基于現代通信網絡的無人機空中管制技術*

唐毅 王征 謝志明 劉肩山

1．長沙航空職業技術學院；2．石家莊工程職業學院

針對無人機應用中存在的監管難的問題，研究了利用移動通信網絡對無人機進行空中管制的可行性，提出了需要解決的幾個關鍵技術難點。在文中分別對無人機測控功能、任務規劃功能、故障判斷處理進行和低空智能組網技術進行了研究并提出了相應的改進措施。通過本文的研究，可為無人機在城市空間安全高效的開展作業提供參考。

由于無人機具有的諸多優勢，在軍事、民用和科研的各個領域得到了廣泛的應用。未來無人機的大規模應用將改變未來人類社會的生活模式，其在城市應用中的需求會越來越大、應用會越來越廣。但是，現階段無人機應用大部分都停留在可視范圍內，難以充分發揮無人機的空間、時間以及成本優勢。隨著無人機在城市應用的不斷拓展，越來越多的無人機將在復雜的城市空間開展作業任務，如何對城市空間的無人機進行合理和高效的管制將是未來無人機應用的關鍵技術和難點所在。

1 無人機空中管制現狀

無人機的數據鏈分為上行和下行數據鏈路。上行數據鏈主要負責任務載荷命令、遙控指令、空中飛行線路的控制指令等信號的傳輸；下行數據鏈主要進行圖像視頻信號以及飛行狀態信號的傳輸。

隨著現代通信技術的不斷發展，4G通信技術取得了重大的進步，從2010年開始，逐步在全球范圍內投入商業使用，到目前，已經取得了重大的進展，基本實現了世界范圍內的無縫連接，能夠完成遙測遙控以及語音、圖像、視頻的及時傳輸。以此為基礎，將4G甚至5G移動通信技術與無人機控制相結合，可極大的拓展無人機的應用空間。

2 無人機空中管制需要解決的幾個關鍵技術

2.1 無人機測控功能研究

無人機系統主要分為測控與通信系統、任務設備系統、飛行器系統、發射回收系統以及指揮控制系統。測控系統主要分為地面測控系統和機載測控終端兩部分，屬于整個系統的核心組成部分之一，其性能好壞直接影響整個無人機系統。

目前主流無人機基本都采用專用的無人機通信數據鏈路。圖1表示的是傳統無人機測控示意圖。其中地面控制站利用專用通信數據鏈路向無人機發送控制命令，網絡時延和時延抖動很小。

圖1 傳統無人機測控Fig.1 Traditional UAV MAC network

當用移動通信網絡來替代專用的無人機數據鏈路時，控制命令要先到達移動基站再轉發給無人機，會增大通信時延和抖動，給操作者造成不小的挑戰。在對無人機進行測控管理時，必須要充分考慮通信網絡時延這一因素。移動通信網絡用來替代專用的無人機數據鏈路必須要解決的一個重要問題就是時延對于“人在回路”系統的影響。將移動通信網絡作為通信數據鏈路的無人機測控圖如圖2所示。

圖2 基于通信網絡的無人機測控Fig.2 UAV MAC based on communication

2.2 無人機任務規劃功能

在對無人機進行飛行航路規劃時，必須考慮各種環境因素及人為因素對無人機飛行的影響。移動網絡作為通信數據鏈路，環境和地形所起到的干擾，以及高樓建筑對通信信號造成的阻擋和遮蓋，都會導致無人機在信號薄弱區域無法接收到地面控制站的指令。同時，惡劣天氣和磁場使無人機位置偏離，也會對無人機飛行任務的規劃造成影響。

2.3 無人機故障判斷處理

無人機在飛行時不可避免的會出現一些故障現象。這些故障輕則導致部分功能缺失，重則導致飛機墜落。如果在人群稠密區執行作業的無人機發生墜落事件，很可能會造成財產損失甚至人生安全事故。所以應該對無人機的故障進行及時判斷以及采取相應的處理措施，保證無人機作業的安全性。

