5G时代无线电监测站无人机云平台建设方案研究*

韩将星

（吉林省延边朝鲜族自治州工信局无线电监测站，吉林 延吉 133000）

0 引 言

如今，4G技术已经成熟，5G初露锋芒，人工智能（Artificial intelligence，AI）[1]、大数据[2]、云平台[3]等行业风声水起，人类社会即将迎来第七次信息革命——以5G通信技术为基础的智能互联网时代[4]。5G低时延、高可靠、大带宽的特性，可形成泛在感知、泛在连接、泛在智能[5]，赋能民用无人机行业的大规模商业应用，进一步为我国无线电监测站的无人机应用与平台建设带来美好的前景。

近年来，随着无人机系统技术的迅猛发展，无人机由视距内人工遥控器操作发展为超视距内远程无人机云平台网络操作[6]，民用无人机的大规模应用成为未来的发展趋势。2019年2月，全国已有包括U-Cloud、U-Care、飞云、大翼云以及“沃天宇”等在内的10家无人机云运营商取得了相应的运行资质。据BIIntelligence预测，2021年无人驾驶飞机销售额将超过120亿美元，消费无人机出货量将达到2 900万架，复合年均增长率为31.3%。目前，中国大约有400个无人机制造商，是全球70%的无人机需求市场的供货商[7]。

面对上述民用无人机发展态势，我国无线电监测站无人机监管与应用面临诸多问题。

（1）目前，我国无线电监测站领域无人机应用方面，如系留多旋翼无人机监测平台[8]、空中无线电监测系统组网定位方法[9]、基于空中监测平台的无人机操作者定位系统[10]以及无人机侦测与拦截系统[11]等陆续登场。但是，现阶段各地区无人机相关技术与应用处于初级阶段，技术相对落后，各地区、各业务系统之间无法实现互联互通，信息无法共享，形成了“信息孤岛”[12]，远不能满足5G智能互联网时代复杂多变的无线电环境监管需求。

（2）非法无人机“黑飞”[13]事件日益频繁，造成民航、军队等社会各空域受到严重的干扰与威胁，对非法无人机的监管需求日益增加。例如，2017年4月14日、17日、18日，成都双流国际机场遭3起“黑飞”无人机干扰，导致58个航班备降西安、重庆、贵阳和四川绵阳机场，4架飞机返航，超1万名旅客出航受阻被滞留机场[14]。

（3）“黑广播”[15]、伪基站等非法无线电传播日益严重，传统的地面监测手段对隐蔽性强[16]、微功率、宽频段的快速干扰查找面临诸多困难。

为解决上述问题，无线电监测站无人机云平台建设方案应运而生。根据中国民航局2019年第一季度无人机云数据统计，运行在超低空空域（120 m以下）的无人机占96.5%，低空空域（1 000 m以下）的无人机占据99.9%[17]。参考国务院、中央军委空管委《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》对轻小微型无人机的适飞空域高度定义以及民航最低安全高度要求，本文主要依据低空空域（含300 m以下的空域）无人机交通管理现状与未来发展趋势，提出了无线电监测站无人机云平台建设方案。

1 现阶段无线电监测站无人机云平台方案

为了规范民用无人机的运行，2015年12月中国民用航空局（简称民航局）飞行标准司下发了《轻小无人机运行规定（试行）》咨询通告。该咨询对民用无人机进行分类，如表1所示，并明确了民用无人机的运行监管（使用电子围栏、无人机云等）、对无人机云提供商的要求等，对Ⅲ类以上无人机以及部分Ⅱ类、Ⅴ类无人机提出了接入无人机云系统的要求，在人口稠密区报告频率最少每秒一次，在非人口稠密区报告频率最少每30 s一次，且具备数据续传功能[18]。

表1 无人机运行管理分类

为了更好地促进行业发展，民航局颁布了《无人机云系统接口数据规范》MH/T 2009-2017行业标准[19]，并研制了无人机云数据交换平台[20]，实现了同一空域下全国多个无人机云系统数据共享，注册无人机互相可见，提升了中国中低空飞行安全。目前，我国主要有民航局飞标司批准的各家无人机云系统和民航局空管办主导开发的无人机交通管理信息服务系统，如图1所示。如图2所示，无人机云系统通过无人机云交换系统进行信息交互。无人机云交换系统通过数据分发，实现各云系统之间的数据互相交换，并记录存储与共享，并在民航局无人机交通管理信息服务平台下实行统一集中化管理。无人机云系统提供无人机禁飞区查询、身份识别、数据统计、电子围栏、动态监视、轨迹回放以及告警与通知等功能。无人机云交换系统提供飞行信息服务、飞行计划申请、审批以及放飞授权等信息交换功能。

