基于4G eLTE無線專網的警用無人機方案

周維 佟學儉 袁乃華 鼎橋通信技術有限公司

引言

隨著技術的發展，近年來無人機在公安、軍事、工業、農業、民用等領域被越來越多的應用。在警務應用上，無人機也逐漸發揮重要作用。2012年河北省承德市禁毒支隊利用“鷹眼”無人機航拍發現非法罌粟種植地塊58處，并利用航拍取證直接抓獲犯罪嫌疑人2人。2013年武漢市公安局應用無人機拍攝的犯罪現場三維全景圖精準、直觀、全面地提供案件現場的三維全景地理數據支援[1]。2016年9月中秋小長假期間，四川交警利用無人機在成自瀘和成綿廣高速，在出行和返程高峰期間執行空中巡邏，并對執法過程進行了全程直播，返程半天就抓拍交通違法90余件[2]。

在上述警務應用中，利用無人機機載攝像機進行航拍獲得視頻圖像，圖像通過無線圖傳設備回傳到地面，在地面進行視頻圖像分析和處理，從而獲得有用的警務信息，因此無人機和地面之間的無線傳輸速率對圖像的實時性和質量至關重要。經調研，目前國內主流無人機大多采用2.4GHz圖傳技術，這些方案存在傳輸帶寬低，傳輸距離近，采用ISM（Industrial Scientific Medical，為Free license頻段)頻段容易被干擾等問題，其視頻實時傳輸最大分辨率一般只能達到720P，最遠傳輸距離約1km，如需提取分辨率1080P以上的高清視頻，只能等無人機返回后從機載存儲介質上讀取，高清圖傳的實時性和質量不理想。

4G eLTE無線專網具有上下行帶寬靈活配置、大帶寬、低時延等特點，其上行速率可達到50Mbps，下行速率可達到100Mbps，數據傳送時延約10ms，可支持1080P高清圖像回傳，并能進行多路高清視頻回傳。視頻業務覆蓋半徑可達3～5km，能支持遠距離的視頻回傳。eLTE無線專網還具有多媒體集群調度功能，能提供視頻監控、視頻調度、GIS圖像定位等多種與警務應用密切相關的功能[3]。

介紹了4G eLTE無線專網下多旋翼警用無人機方案，對若干警務應用方案做了初步探討，并介紹了若干實際應用案例。

一、4G eLTE無線專網無人機方案

（一）方案介紹

從公安領域適用性看小型固定翼無人機和小型旋翼無人機更適合在突發事件中使用[4]，在實際應用中多旋翼無人機更適合常規的警務應用。多旋翼無人機應滿足警務工作的載荷重量、續航時間、飛行半徑、抗風等要求，并具有定位、定高、規劃航線、安全圍欄、飛行禁區、自動避障等飛行控制功能。

圖1是eLTE無線專網無人機解決方案全景圖，eLTE基站可由固定站、應急通信車或快速部署系統提供。在eLTE無線覆蓋區域，無人機航拍圖像使用機載eLTE無線模塊回傳到地面基站，通過核心網進行數據交換，由業務平臺進行視頻圖像處理。處理后的視頻圖像可利用eLTE寬帶多媒體集群調度系統完成視頻調度功能，相關圖像信息可分發到eLTE智能終端上，從而實現公安警務的“可視化指揮”。

（二）無人機工作系統

無人機工作系統包括無人機載機、飛行控制系統、電源及供電系統、工作設備載荷等。無人機應選用成熟的工業級無人機，其飛控系統具有較高的飛行安全保障設計，飛行操控較為簡單。機載電源除滿足飛行續航時間外，還應滿足工作設備載荷的供電要求。在執行特殊任務時，無人機需安裝特殊功能的機載設備，如在夜間執行任務時安裝具有紅外夜視功能的攝像機或紅外熱像儀，高精度定位需求下配置高精度定位模塊(支持GPS或北斗)。這些都要求無人機平臺具有一定的接口兼容性和可擴展性。

警用無人機的工作載荷主要是各種機載攝像機及其配套設備。圖2是機載攝像機和安裝結構，攝像機安裝在增穩云臺上，增穩云臺的作用是保持攝像機的指向不隨無人機飛行姿態變化而改變。云臺通過減振阻尼機構與無人機掛架固定連接，以消除飛行過程中振動對攝像頭拍攝效果的影響。航拍視頻通過機載eLTE無線模塊對地面回傳，所有機載設備工作模塊通過無人機電源供電系統供電。機載設備工作模塊間通過標準接口連接，如攝像機數字視頻通過IP接口和無線模塊連接，定位模塊可通過串口上報位置信息。

