射頻識別在無人機空管中的應用

四川九洲電器集團有限責任公司 鄧洪有

1 背景分析

隨著我國經濟、社會的迅速發展和空域管理改革的持續推進，低空空域的逐漸開放，無人機使用亂象漸顯，無人機“黑飛”、“亂飛”導致的事故不斷出現[1][2]，除了墜落傷人、涉嫌侵犯隱私、擾民等問題外，還嚴重威脅著空域安全。2017年國內多家機場發生了“惡性”無人機黑飛事件，僅4月份成都雙流機場就遭到無人機干擾事件達9起，嚴重影響了航空運輸飛行安全和正常飛行秩序。

無人機與有人機共同使用空域使得無人機空中管制問題已成為亟待研究和解決的突出問題[3-5]。無人機空管包括兩方面內容，在法規和程序方面，盡最大可能從無人機的適航標準、無人機飛行員的資格許可等相關制度上杜絕安全隱患。我國《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》明確規定2017年6月1日起，我國境內最大起飛重量為250克以上（含250克）的民用無人機擁有者必須進行實名登記。在技術方面，管制員借助空管設備監視飛行活動，防止違規飛行和違反間隔標準（如通過地面二次監視雷達對發現的無人機目標進行詢問），而無人機操作員通過機載設備及時掌握周圍交通情況并進行相應的處理（如機載防撞系統）。目前的技術手段對大中型無人機可以起到一定的空管效果，但同時也出現了一些弊端和不足，簡要分析如下。

（1）無人機空中管制的基本前提是保證地面空中管制機構能及時準確地掌握無人機的基本信息。目前的地面監視主要通過二次雷達實現，需要地基詢問機與機載應答機協同配合工作，但由于絕大多數無人機受到價格體積等方面的限制，沒有條件配備應答機，使微小無人機成了空管的“盲區”。而應答信息也十分有限，A模式僅應答識別碼、C模式為高度碼，S模式雖然可以發送數據通信報文但價格較高，更難廣泛裝備在微小無人機上，這在一定程度上限制了二次雷達的使用。

（2）目前無人機采用地面控制的飛行方式，民用特別是消費級的微小型無人機的飛行活動非常靈活，沒有固定的控制站點，管制單位與實施無人機飛行的操作人員通常難以建立及時有效地通訊聯系，無法對其進行“面對面”的管制指揮。

射頻識別即RFID（Radio Frequency Identification）[6]由詢問器（或閱讀器）和應答器（或標簽）組成，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據。RFID識別距離遠，可達數十米；可對標簽內的數據進行及時修改；環境適應性強，抗干擾能力強，可全天候使用；數據量大；閱讀速度極快，大多數情況下不到100毫秒。目前RFID技術較為成熟，體積小、重量輕、成本極低，在高速公路自動收費、人員識別、物資追蹤、生產自動化控制、倉儲管理等大量應用。

隨著無人機應用的急劇增加，急需參考傳統飛行器的空管方式，針對無人機的空管需求，結合其它技術領域（如RFID）提出

2 系統組成

基于射頻識別的無人機空管系統包括目標無人機攜帶的空管標簽、稽查無人機攜帶的空管閱讀器和機載通信系統、空管地面站的通信系統和無人機管理數據庫系統。其中無人機管理數據庫系統存儲關于無人機、擁有者及飛行審批足夠詳細和全面的信息，是否建有該數據庫系統決定了空管標簽存儲的信息量，建有則空管標簽可只存儲基本信息并依此查詢數據庫獲得更完備的信息，否則空管標簽需存儲盡可能完備的信息。機載通信系統和地面站通信系統可利用現有通信手段和設備，無需另行研制和加裝。空管標簽和空管閱讀器是該系統的核心。

2.1 空管標簽

空管標簽主要由存儲器、控制模塊、射頻模塊和天線組成，如是有源標簽則帶有電池供電。空管標簽的類型由無人機類型決定，微型無人機通常成本低、載荷小、速度較低，可以允許稽查無人機更近距離的識別，因此配置無源標簽；其它無人機配置有源標簽。

