工作站和天線。北斗指揮終端負(fù)責(zé)接收機(jī)載北斗短報(bào)文信息。ADS-B 地面站接收來自機(jī)載ADS-B OUT 的下行鏈路數(shù)據(jù)。移動(dòng)通信接入設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)接入接口。航圖顯控終端部署于遠(yuǎn)端工作站中，提供圖形化監(jiān)視顯控服務(wù)。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

地面服務(wù)管理軟件主要由后臺(tái)服務(wù)終端和顯控終端兩個(gè)部分組成。后臺(tái)服務(wù)終端作為中間層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理，包含以下關(guān)鍵線程：① ADS-B數(shù)據(jù)采集接收線程、數(shù)據(jù)處理線程；②北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)采集接收線程、數(shù)據(jù)處理線程；③ 4G/5G 數(shù)據(jù)采集接收線程、數(shù)據(jù)處理線程；④數(shù)據(jù)庫線程及主線程。各線程采用解耦設(shè)計(jì)，彼此獨(dú)立運(yùn)行，并通過隊(duì)列和線程安全機(jī)制保障數(shù)據(jù)和內(nèi)存訪問的安全性。

顯控終端作為表現(xiàn)層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的人機(jī)交互，主要實(shí)現(xiàn)航跡顯示、位置信息顯示、地圖信息顯示及配置數(shù)據(jù)顯示等功能。軟件架構(gòu)如圖3 所示。

3.2.2.1 ADS-B 鏈路數(shù)據(jù)處理

ADS-B 地面站通過全向天線接收無人機(jī)發(fā)送的ADS-B 信號(hào)，形成實(shí)時(shí)、連續(xù)的航跡數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。ADS-B 地面站配備兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)接口，支持IP 地址、子網(wǎng)掩碼及網(wǎng)關(guān)地址的單獨(dú)配置，能夠根據(jù)需求向外部提供多路CAT021 報(bào)文。后臺(tái)服務(wù)終端實(shí)時(shí)接收并解析CAT021 報(bào)文，提取位置信息并通過局域網(wǎng)推送至工作站，工作站的顯控終端可以實(shí)時(shí)顯示ADS-B 目標(biāo)航跡信息。

3.2.2.2 北斗短報(bào)文鏈路數(shù)據(jù)處理

天線負(fù)責(zé)接收北斗短報(bào)文信號(hào)，北斗指揮終端實(shí)時(shí)處理并生成短報(bào)文數(shù)據(jù)。北斗指揮終端通過串口將短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送到串口服務(wù)器，串口服務(wù)器再將數(shù)據(jù)分發(fā)至局域網(wǎng)內(nèi)的后臺(tái)服務(wù)終端。后臺(tái)服務(wù)終端實(shí)時(shí)接收并解析北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)，提取位置信息并通過局域網(wǎng)推送至工作站，工作站顯控終端負(fù)責(zé)顯示北斗短報(bào)文目標(biāo)航跡信息。

3.2.2.3 4G/5G 鏈路數(shù)據(jù)處理

后臺(tái)服務(wù)終端通過分配的以太網(wǎng)IP 和端口，實(shí)時(shí)監(jiān)聽機(jī)載設(shè)備的TCP 連接及數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)載設(shè)備可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問。后臺(tái)服務(wù)終端接收并解析機(jī)載設(shè)備發(fā)送的TCP 幀數(shù)據(jù)，提取位置信息并通過局域網(wǎng)推送至工作站，工作站顯控終端顯示4G/5G目標(biāo)航跡信息。

4 試驗(yàn)過程

無人機(jī)在某城鎮(zhèn)城郊邊際的山間平地起降，飛行航程覆蓋城市、城郊和海拔約500 m 的山區(qū)低空空域。測試過程中，ADS-B 地面站和北斗指揮終端架設(shè)于附近山頂?shù)蔫F塔高處，并在城郊空域增設(shè)增強(qiáng)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的高空覆蓋。地面服務(wù)終端和顯控終端對(duì)飛行過程中的3 條通信鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，ADS-B、北斗短報(bào)文、4G/5G 數(shù)據(jù)鏈路實(shí)驗(yàn)點(diǎn)跡圖如圖4 所示。

測試結(jié)果表明，ADS-B 鏈路在100 m 以上的空域覆蓋率較高，且信號(hào)質(zhì)量良好；4G/5G 鏈路在城市空域表現(xiàn)出較為優(yōu)良的覆蓋效果；而北斗短報(bào)文信號(hào)的覆蓋率較為穩(wěn)定，但數(shù)據(jù)傳輸頻度較低。

5 結(jié)果分析

根據(jù)3 條鏈路的傳輸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果生成混合鏈路報(bào)文頻度圖（圖5），展示了報(bào)文頻度隨時(shí)間和地形變化的關(guān)系。

在距離地面500 m 以下的城市低空范圍內(nèi)，4G/5G 鏈路每4 s 更新一次報(bào)文數(shù)據(jù)，信號(hào)穩(wěn)定；ADS-B 鏈路信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)，穩(wěn)定性較差。在500 m以上的空域，ADS-B 鏈路信號(hào)較為穩(wěn)定，而4G/5G鏈路的覆蓋率明顯下降。北斗短報(bào)文鏈路信號(hào)穩(wěn)定，但受限于數(shù)據(jù)頻率，其實(shí)時(shí)性弱于ADS-B 和4G/5G 鏈路。

6 結(jié)論

目前，低空移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率尚無法確保穩(wěn)定的報(bào)文傳輸，僅在城市低空空域具有較好的覆蓋效果。當(dāng)無人機(jī)貼地飛行時(shí)，ADS-B 地面站的信號(hào)易受周邊建筑物和地形的影響，導(dǎo)致ADS-BOUT 信號(hào)傳輸不穩(wěn)定；而北斗短報(bào)文鏈路受地形和建筑物影響較小，在開闊的地區(qū)能夠穩(wěn)定覆蓋。

綜上，單一鏈路無法實(shí)現(xiàn)不間斷且高覆蓋率的數(shù)據(jù)傳輸。4G/5G 鏈路可以彌補(bǔ)ADS-B 在無人機(jī)低空貼地飛行時(shí)信號(hào)中斷的不足，ADS-B 鏈路則可在城郊或山區(qū)低空4G/5G 信號(hào)覆蓋不足時(shí)彌補(bǔ)4G/5G 鏈路的缺陷。北斗短報(bào)文鏈路則在ADS-B和4G/5G 鏈路信號(hào)覆蓋不足時(shí)提供支持。

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