二、警務應用方案探討

根據eLTE無線組網方式，無人機警務應用可分為下面幾種應用方案，這幾種應用方案可以滿足不同的警用場景需求。

（一）固定站組網

在已建成eLTE固定站無線專網覆蓋區域，通過無人機規劃飛行線路對轄區進行空中立體巡查，航拍圖像實時回傳到轄區指揮中心，如轄區出現突發警情，指揮中心根據現場情況投入警力，可達到快速響應的目的，這種應用可以提高轄區常規巡查的效率。

（二）應急通信車

在沒有專網覆蓋的區域出現警情時，可使用應急通信車對事發現場進行專網無線覆蓋，并利用通信車的指揮艙建立現場指揮中心，如圖3所示。利用機載攝像機對現場進行航拍取證，視頻回傳到現場指揮中心，并可通過車載衛星設備把現場圖像傳到遠端指揮中心，車載衛星建議采用動中通衛星設備，支持車輛行駛狀態的圖像數據回傳，如圖3的應急通信車頂攜帶動中通微信天線。無人機可對現場重點區域進行定點航拍，采用懸停方式在固定點上空連續拍攝取證。應急通信車還可以在行駛中進行動中通覆蓋，以確保移動現場的專網覆蓋，此時無人機可以隨著移動現場跟蹤拍攝。eLTE應急通信車拓寬了無人機的應用場景,特別在搜索犯罪嫌疑人，案發現場航拍取證，跟蹤抓拍可疑車輛等傳統警務應用中提供更有力的空中偵查手段。

（三）快速部署系統

eLTE快速部署系統適用于沒有專網覆蓋的現場，當應急通信車不便出現在現場時，快速部署系統就能發揮其快速、靈活、隱蔽的特點。如圖4所示，快速部署系統為箱式結構，便于攜帶，通過電池箱進行供電，能夠做到一鍵開通和免維護。當車輛無法到達時，可通過人力背負等方式將設備運抵現場并完成系統開通。在快速部署系統的無線覆蓋范圍內放出無人機進行航拍取證，視頻圖像信息通過快速部署系統進行視頻調度，并能回傳到遠端指揮中心。現場采集的視頻回傳到遠方指揮中心的方案很多，特別是在靜止使用時，可根據事發地點的無線覆蓋條件采用衛星回傳、公網回傳、微波回傳等方案。圖5是一種便攜式衛星設備，能和eLTE快速部署系統對接使用。在eLTE快速部署系統支持下，無人機警用業務可拓展到那些交通不便，需要隱秘偵查的現場。

三、實用案例

（一）派出所轄區航拍巡查

圖6是某派出所轄區無人機航拍巡查方案，采用四旋翼無人機，在轄區內進行定時規劃路線巡查，通過機載eLTE數據模塊進行視頻回傳，圖像實時顯示在指揮中心大屏上，轄區警情一目了然，提高了轄區巡查效率。

（二）南京青奧會無人機空中視頻監控

南京青奧會采用eLTE無線專網對各場館、沿途道路和關鍵區域進行無線通信保障，并利用無人機實施立體監控，無人機航拍圖像通過eLTE回傳至指揮中心，中心大屏實時顯示賽場和道路監控區域的狀況。圖7是指揮中心大屏監控運動員大巴沿途保障的場景，結合無人機航拍視頻圖像更利于掌握現場的全局狀況。

四、結束語

4G eLTE無線專網提升了無人機警用方案的應用價值。一方面eLTE無線專網為無人機航拍視頻提供了寬帶無線回傳方案，確保高清圖像的實時傳輸，讓地面人員迅速獲得現場的立體圖像情報，同時利用eLTE寬帶多媒體集群系統完成多媒體調度、視頻監控、視頻分發、GIS圖像定位等功能，現場有價值的圖像信息實時向eLTE系統智能終端下發，為警務活動提供實時有效的三維全景信息。

后續將根據實際需求進行深入分析，進一步豐富無人機的警務應用方案。

[1] 羅穎,張敏,劉軍.無人機及其警務應用現狀[J].警察技術,2014(05).

[2] 莫海清.小長假返程半日無人機抓拍90多例“違法”[J].華西都市,20160918.

[3] 孟海波,夏仕軍,竇明濤. 基于TD-LTE技術的寬帶集群多媒體終端在公安業務領域的設計與應用探討[J].警察技術,2013(03).

[4] 鄭攀. 小型無人機在公共安全領域的應用前景展望[J].警察技術,2013(04).