5G時代無線電監測站無人機云平臺技術研究*

韓將星

（吉林省延邊朝鮮族自治州工信局無線電監測站，吉林 延吉 133000）

0 引言

近年來，隨著科技的迅猛發展，無人機系統技術從軍用廣泛地擴展到民用，發展和應用日新月異，已經廣泛應用于農業植保、電力巡檢、警用執法、地質勘探、環境監測、森林防火以及影視航拍等民用領域[1]。5G 通信[2]、天基互聯網[3]、導航衛星等先端技術的逐步成熟與推進，U-Cloud、U-Care、飛云等諸多無人機云運營商的投入與發展，無人機由視距內人工遙控器操作發展為超視距內遠程無人機云平臺網絡操作[4]。然而，隨著無人機應用場景越來越廣泛復雜，對無人機應用場景提出了更多更高的要求和挑戰。單架無人機因自身燃料、有效載荷、數據信息整合能力等條件的限制，多架無人機集群化、協同化、智能化成為無人機技術發展的一種必然趨勢[5]。面對民用無人機應用廣泛、超視距遠程超控、集群化、智能化發展形勢，給無線電監測站的偵察、反制、監測等相關無人機應用帶來美好的發展前景。但是，我國當前存在如下諸多問題。

（1）無人機遙感系統尚沒有形成統一的網絡技術體系，存在機型多、各自發展、裝備分散、缺乏統籌規劃和有效管理、整體運行效能低、信息資源缺乏有效的共享技術手段和機制等問題，形成“信息孤島”[6]。

（2）非法無人機“黑飛”現象嚴重、影響正常航班飛行等事件時有發生，對民航、軍事基地、政府部門、居民區的人員和設施安全構成了嚴重的威脅，已經成為監管難題。

（3）針對低空無人機數目多、體積小，現行民航空中交通管理的通信、導航和監視技術手段都很難適用于未來數以百萬架的低空無人機目標。

（4）我國當前在無人機監管標準規范、技術手段、監管體系等方面都取得了一定進展，但總體上來看，仍缺乏常態化機制和統一的監管平臺的集中化管理，難以應對未來日益頻繁和大范圍的監管需求。

針對上述問題點，國內學者已經進行了相關研究，并提出了一系列學術方案。全權等人，根據國內外低空無人機管理技術現狀及未來發展趨勢，提出了中國低空無人機交通管理系統框架，并對關鍵技術進行了詳細介紹[7]。蔣豐亦等人，結合無人機監管領域國內外現狀及發展趨勢，基于民用無人機自身飛行特點，采用 DODAF 的復雜系統架構建模方法對無人機監管平臺開展總體架構研究，完成了具有先進開放式體系架構的無人機監管平臺系統總體設計[8]。金偉等人綜合研究了中國現有無人機相關的監管法規制度情況，提出中國無人機安全監管應圍繞“人、機、環”關鍵環節，從國家層面建立統一管控平臺，加快相關法規標準制定，規范反制設備使用，通過安全檢測、試點宣傳等手段，推動建立健全安全監管體系[9]。

關于無線電監測站無人機云平臺，為了快速反制非法無人機黑飛，查除隱蔽性與移動性強的“黑廣播”以及微功率干擾信號等，韓將星結合上述學者的研究，以5G 智能互聯網時代為技術背景，針對我國無線電監測站無人機應用現狀及各種問題點，根據現階段我國低空無人機管理狀況及未來發展趨勢，提出了現階段及未來我國無線電監測站無人機云平臺建設方案，并闡述了相關技術應用[10]。本文根據上述未來國家無人機統一綜合監管平臺下的我國無線電監測站無人機云平臺方案，進一步剖析了無線電監測站無人機云平臺與國家無人機統一綜合監管平臺、企業無人機云以及其他部門之間的協作關系，并提出了無線電監測站無人機云平臺技術架構與構建無線電監測站無人機云PaaS（Platform as a Service）平臺方案，實現我國無線電監測站統一化、智能化、彈性化的無人機一體化管控。

