韓將星

（吉林省延邊朝鮮族自治州工信局無線電監(jiān)測站，吉林 延吉 133000）

0 引 言

如今，4G技術(shù)已經(jīng)成熟，5G初露鋒芒，人工智能（Artificial intelligence，AI）[1]、大數(shù)據(jù)[2]、云平臺[3]等行業(yè)風(fēng)聲水起，人類社會即將迎來第七次信息革命——以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)的智能互聯(lián)網(wǎng)時代[4]。5G低時延、高可靠、大帶寬的特性，可形成泛在感知、泛在連接、泛在智能[5]，賦能民用無人機(jī)行業(yè)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，進(jìn)一步為我國無線電監(jiān)測站的無人機(jī)應(yīng)用與平臺建設(shè)帶來美好的前景。

近年來，隨著無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)由視距內(nèi)人工遙控器操作發(fā)展為超視距內(nèi)遠(yuǎn)程無人機(jī)云平臺網(wǎng)絡(luò)操作[6]，民用無人機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用成為未來的發(fā)展趨勢。2019年2月，全國已有包括U-Cloud、U-Care、飛云、大翼云以及“沃天宇”等在內(nèi)的10家無人機(jī)云運營商取得了相應(yīng)的運行資質(zhì)。據(jù)BIIntelligence預(yù)測，2021年無人駕駛飛機(jī)銷售額將超過120億美元，消費無人機(jī)出貨量將達(dá)到2 900萬架，復(fù)合年均增長率為31.3%。目前，中國大約有400個無人機(jī)制造商，是全球70%的無人機(jī)需求市場的供貨商[7]。

面對上述民用無人機(jī)發(fā)展態(tài)勢，我國無線電監(jiān)測站無人機(jī)監(jiān)管與應(yīng)用面臨諸多問題。

（1）目前，我國無線電監(jiān)測站領(lǐng)域無人機(jī)應(yīng)用方面，如系留多旋翼無人機(jī)監(jiān)測平臺[8]、空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)定位方法[9]、基于空中監(jiān)測平臺的無人機(jī)操作者定位系統(tǒng)[10]以及無人機(jī)偵測與攔截系統(tǒng)[11]等陸續(xù)登場。但是，現(xiàn)階段各地區(qū)無人機(jī)相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用處于初級階段，技術(shù)相對落后，各地區(qū)、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，信息無法共享，形成了“信息孤島”[12]，遠(yuǎn)不能滿足5G智能互聯(lián)網(wǎng)時代復(fù)雜多變的無線電環(huán)境監(jiān)管需求。

（2）非法無人機(jī)“黑飛”[13]事件日益頻繁，造成民航、軍隊等社會各空域受到嚴(yán)重的干擾與威脅，對非法無人機(jī)的監(jiān)管需求日益增加。例如，2017年4月14日、17日、18日，成都雙流國際機(jī)場遭3起“黑飛”無人機(jī)干擾，導(dǎo)致58個航班備降西安、重慶、貴陽和四川綿陽機(jī)場，4架飛機(jī)返航，超1萬名旅客出航受阻被滯留機(jī)場[14]。

（3）“黑廣播”[15]、偽基站等非法無線電傳播日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測手段對隱蔽性強(qiáng)[16]、微功率、寬頻段的快速干擾查找面臨諸多困難。

為解決上述問題，無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺建設(shè)方案應(yīng)運而生。根據(jù)中國民航局2019年第一季度無人機(jī)云數(shù)據(jù)統(tǒng)計，運行在超低空空域（120 m以下）的無人機(jī)占96.5%，低空空域（1 000 m以下）的無人機(jī)占據(jù)99.9%[17]。參考國務(wù)院、中央軍委空管委《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》對輕小微型無人機(jī)的適飛空域高度定義以及民航最低安全高度要求，本文主要依據(jù)低空空域（含300 m以下的空域）無人機(jī)交通管理現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢，提出了無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺建設(shè)方案。