存儲器采用可讀寫存儲器，允許多次寫入數據。根據是否建有無人機管理數據庫系統，存儲器內存儲不同的信息。如沒有無人機管理數據庫系統，存儲的關于無人機、擁有者及飛行審批信息應足夠詳細和全面，主要包括但不限于無人機ID、無人機型號、無人機重量、無人機升限、非視距飛行能力、擁有者姓名、擁有者身份證號、擁有者聯系方式、批準的飛行區域、批準的飛行開始和結束時刻、批準的操作方式（視距/非視距）、操作員姓名、操作員身份證號、操作員取得的無人機駕照級別、操作員聯系方式等信息。如建有無人機管理數據庫系統，空管標簽可存儲一些基本信息，主要包括但不限于無人機ID、擁有者身份證號、操作員身份證號等。

2.2 空管閱讀器

空管閱讀器的基本作用是作為鏈接前向信道(即空管標簽)和后向信道(機載通信系統)的核心數據交換環節，由接口控制單元、基帶模塊、射頻模塊、天線等組成。接口控制單元通過USB、串口、有線網口等將數據傳送給機載通信系統。基帶模塊、射頻模塊、天線的個數N由采用空管標簽的種類數N決定，采用的標準和協議與射頻標簽的類型一一對應。

3 使用方法

基于射頻識別的無人機空管系統的使用前提和基礎是無人機購買時實行實名登記制，無人機信息、擁有者信息連同無人機空域使用審批信息（如已通過審批）一起寫入了空管標簽，并存入無人機管理數據庫系統（如建有）。如空管地面站發現疑似違規飛行無人機或不明無人機，則由地面站派遣攜帶閱讀器的無人機抵近進行識別，獲取該無人機、擁有者及飛行審批信息并依此判斷是否違規，如有必要可通過獲取操作員或擁有者的聯系方式實現對無人機的實時管控。

4 效益分析

本文針對傳統空管方式必須安裝機載應答機，以及管制員和操作員之間缺少聯系途徑的問題，提出一種無人機空管系統，相比基于空管應答機的傳統方式，該方法具有體積小、重量輕、成本低、操作簡單、使用靈活等特點。該系統將會產生的有益效果分析如下：

（1）大大拓展了無人機空管的監控范圍。本方案中的空管標簽重量輕、體積小、成本低，適合微小無人機普遍安裝，填補了目前無人機的空管盲區，大大拓展了無人機空管的監控范圍。

（2）建立了空管管制員和無人機操作員之間的聯系。本方案通過空管標簽或無人機管理數據庫系統能夠直接或間接獲取無人機操作員的聯系方式，該方法簡單易行，無需增加額外設備。

（3）極大豐富了無人機空管信息。本方案中的空管標簽可以存儲大量信息，包括但不限于無人機、審批（如經過審批）以及擁有者信息，為后續空管指揮調度或事后追責提供條件，對無人機的“黑飛”也起到了威懾和限制作用。

5.小結

隨著無人機應用的急劇增加，無人機“黑飛”、“亂飛”導致的事故不斷出現，針對傳統空管方式必須安裝機載應答機，以及管制員和操作員之間缺少聯系途徑的問題，本文提出了一種基于射頻識別技術的無人機空管系統及方法，在無人機上粘貼空管標簽，由稽查無人機攜帶閱讀器進行抵近讀取相關信息并傳給地面空管機構。空管標簽體積小、重量輕、成本低，適合微小無人機普遍安裝，該系統和方法具有較高的應用價值。

[1]Department of Defense of the USA. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011-2036[R].2011.

[2]戴大偉,龍海英.無人機發展與應用[J].指揮信息系統與技術,2013.8,4(4):7-10.

[3]高萍,王古常,鄭幸等.無人機空域飛行的現狀及發展趨勢[C].2014(第五屆)中國無人機大會論文集,2014:627-629.

[4]蔡志浩,楊麗曼,王英勛等.無人機全空域飛行影響因素分析[J].北京航空航天大學學報,2011,37(2):175-179.

[5]沈振,劉洋.規范無人機空域使用的建議[J].國際航空,2014,9:37-38.

[6]魏峰.遠距離射頻識別系統關鍵技術的研究[D].西安電子科技大學,2009.