1 無線電監測站無人機云平臺協作與技術架構

1.1 無線電監測站無人機云平臺協作

無線電監測站無人機云平臺協作大體上分為兩種。一種是無線電監測站無人機云平臺與國家無人機統一綜合監管平臺之間的協作，另一種是與企業、公安、氣象、空管等他部門之間的協作。無線電監測站無人機云平臺整體協作關系，如圖1 所示。

圖1 中可以看到，包括無線電監測站無人機云在內的所有企業、公安、空管、氣象、重點區域防控中心等無人機關聯的部門、企業都與國家無人機綜合監管平臺融合成一體，共享相關數據信息。國家無人機綜合監管平臺無人機云系統通過無人機云交換系統進行信息交互。無人機云交換系統通過數據分發，實現各部門、企業無人機云系統之間的數據交換，并記錄、存儲與共享，并在國家無人機綜合監管平臺下實行統一集中化管理。國家無人機綜合監管平臺重點負責無人機的飛行監視、交通管制、信息服務和飛行計劃等。無人機云系統（交通服務系統）提供無人機空域管理、容量管理、流量管理、飛行監視、飛行情報服務、電子圍欄、空中交通管制以及告警與通知等功能。無人機云交換系統提供飛行信息服務、飛行計劃申請、審批以及放飛授權等信息交換功能。無人機云交換系統與交通服務系統均屬于國家無人機綜合監管平臺的子系統。

圖1 無線電監測站無人機云平臺整體協作關系示意

無線電監測站無人機云可以利用大數據、人工智能等技術手段，與固定站監測網，便攜式無線電監測、壓制設備，地面接收端、遙控器、便攜式衛星終端等便攜式無人機操控終端，攜帶各種無人機操控與反制、無線電監測功能的移動車輛等等進行深度數據融合，協同作戰，達到一體化協作目標。根據不同業務場景，通過國家無人機綜合監管平臺的協作下，可以與重點區域防控中心、公安、空管等部門一起協同作戰，快速查除與反制非法無人機等。關于無線電監測站無人機云平臺數據傳輸鏈路示意圖，如圖2 所示。圖2 中可以看到，無線電監測站無人機系統終端通過天基互聯網、導航衛星、衛星地面站、4G、5G 通信網絡等手段與無線電監測站無人機云平臺及國家無人機綜合監管平臺進行對接，形成一體化數據信息互聯。

圖2 無線電監測站無人機云平臺數據傳輸鏈路示意

1.2 無線電監測站無人機云平臺技術架構

基于無線電監測站無人機云平臺業務需求，針對國家無人機監管平臺及協作關系研究，梳理構建無線電監測站無人機云平臺技術架構，如圖3 所示。架構從下至上包括感知層、網絡層、平臺層和應用層。

圖3 無線電監測站無人機云平臺技術架構

（1）感知層

隨著無人機技術的發展，無人機終端根據種類與作用，可以集成各類功能模塊。比如,雷達探測、光電探測、聲波識別、無線電探測等探測類無人機，柔性網攔截、捕網搶、熱武器、激光炮、信號欺騙、聲波干擾、無線電干擾等反制類無人機，攜帶高清攝像頭、智能飛控終端、AI 功能、通信模塊等進行周圍地形環境偵查、工作內容拍攝等偵查類無人機，攜帶地面綜合纜繩系統、無線電監測設備實現長時間滯空工作的系留多旋翼無人機等等。此外，還可以集成與攜帶環境監測、設備狀態監測、物聯網網關、衛星導航等功能模塊協助飛行。