1 現(xiàn)階段無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺方案

為了規(guī)范民用無人機(jī)的運行，2015年12月中國民用航空局（簡稱民航局）飛行標(biāo)準(zhǔn)司下發(fā)了《輕小無人機(jī)運行規(guī)定（試行）》咨詢通告。該咨詢對民用無人機(jī)進(jìn)行分類，如表1所示，并明確了民用無人機(jī)的運行監(jiān)管（使用電子圍欄、無人機(jī)云等）、對無人機(jī)云提供商的要求等，對Ⅲ類以上無人機(jī)以及部分Ⅱ類、Ⅴ類無人機(jī)提出了接入無人機(jī)云系統(tǒng)的要求，在人口稠密區(qū)報告頻率最少每秒一次，在非人口稠密區(qū)報告頻率最少每30 s一次，且具備數(shù)據(jù)續(xù)傳功能[18]。

表1 無人機(jī)運行管理分類

為了更好地促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，民航局頒布了《無人機(jī)云系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)規(guī)范》MH/T 2009-2017行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[19]，并研制了無人機(jī)云數(shù)據(jù)交換平臺[20]，實現(xiàn)了同一空域下全國多個無人機(jī)云系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，注冊無人機(jī)互相可見，提升了中國中低空飛行安全。目前，我國主要有民航局飛標(biāo)司批準(zhǔn)的各家無人機(jī)云系統(tǒng)和民航局空管辦主導(dǎo)開發(fā)的無人機(jī)交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)，如圖1所示。如圖2所示，無人機(jī)云系統(tǒng)通過無人機(jī)云交換系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。無人機(jī)云交換系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分發(fā)，實現(xiàn)各云系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互相交換，并記錄存儲與共享，并在民航局無人機(jī)交通管理信息服務(wù)平臺下實行統(tǒng)一集中化管理。無人機(jī)云系統(tǒng)提供無人機(jī)禁飛區(qū)查詢、身份識別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、電子圍欄、動態(tài)監(jiān)視、軌跡回放以及告警與通知等功能。無人機(jī)云交換系統(tǒng)提供飛行信息服務(wù)、飛行計劃申請、審批以及放飛授權(quán)等信息交換功能。

水泥混凝土及瀝青混凝土是公路施工主要用料，不同施工材料應(yīng)用于實際施工中各有劣勢及優(yōu)勢。針對于路面施工質(zhì)量而言，混凝土自身存在一定要求，可降低施工成本、縮短工期，所以裂縫的情況很少會出現(xiàn)。除此之外，瀝青混凝土路面施工中，不當(dāng)?shù)牟牧线x擇必定影響到建筑周期[1]?？傮w上來說，因受到季節(jié)因素的影響以及施工條件自身較為嚴(yán)格，必然會影響后續(xù)施工的進(jìn)行，會出現(xiàn)很多問題。水泥混凝土施工容易出現(xiàn)裂縫的情況，自身有穩(wěn)定性高的特點，嚴(yán)重影響后續(xù)施工。另外的一個關(guān)鍵性影響因素是施工中的路面硬化問題。例如：當(dāng)施工中混合材料瀝青含量低，則會造成路面位置移動、路面坑洞以及膨脹等問題，對施工的質(zhì)量及進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖1 現(xiàn)階段低空無人機(jī)交通管理框架

圖2 現(xiàn)階段無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺方案

根據(jù)目前我國低空無人機(jī)交通管理信息服務(wù)管理框架，提出了現(xiàn)階段我國無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺建設(shè)方案，如圖2所示?？梢钥吹?，運營商云平臺的民用無人機(jī)系統(tǒng)與無線電監(jiān)測站云平臺的無人機(jī)系統(tǒng)，通過無人機(jī)管控數(shù)據(jù)鏈路（4G、5G網(wǎng)絡(luò)等）把無人機(jī)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳送給民航局無人機(jī)交通管理信息服務(wù)平臺的無人機(jī)云系統(tǒng)，再通過4G、5G網(wǎng)絡(luò)把實時數(shù)據(jù)傳送到各自的無人機(jī)云平臺系統(tǒng)。運營商與監(jiān)測站無人機(jī)云平臺系統(tǒng)如無人機(jī)遙控器、移動監(jiān)測車控制指揮中心以及固定監(jiān)測站控制指揮中心等，通過指揮和控制通信數(shù)據(jù)鏈路如4G、5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、地面站和移動站等進(jìn)行實時控制指揮。監(jiān)測站無人機(jī)云系統(tǒng)與監(jiān)測站監(jiān)測網(wǎng)云系統(tǒng)[21]之間，以深度數(shù)據(jù)融合協(xié)作方式實現(xiàn)無線電干擾信號查找等日常業(yè)務(wù)工作。