2.4 低空智聯網組網

低空智聯網是在低空空域（通常3000m以下）依托移動通信網絡、低軌衛星網絡及地面互聯網等基礎設施，構建適合低空業務運營的實體網絡，是物聯網技術向低空的延伸，低空智聯網是發展低空飛行器行業應用最重要的基礎設置，對打造數字經濟新興產業具有重要意義。在低空智聯網的基礎上，建立統一的低空業務運營管理架構，實現低空飛行器可觀測、可規避、可控制，是構建低空管理體系的重要一環。

3 對關鍵技術的研究及改進措施

3.1 通信網絡時延研究及改進

在4G通信網絡中，端對端時延為50～100ms，且總體的波動變化幅度不大。如果采用5G通信網絡，則端對端時延為5～10ms，縮短為4G的十分之一，能夠實現真正意義上的實時控制。

對于4G通信鏈路中的傳輸時延問題，可以通過狀態預測算法來進行相應的補償，通過監控駕駛員的輸入和無人機的相應狀態，以此來預測無人機的運動，這種方法能夠迅速的觀察到輸入量帶來的影響，并以此確定下一步的操作，提高無人機的操控品質，最終使得駕駛員利用4G通信網絡實現穩定可靠的超視距控制。

3.2 無人機任務規劃功能研究

無人機的航線規劃是指在有限時間內生成到達目標的有效航線，其中，規劃出的航線必須滿足可行性、安全性、低代價性、低碰撞性、可飛性等特點。針對無人機航跡規劃，國內外已經有大量研究，傳統經典算法中有動態規劃法、導數相關法、和最優控制法，而隨著人工智能的發展，大量的智能算法被應用于航跡規劃并取得了顯著效果，例如Dijkstra's算法、A*搜索算法、遺傳算法、群體算法等。

這些研究都著重于算法本身，并未針對城市空間無人機飛行的特點進行深入分析。相比較于傳統的民航航線，無人機在城市空間的航線應與城市自身的規劃和布局相結合。當無人機介入城市空間當中，就相當于將平面化的城市空間領域縱向的拉伸了，將傳統的二維平面空間拓展為立體的三維空間，會導致空間分布會發生一系列的變化，空間將會分為數個不同的層面。此時將城市空間分層與城市模型組合成如圖3所示的無人機城市模型，就可以在保證城市空間安全的基礎上實現無人機城市空間航線的合理規劃。

圖3 無人機城市空間模型Fig.3 UAV urban space model

針對城市布局特點建立無人機城市空間模型，基于城市建筑密度將城市空間分層，其分層依據以下規則：

(1)按城市空域按高度分成多層平面。

(2)根據無人機飛行速度的快慢劃分不同的使用通道。

(3)根據無人機體積大小劃分不同的平面。

(4)空間內設置可供無人機起降的平臺。

當無人機大規模應用到城市中時，現代城市中尚未完全利用的垂直空間將得到充分的利用，將現代社會的二維平面活動空間拓展為三維立體空間，可以極大的增強城市的承載力。如在垂直空間上規劃無人機通道；利用低于24m建筑屋頂安裝無人機起降平臺及充電設備；在建筑立面上與結構相結合，設計無人機停靠機位；每隔一定距離安置無人機飛行監控設備等。這些對垂直空間的利用，塑造了城市垂直空間的形態，成為了城市空間的重要部分，彌補了現在城市垂直空間的空白，并且將影響以后城市的發展。比如可以將城市空間依高度劃分為24m以下，24m到100m，100m以上三個空間段，用做不同的無人機飛行通道，并設置通道換飛空間節點，實現無人機有序地進行空間高度的升降。

通過對無人機任務規劃的深入研究，可以根據城市具體布局規劃無人機航線，解決以往無人機在城市上空黑飛、亂飛、隨意飛行給城市帶來的危害，為實現無人機在城市空間的安全可靠運行提供保障，在保證城市安全的基礎上不斷開發城市低空空域資源，利用無人機技術不斷拓展和便利城市的發展。