（2）網絡層

5G、物聯網、天基互聯網、導航衛星等通信技術的發展，助力民用無人機的迅猛發展。比如，網絡切片、蜂窩通信、Massive MIMO、智能邊緣計算、D2D 通信等5G 通信技術，可以很好地改善無人機的精準空中定位、多種業務的差異化應用、網絡遲延、資源利用率、成本等問題[11-14]；天基互聯網使無人機在沙漠、海上、山區等人員稀少地區可以自由飛行與通信；低功耗廣域網、局域網等物聯網技術使無人機可以連接各種物聯網設備，形成“萬物互聯”效果，提升網聯化。關于5G 網絡下無人機通信模式示意圖，如圖4 所示。

（3）平臺層與應用層

平臺層大體上分為國家無人機綜合監管平臺與無線電監測站無人機云平臺。無線電監測站無人機云平臺主要包括無人機云端遠程操控、飛行監視、監視信息管理、航空情報管理、移動監測指揮車、AI 服務、大數據服務、運營商服務管理、設備管理、數據管理等等技術服務管理功能。在網絡安全運行維護管理平臺下，平臺層功能之間可實現深度數據融合與共享，協同作戰。目前，U-Cloud、U-Care、飛云等，包括2019 年新增的“拓攻云”與“中科天網”在內的無人機云服務商已達11 家。從無人機云行業服務商的技術應用領域來看，每家服務商都有自己的技術領域特點。因此，無線電監測站無人機云平臺可以與多家無人機云服務商進行技術協作與數據共享，可以靈活應用帶有各類不同功能的無人機云系統。無人機云服務商通過網絡方式與無線電監測站無人機云平臺進行相關技術服務交互與數據共享。應用層主要利用地面接收終端、移動手機、車載顯示、可視化監控大屏幕等智能終端設備與相關應用軟件，進行監視、管理與操作各類無人機系統，并通過網頁、APP 等方式，隨時查看各類相關數據、運行狀態等。

圖4 5G 網絡下的無人機通信模式示意圖

2 構建無線電監測站無人機云PaaS 平臺方案

2.1 PaaS 平臺技術應用現狀及設計理念

近年來，規模較大的企業或者國家機關都有復雜的大型數據中心IT 系統，所有業務自始至終都在一個或多個專業化、精細化的系統中高效運轉。隨著PaaS 技術的蓬勃發展，IT 領域逐步發展成“物理分布、邏輯統一”的新一代網絡系統架構。5G時代，軟件定義網絡、服務化架構、邊緣計算、無線網絡虛擬化等趨勢使網絡正在向云原生架構方向發展，PaaS 平臺作為云原生架構中的關鍵技術層將無處不在，必將得到充分應用和發展。關于PaaS平臺，電力、廣電、媒體、企業、電信、移動通信、高校、無人機云系統等等相關行業及學者已經研究出各種解決方案[15-27]。薛浩等通過探索對云邊協同的5G PaaS 平臺關鍵技術的研究，以技術的角度詳細說明了5G PaaS 平臺下，邊緣計算平臺與云計算平臺的協同關系，并通過智能電網場景案例進一步證實了云邊協同的可行性[15]。楊清波等利用Docker容器技術設計了調控云PaaS 平臺，并分析與驗證了資源的合理調度、快速響應、彈性伸縮等方面具有良好的效果[16]。李樂云介紹了專屬云與公有云相結合的“中華云”，并提出了媒體行業PaaS 平臺的核心架構，利用大數據、容器Docker 等技術，給上層應用提供高效率的運維智能化、容器化彈性服務[18]。王夏洋設計并實現了基于微服務架構的中海油稅務管理系統，并將系統部署于PaaS 平臺，提升了系統的開發演化的穩定性，縮短了應用發布更新時間[20]。徐海勇等提出一種把 PaaS 技術應用到中國移動大數據平臺的方案，通過實踐證明了該平臺具有良好彈性伸縮能力，并且顯著提高系統資源的使用效率[24]。張琦等闡述了一種基于 Kubernetes架構的云原生邊緣計算系統 KubeEdge，將云原生應用無縫延伸到靠近數據產生位置的邊緣側，實現了邊云、邊邊之間的應用協同和統一微服務治理[25]。萬黎升等在泛在電力物聯網PaaS 平臺下，提出基于調控云平臺上部署線路狀態感知監測應用及實現數據共享的工程方案[26]。史殿習等提出了一種面向多無人機協同飛行控制的云系統架構 UAV3CA，通過云端 PaaS 抽象封裝無人機及其上資源，可實現多無人機間信息數據的實時共享，并基于云端強大的存儲和計算能力完成多無人機的統一規劃及協同飛行控制[27]。