水泥混凝土及沥青混凝土是公路施工主要用料，不同施工材料应用于实际施工中各有劣势及优势。针对于路面施工质量而言，混凝土自身存在一定要求，可降低施工成本、缩短工期，所以裂缝的情况很少会出现。除此之外，沥青混凝土路面施工中，不当的材料选择必定影响到建筑周期[1]。总体上来说，因受到季节因素的影响以及施工条件自身较为严格，必然会影响后续施工的进行，会出现很多问题。水泥混凝土施工容易出现裂缝的情况，自身有稳定性高的特点，严重影响后续施工。另外的一个关键性影响因素是施工中的路面硬化问题。例如：当施工中混合材料沥青含量低，则会造成路面位置移动、路面坑洞以及膨胀等问题，对施工的质量及进度产生严重影响。

图1 现阶段低空无人机交通管理框架

图2 现阶段无线电监测站无人机云平台方案

根据目前我国低空无人机交通管理信息服务管理框架，提出了现阶段我国无线电监测站无人机云平台建设方案，如图2所示。可以看到，运营商云平台的民用无人机系统与无线电监测站云平台的无人机系统，通过无人机管控数据链路（4G、5G网络等）把无人机系统实时数据传送给民航局无人机交通管理信息服务平台的无人机云系统，再通过4G、5G网络把实时数据传送到各自的无人机云平台系统。运营商与监测站无人机云平台系统如无人机遥控器、移动监测车控制指挥中心以及固定监测站控制指挥中心等，通过指挥和控制通信数据链路如4G、5G网络、卫星、地面站和移动站等进行实时控制指挥。监测站无人机云系统与监测站监测网云系统[21]之间，以深度数据融合协作方式实现无线电干扰信号查找等日常业务工作。

大数据时代的云计算、云存储、云管理都是通过大型远程云服务器来支撑。随着互联网技术的发展，网络空间不受资源环境制约，突破了时空约束，打破了行政区域边界限制[22]，创造了统一的信息物理空间，使得各种云服务器之间的融合与互联互通变得更加便捷。所以，不同空间的云服务器平台可以理解成一台大型混合云服务器。图2中把各类云平台系统连接表示在一台无人机云服务器也是这个道理。

各地区无人机云系统应用采用混合云模式（如图3所示）。

图3 各地区监测站无人机云平台统一化管理混合云架构

实现各类无人机云服务（运营商云、航空云等）系统之间的数据交换与各地区监测站无人机云平台统一化的高效管理，并且通过4G、5G基站、卫星[23]、地面站、卫星便携终端、移动监测车以及监测网云等互联网技术，实现不同无人机系统及各种传感设备之间的互连互通，如图4所示[24]。该方案的实施不仅可以打破当前“信息孤岛”所带来的融合技术上的缺陷，而且极大地提升了大数据时代我国无线电监管工作的效率。

图4 无线电监测站无人机系统工作流程

2 未来无线电监测站无人机云平台方案

随着无人机技术的迅猛发展与大规模应用，民航局监管的民用无人机数量和运行数据呈现井喷式增长，给传统的民航局数据管理方式带来了极大挑战。因此，2019年我国也提出了自己的无人机运行管理（UAV Operation Management，UOM）系统框架，如图5所示[17]。可以清楚看到，我国的无人机系统由国家无人机综合监管平台统一集中化管理。

2019年初，中国民航局飞标司、适航司和空管办联合发布了《特定类无人机试运行管理规程》（AC-92-01），针对特定类行业级无人机应用启动无人机空中交通空域管理、流量管理、飞行管制与风险评估等的研究与试点，未来低空无人机交通管理框架如图6所示。

图5 中国无人机运行管理（UOM）框架

图6 未来低空无人机交通管理框架

根据未来中国无人机运行管理系统框架，提出了我国无线电监测站无人机云平台建设方案，如图7所示。与现阶段不同的是，国家无人机综合监管平台重点负责无人机的飞行监视、交通管制、信息服务和飞行计划等，且无人机云交换系统、无人机实名登记系统均属于国家无人机综合监管平台的子系统，这些功能和模块均统一由政府部门提供。无人机云系统升级为无人机交通服务系统，无人机交通服务系统之间可通过区域间信息共享和无人机云交换系统的辅助协同，并与有人机空中交通管理系统进行协同，最终达到实现低空无人机空中交通管理的目的。未来我国无线电监测站无人机云平台与其他监管部门无人机云平台[25]之间的协作关系模型，如图8所示。

图7 未来无线电监测站无人机云平台方案

图8 无线电监测站无人机云与其它监管部门协作关系模型

3 无人机云平台相关技术应用

3.1 5G移动通信技术应用

Massive MIMO[27]技术具有丰富的空间自由度，可实现信号的立体覆盖，吻合了无人机通信网络的三维性质，可以精准定位无人机的空中网络节点[28]。网络分片[29]技术的灵活应变能力，能够满足无人机多种业务的差异化应用需求，达到优化网络、降低成本、提高资源利用效率的目的。智能边缘计算[30]技术可以很好地改善远程云端与边缘通信之间的网络延迟问题，形成边云协同的泛在智能网络，可实现智能化所需的数据高效连接，从而极大程度地丰富空中无人机的智能化应用场景。