3.3 無人機故障處理

(1)GPS故障處理。在城市空間執行作業任務時，由于城市建筑及電磁輻射等原因，容易導致GPS信號弱或者丟失GPS信號。相對GPS定位來講，基于移動網絡的無人機定位技術雖然其精度還有一定差距，但可作為一種補充定位方式。當GPS信號弱或者丟失GPS信號時，啟動移動網絡定位技術對無人機進行定位，可以保證無人機作業任務的順利進行。

除了采用移動網絡的定位技術，還可以采取在無人機飛控系統加載城市三維地圖的形式，對無人機進行三維數字地圖與GPS聯合導航的模式，增強無人機在城市空間的定位能力與定位精度。

(2)迫降及墜落故障處理。無人機的故障現象是客觀存在的，特別是對于在城市空間中執行作業任務的無人機，安全風險一直受到高度關注。隨著無人機數量和規模的不斷增加，無人機在作業過程中很可能會發生迫降甚至墜落等事故，當事故發生時，應盡可能的在確保人員及財產安全的基礎上，把損失降到最低。

無人機故障的處理應與任務規劃功能進行綜合研究，在進行航路規劃時，應綜合考慮城市的建筑布局及地理特點，在航線附近提前規劃出迫降場地甚至安全墜落區，以確保在發生緊急情況時能夠避免人員的傷亡或造成重大財產損失。

3.4 低空智聯網組網技術進展

目前部署的4G地面移動通信網，服務對象和覆蓋目標是地面移動的用戶，運營商進行的網規和網絡工作，主要是針對地面業務進行，沒有考慮也不可能考慮低空的信號覆蓋，因此主要的移動通信信號能量集中在地面，低空存在的移動通信信號能量主要是天線旁瓣和后瓣的泄露信號，這些信號在低空分布雜亂無序，如果利用這些信號進行低空通信，將導致頻繁掉線、切換、干擾等問題，使通信質量得不到保證。

5G網絡技術由于采用Massive MIMO天線技術，天線陣子數多賦予更窄的波束及3D覆蓋能力，從而支持3D動態波束賦型，可以在低空形成可靠的信號覆蓋，形成地空立體網絡。而且5G網絡技術端到端網絡切片能力，可以為無人機等低空目標提供多種可選的資源提供方式，運營商可以根據成本核算、頻譜資源和低空用戶的需求來合理規劃端到端的通信保障方式，最大限度的滿足用戶的實際需求。

相比于4G地面網絡，由于5G引入的3D MIMO和波束賦型能力，垂直維度的波束調整，進而通過天線陣列權值的優化，可以改善5G基站波束對空覆蓋的效果，降低天線方向圖上旁瓣零點和后瓣的影響。在水平方向上，由于5G Massive MIMO天線指向性的增強，也降低了低空目標和多個基站之間相互的干擾。

根據無人機的應用場景，低空智聯網可以利用5G地面公網兼顧低空覆蓋，ATG（Air to Ground）對空專網，以及二者的混合方式來進行組網。300m以下低空應用主要為無人機行業應用，絕大多數無人機作業在這個高度以下，需要建設對空專網進行覆蓋，部分場景下也可以采用基于地面網絡兼顧低空覆蓋。在低空目標飛行區域選擇合適的區域，以及合適站間距的設計，可在低空范圍內形成有規律的覆蓋能力，能夠保證低空通信的正常進行。

4 結語

本文通過對基于移動通信網絡的無人機空中管制技術進行研究，分析了無人機空中管制現狀以及需要解決的幾個關鍵技術。針對通信網絡時延、無人機任務規劃、無人機故障處理及低空智聯網組網技術等方面進行了研究，為無人機未來在城市空間的大規模應用提供了參考。