大數(shù)據(jù)時代的云計算、云存儲、云管理都是通過大型遠(yuǎn)程云服務(wù)器來支撐。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間不受資源環(huán)境制約，突破了時空約束，打破了行政區(qū)域邊界限制[22]，創(chuàng)造了統(tǒng)一的信息物理空間，使得各種云服務(wù)器之間的融合與互聯(lián)互通變得更加便捷。所以，不同空間的云服務(wù)器平臺可以理解成一臺大型混合云服務(wù)器。圖2中把各類云平臺系統(tǒng)連接表示在一臺無人機(jī)云服務(wù)器也是這個道理。

各地區(qū)無人機(jī)云系統(tǒng)應(yīng)用采用混合云模式（如圖3所示）。

圖3 各地區(qū)監(jiān)測站無人機(jī)云平臺統(tǒng)一化管理混合云架構(gòu)

實現(xiàn)各類無人機(jī)云服務(wù)（運營商云、航空云等）系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與各地區(qū)監(jiān)測站無人機(jī)云平臺統(tǒng)一化的高效管理，并且通過4G、5G基站、衛(wèi)星[23]、地面站、衛(wèi)星便攜終端、移動監(jiān)測車以及監(jiān)測網(wǎng)云等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)不同無人機(jī)系統(tǒng)及各種傳感設(shè)備之間的互連互通，如圖4所示[24]。該方案的實施不僅可以打破當(dāng)前“信息孤島”所帶來的融合技術(shù)上的缺陷，而且極大地提升了大數(shù)據(jù)時代我國無線電監(jiān)管工作的效率。

圖4 無線電監(jiān)測站無人機(jī)系統(tǒng)工作流程

2 未來無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺方案

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用，民航局監(jiān)管的民用無人機(jī)數(shù)量和運行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)井噴式增長，給傳統(tǒng)的民航局?jǐn)?shù)據(jù)管理方式帶來了極大挑戰(zhàn)。因此，2019年我國也提出了自己的無人機(jī)運行管理（UAV Operation Management，UOM）系統(tǒng)框架，如圖5所示[17]?？梢郧宄吹剑覈臒o人機(jī)系統(tǒng)由國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺統(tǒng)一集中化管理。

2019年初，中國民航局飛標(biāo)司、適航司和空管辦聯(lián)合發(fā)布了《特定類無人機(jī)試運行管理規(guī)程》（AC-92-01），針對特定類行業(yè)級無人機(jī)應(yīng)用啟動無人機(jī)空中交通空域管理、流量管理、飛行管制與風(fēng)險評估等的研究與試點，未來低空無人機(jī)交通管理框架如圖6所示。

圖5 中國無人機(jī)運行管理（UOM）框架

圖6 未來低空無人機(jī)交通管理框架

根據(jù)未來中國無人機(jī)運行管理系統(tǒng)框架，提出了我國無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺建設(shè)方案，如圖7所示。與現(xiàn)階段不同的是，國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺重點負(fù)責(zé)無人機(jī)的飛行監(jiān)視、交通管制、信息服務(wù)和飛行計劃等，且無人機(jī)云交換系統(tǒng)、無人機(jī)實名登記系統(tǒng)均屬于國家無人機(jī)綜合監(jiān)管平臺的子系統(tǒng)，這些功能和模塊均統(tǒng)一由政府部門提供。無人機(jī)云系統(tǒng)升級為無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)，無人機(jī)交通服務(wù)系統(tǒng)之間可通過區(qū)域間信息共享和無人機(jī)云交換系統(tǒng)的輔助協(xié)同，并與有人機(jī)空中交通管理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，最終達(dá)到實現(xiàn)低空無人機(jī)空中交通管理的目的。未來我國無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺與其他監(jiān)管部門無人機(jī)云平臺[25]之間的協(xié)作關(guān)系模型，如圖8所示。