3.2 无人机集群产生背景与应用

有着“空中机器人和协作机器人鼻祖”之称的韦杰·库玛（Vijay Kumar）曾提出“5S”理论[31]，认为空中机器人会朝着微型、安全、智能、快速和集群方向发展。面对日益复杂的应用环境和多样化需求，单架无人机受自身硬件、燃料等多方面条件的限制，已无法实现对任务区域的多维度、大范围覆盖。当执行高风险任务时，单架无人机可能因为受到攻击或自身故障而失效，从而导致任务系统容错性不足等。为此，无人机应当以集群的方式协同工作，即由多架相同或不同型号的无人机组成无人机集群，协同作业，共同完成任务，最终让个体之间协同配合，发挥1+1＞2的集体作用[32]。

3.2.1 查找黑广播、伪基站方面的应用

在城市高层建筑密集区，由于无线电信号在地面传播时受到反射、折射等介质的影响，使地面监测很难快速准确地定位信号源；有些黑电台搭在几十公里以外的山区，这时候如果想准确定位，多数情况下利用空中组网定位方式，且两个测试点距离10 km以外是基本要求；有些非法电台、伪基站搭在移动车辆或无人机上，这时候很难利用地面监测设备快速定位查除。遇到以上几种情况时，利用无人机云平台技术，可以使多架无人机协同作战、与地面监测网云进行实时数据共享与融合，从而快速定位查除信号源。

3.2.2 重大活动保障或者考试保障方面的应用

重大活动、考试保障时，无人机云平台可以派遣多架侦查无人机在周围空域进行盘旋监测。如果遇到异常信号，多架无人机集群第一时间进行快速协同定位，并根据信号源情况，快速派遣相应的反制型无人机进行压制，可大幅度提高保障效率。

3.2.3 查找、宽频、微功率干扰源方面的应用

随着5G等移动通信技术的发展，不断涌现出隐蔽性强、宽频和微功率干扰源，使得地面监测手段由于受到建筑物等介质的影响而很难快速进行定位查除。比如，方向性对地、对空发射天线卫星干扰源[33]、宽频微功率通信链路非法无人机等干扰源或隐藏在高层建筑内的微功率干扰源时，无人机集群利用高空组网定位、电平值逐步逼近目标方式等方法，可快速查除信号源。

3.2.4 反制非法无人机应用方面

近年来，非法无人机[34]“黑飞”事件日趋严重，影响社会的安宁。为此，对非法无人机监管[35]技术的要求不断加重，对无线电空中监管工作带来了很大挑战。无人机云平台技术可有效解决此类问题，如同一时刻遇到多架非法无人机“黑飞”，通过地空监测手段（如雷达探测、无线电信号探测、光电跟踪以及声波识别等）[36]的数据融合，可迅速认知、判断、定位并跟踪目标方位，从而派遣反制（如捕网枪、无人机捕网、热武器或激光炮、信号干扰、信号欺骗、声波干扰、无人机信号劫持以及黑客技术等）无人机或地面反制手段进行压制。

综上所述，无线电监测站无人机云平台可以有效解决各类空中无线电监管问题，减少人力资源消耗，大幅度提高工作效率。

4 结 语

如今，无人机云平台技术广泛应用于公共安全、基础设施建设、环境监测、线路巡检、能源勘探、农林作业、边境巡逻、治安反恐以及遥感测绘等行业，出现了如U-Cloud、U-Care、飞云、北斗云BD-Cloud、大翼云以及“沃天宇”等无人机云服务商。目前，从无人机云行业服务商的技术应用领域来看，每家服务商都有自己的技术领域特点，没有一家能够在所有技术领域表现得完美。因此，建议与多家无人机云服务商进行技术协作与共享，开发出适合无线电监测站应用领域的无人机综合管理PaaS云平台系统，实现全国各地区无线电监测站无人机系统应用领域的统一智能化科学管理。例如：使用U-Cloud、U-Care以及“沃天宇”3家不同的无人机云系统服务时，无线电监测站无人机PaaS云平台可以担任3家无人机云基础设施平台与监测站无人机应用系统之间的桥梁，即担任数据交换平台（公有云）的作用，混合并匹配适合监测站无人机云系统应用的其他平台。无线电监测站无人机PaaS云平台也可以IaaS的方式，专门为无线电监测站定做的无人机系统提供无人机云平台服务，担任私有云的作用。各地区无线电监测站的无人机云系统应用上，无人机综合管理云平台系统以SaaS方式给各地区监测站提供相应的无人机云系统应用软件及维护。

为应对现阶段及未来电磁环境变化趋势，更好地维护空中无线电秩序，本文以5G智能互联网时代为技术背景，提出了现阶段的各种问题点，根据现阶段我国低空无人机管理状况及未来发展趋势，提出了我国无线电监测站无人机云平台（Platform as a Service，PaaS）建设方案，并阐述了相关技术应用，并对该方案的实施提出了建议。该方案的实施不仅对现阶段的黑广播、非法无人机“黑飞”、考试保障以及空中微功率干扰源快速查找等多领域监测与反制具有举足轻重的实效性，而且对未来无线电监测站的空中电波秩序监管具有重要的指导意义。