綜上所述，PaaS 平臺技術已經得到IT 領域的普遍認可，并且該平臺下，可以靈活部署多云融合、大數據、人工智能、物聯網、邊緣計算、微服務、容器、無人機云系統等等多種平臺，實現業務的彈性高效化部署。同時應用的開發迭代周期變得越來越短暫，給開發人員和管理人員提供了很好的支撐服務。

本文結合上述學者們的研究與應用成果，設計了無線電監測站無人機云PaaS 平臺技術架構。無線電監測站無人機云PaaS 平臺設計理念是結合5G時代的智能互聯網、無人機等技術對無線電監測站基礎設施變革的發展趨勢及影響，充分應用“大云物移智鏈”等現代信息技術，建立快速迭代、自動部署、獨立高效的云原生一體化生態體系，實現全網萬物互聯、人機交互，打造狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的泛在無線電監測站無人機云一體化管理平臺。

2.2 PaaS 平臺云節點體系架構

無線電監測站無人機云PaaS 平臺云節點體系架構如圖5 所示，采用集中和分布相結合的分級部署模式，構建跨調度機構的“1 個國(分)主導節點+N 個省(地)協同節點”的二級部署云節點體系。具體來講，全國各地區的國家無線電監測中心劃分成若干個國（分）主導節點，主導節點之間用資源高速同步網互聯，實時同步相關數據。再把各省地中心監測站作為協同節點，一個主導節點集中管理若干（N）個省地協同節點，1 個省地協同節點管理所屬省內所有各地市中心監測站節點。1 個主導節點與所屬若干（N）個協同節點之間也用資源高速同步網互聯，實時同步相關數據。全網特性上來看，采用無線電監測站系統專網（基礎通信網和數據網）互聯，分層部署，地理分散，具有數據安全性高，完全可控等特點。數據層面，主導節點負責所有所屬省地協同節點，協同節點負責本省內所有地市節點數據的匯集并向主導節點同步/轉發相關數據。業務層面，主導節點提供所管轄內完整的全網模型服務、數據服務及業務應用，協同節點基于本省業務在統一的數據模型下開發運行各自的業務系統。硬件層面，各節點相互獨立運行，自主管理。根據各省地市業務類型異構情況，硬件架構可以按需求配置，可以不統一，但是，軟件架構上形成邏輯統一的整體。

圖5 無線電監測站無人機云PaaS 平臺云節點體系架構

2.3 無人機云PaaS 平臺整體技術架構

無線電監測站無人機云PaaS 平臺技術架構，如圖6 所示。架構從自下而上分為IaaS（Infrastructure as a Service）層基礎設施即服務、PaaS層平臺即服務、SaaS（Software as a Service）層軟件即服務。

（1）IaaS 層

IaaS 層主要以各種基礎軟硬件設施、網絡設施及移動設備來實現整體資源的虛擬化與容器化。5G時代，隨著車聯網[28]、物聯網[29]以及各種網格化、智能化的監測網[30]技術的迅猛發展與推廣，無線電監測站無人機云平臺可以與監測站的移動指揮車聯網平臺，物聯網平臺（包括各種便攜式監測、壓制、無人機操控移動終端，設備狀態監控系統、安全報警系統等），監測網平臺等進行深度融合，數據共享，協同高效化作戰。