圖7 未來無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺方案

圖8 無線電監(jiān)測站無人機(jī)云與其它監(jiān)管部門協(xié)作關(guān)系模型

3 無人機(jī)云平臺相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

3.1 5G移動通信技術(shù)應(yīng)用

Massive MIMO[27]技術(shù)具有豐富的空間自由度，可實現(xiàn)信號的立體覆蓋，吻合了無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的三維性質(zhì)，可以精準(zhǔn)定位無人機(jī)的空中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[28]。網(wǎng)絡(luò)分片[29]技術(shù)的靈活應(yīng)變能力，能夠滿足無人機(jī)多種業(yè)務(wù)的差異化應(yīng)用需求，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、降低成本、提高資源利用效率的目的。智能邊緣計算[30]技術(shù)可以很好地改善遠(yuǎn)程云端與邊緣通信之間的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，形成邊云協(xié)同的泛在智能網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)智能化所需的數(shù)據(jù)高效連接，從而極大程度地豐富空中無人機(jī)的智能化應(yīng)用場景。

3.2 無人機(jī)集群產(chǎn)生背景與應(yīng)用

有著“空中機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人鼻祖”之稱的韋杰·庫瑪（Vijay Kumar）曾提出“5S”理論[31]，認(rèn)為空中機(jī)器人會朝著微型、安全、智能、快速和集群方向發(fā)展。面對日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和多樣化需求，單架無人機(jī)受自身硬件、燃料等多方面條件的限制，已無法實現(xiàn)對任務(wù)區(qū)域的多維度、大范圍覆蓋。當(dāng)執(zhí)行高風(fēng)險任務(wù)時，單架無人機(jī)可能因為受到攻擊或自身故障而失效，從而導(dǎo)致任務(wù)系統(tǒng)容錯性不足等。為此，無人機(jī)應(yīng)當(dāng)以集群的方式協(xié)同工作，即由多架相同或不同型號的無人機(jī)組成無人機(jī)集群，協(xié)同作業(yè)，共同完成任務(wù)，最終讓個體之間協(xié)同配合，發(fā)揮1+1＞2的集體作用[32]。

3.2.1 查找黑廣播、偽基站方面的應(yīng)用

在城市高層建筑密集區(qū)，由于無線電信號在地面?zhèn)鞑r受到反射、折射等介質(zhì)的影響，使地面監(jiān)測很難快速準(zhǔn)確地定位信號源；有些黑電臺搭在幾十公里以外的山區(qū)，這時候如果想準(zhǔn)確定位，多數(shù)情況下利用空中組網(wǎng)定位方式，且兩個測試點距離10 km以外是基本要求；有些非法電臺、偽基站搭在移動車輛或無人機(jī)上，這時候很難利用地面監(jiān)測設(shè)備快速定位查除。遇到以上幾種情況時，利用無人機(jī)云平臺技術(shù)，可以使多架無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、與地面監(jiān)測網(wǎng)云進(jìn)行實時數(shù)據(jù)共享與融合，從而快速定位查除信號源。

3.2.2 重大活動保障或者考試保障方面的應(yīng)用

重大活動、考試保障時，無人機(jī)云平臺可以派遣多架偵查無人機(jī)在周圍空域進(jìn)行盤旋監(jiān)測。如果遇到異常信號，多架無人機(jī)集群第一時間進(jìn)行快速協(xié)同定位，并根據(jù)信號源情況，快速派遣相應(yīng)的反制型無人機(jī)進(jìn)行壓制，可大幅度提高保障效率。

3.2.3 查找、寬頻、微功率干擾源方面的應(yīng)用

隨著5G等移動通信技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出隱蔽性強(qiáng)、寬頻和微功率干擾源，使得地面監(jiān)測手段由于受到建筑物等介質(zhì)的影響而很難快速進(jìn)行定位查除。比如，方向性對地、對空發(fā)射天線衛(wèi)星干擾源[33]、寬頻微功率通信鏈路非法無人機(jī)等干擾源或隱藏在高層建筑內(nèi)的微功率干擾源時，無人機(jī)集群利用高空組網(wǎng)定位、電平值逐步逼近目標(biāo)方式等方法，可快速查除信號源。

3.2.4 反制非法無人機(jī)應(yīng)用方面

近年來，非法無人機(jī)[34]“黑飛”事件日趨嚴(yán)重，影響社會的安寧。為此，對非法無人機(jī)監(jiān)管[35]技術(shù)的要求不斷加重，對無線電空中監(jiān)管工作帶來了很大挑戰(zhàn)。無人機(jī)云平臺技術(shù)可有效解決此類問題，如同一時刻遇到多架非法無人機(jī)“黑飛”，通過地空監(jiān)測手段（如雷達(dá)探測、無線電信號探測、光電跟蹤以及聲波識別等）[36]的數(shù)據(jù)融合，可迅速認(rèn)知、判斷、定位并跟蹤目標(biāo)方位，從而派遣反制（如捕網(wǎng)槍、無人機(jī)捕網(wǎng)、熱武器或激光炮、信號干擾、信號欺騙、聲波干擾、無人機(jī)信號劫持以及黑客技術(shù)等）無人機(jī)或地面反制手段進(jìn)行壓制。

綜上所述，無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺可以有效解決各類空中無線電監(jiān)管問題，減少人力資源消耗，大幅度提高工作效率。

4 結(jié) 語

如今，無人機(jī)云平臺技術(shù)廣泛應(yīng)用于公共安全、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測、線路巡檢、能源勘探、農(nóng)林作業(yè)、邊境巡邏、治安反恐以及遙感測繪等行業(yè)，出現(xiàn)了如U-Cloud、U-Care、飛云、北斗云BD-Cloud、大翼云以及“沃天宇”等無人機(jī)云服務(wù)商。目前，從無人機(jī)云行業(yè)服務(wù)商的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域來看，每家服務(wù)商都有自己的技術(shù)領(lǐng)域特點，沒有一家能夠在所有技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)得完美。因此，建議與多家無人機(jī)云服務(wù)商進(jìn)行技術(shù)協(xié)作與共享，開發(fā)出適合無線電監(jiān)測站應(yīng)用領(lǐng)域的無人機(jī)綜合管理PaaS云平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)全國各地區(qū)無線電監(jiān)測站無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的統(tǒng)一智能化科學(xué)管理。例如：使用U-Cloud、U-Care以及“沃天宇”3家不同的無人機(jī)云系統(tǒng)服務(wù)時，無線電監(jiān)測站無人機(jī)PaaS云平臺可以擔(dān)任3家無人機(jī)云基礎(chǔ)設(shè)施平臺與監(jiān)測站無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的橋梁，即擔(dān)任數(shù)據(jù)交換平臺（公有云）的作用，混合并匹配適合監(jiān)測站無人機(jī)云系統(tǒng)應(yīng)用的其他平臺。無線電監(jiān)測站無人機(jī)PaaS云平臺也可以IaaS的方式，專門為無線電監(jiān)測站定做的無人機(jī)系統(tǒng)提供無人機(jī)云平臺服務(wù)，擔(dān)任私有云的作用。各地區(qū)無線電監(jiān)測站的無人機(jī)云系統(tǒng)應(yīng)用上，無人機(jī)綜合管理云平臺系統(tǒng)以SaaS方式給各地區(qū)監(jiān)測站提供相應(yīng)的無人機(jī)云系統(tǒng)應(yīng)用軟件及維護(hù)。

為應(yīng)對現(xiàn)階段及未來電磁環(huán)境變化趨勢，更好地維護(hù)空中無線電秩序，本文以5G智能互聯(lián)網(wǎng)時代為技術(shù)背景，提出了現(xiàn)階段的各種問題點，根據(jù)現(xiàn)階段我國低空無人機(jī)管理狀況及未來發(fā)展趨勢，提出了我國無線電監(jiān)測站無人機(jī)云平臺（Platform as a Service，PaaS）建設(shè)方案，并闡述了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，并對該方案的實施提出了建議。該方案的實施不僅對現(xiàn)階段的黑廣播、非法無人機(jī)“黑飛”、考試保障以及空中微功率干擾源快速查找等多領(lǐng)域監(jiān)測與反制具有舉足輕重的實效性，而且對未來無線電監(jiān)測站的空中電波秩序監(jiān)管具有重要的指導(dǎo)意義。