圖6 無線電監測站無人機云PaaS 平臺整體技術架構圖

IaaS 層基礎平臺支持私有云、公有云、專屬云、邊緣云等多云協同的對接，通過能力建設、開放接口、流程再造等方式，融合多種業務的敏捷性生產和彈性化部署。在滿足傳統業務流程的同時，能夠為新業務提供統一的內容支撐、技術服務、數據分析等服務一體化的技術業務平臺，有效支撐無線電融合創新業務的快速發展。針對外部公有云與專屬云平臺，可以借助公有云CDN（Content Delivery Network）、計算、存儲、網絡等資源進行管理調配，通過監測站私有云IaaS 層的資源調度，向PaaS 層提供基礎資源。比如，監測站私有云平臺與第三方公有云、專屬云、邊緣云提供商服務平臺之間，公安、民航、鐵路等第三方相關外部機構的數據交互等等。針對私有云平臺，利用大數據、虛擬化、容器、微服務等相關協同技術平臺服務來建立自己的私有云業務支撐，并通過管理、監控、分配、調度等方式，使得私有云的IaaS 層基礎資源得到最大化的高效利用。

容器平臺包含運行環境、資源調度和服務管理等功能，以開源的 Kubernetes、Docker 為基礎，支持多云協同的對接。容器平臺通過實時監視，評估集群資源使用狀況，以冗余互備、負載均衡等技術，使整個系統中應用容器性能維持均衡狀態，提高系統整體的運行效率，實現支撐平臺基礎資源快速彈性伸縮。統一的容器運行環境，為快速的積木式應用服務搭建提供了有力的平臺支撐，使各類應用獨立運行，資源高效共享。

（2）PaaS 層

PaaS 層利用相關技術平臺服務來實現整體平臺異構數據的標準化以及開發、運維、管理等，給SaaS 層提供高效化服務支撐。比如，大數據服務平臺為無人機數據全流程一鍵式處理提供大數據存儲、管理、處理、服務于一體的工作平臺。資源管理平臺把各類視頻文件、圖片文件、工程文件等資源進行統一科學分類管理，為上層應用提供高效化數據共享文件服務。針對海量的監測數據，利用GIS(Geographic Information System)[31]平臺建立完善的數據對比、分析、評估體系，實現無線電監測數據的可視化。中間件服務為傳統應用和微應用提 供應用運行服務支撐，有效解決分布異構問題。微服務平臺為傳統云計算業務服務和網絡服務提供能力開放和引入、服務治理、輕量級服務網關，管理邊緣計算智能網關。開發平臺主要利用開發框架、公共組件庫、發布監控、持續交付等開發部署平臺來實現各種移動應用、Web 應用、大數據應用的開發與交付。應用開發平臺提供統一的建設標準、管理標準、移動技術標準、安全規范等，并且兼容無人機、智能手機、辦公系統等多種平臺，全面支撐業務應用系統，降低人力成本，大幅度提高研發效率。此外，公共業務、云安全、云管理等平臺來支撐業務應用。SaaS 層用各種智能終端、移動終端、辦公手段來實現應用層人機交互以及提供各種應用服務化軟件。

3 結語

面對5G 時代無人機云平臺應用發展態勢，結合我國當前無人機監管與應用領域存在的問題點，闡述了無線電監測站無人機云平臺協作關系，分析相關學術領域研究，提出無線電監測站無人機云平臺技術架構與構建無人機云PaaS 平臺方案，為實現未來無線電監測站無人機一體化管控與監管，技術融合與協作，提供了一定的理論依據。面向未來，建立完善的無人機云平臺及各項技術的融合與發展是一個長遠且充滿不確定性的過程，實現從潛力到現實的轉變，充滿了各種挑戰。下一步將繼續深入研究無線電監測站無人機云平臺系統各項潛在性功能模塊與應用，進一步推動和豐富云端系統的應變能力，努力構建復雜環境下的多無人機協同作戰一體化云平臺建設目標。