［鄧也 朱華章 譚裴 古莉姍 葉敏］

1 引言

無人機操控主要由控制端和無人機組成?？刂贫嗽O備又由遙控器、電腦、視頻顯示器、電源系統(tǒng)、總控模塊、無線電模塊等設備組成。一般簡單的來說就是一臺電腦，一個無線電模塊，一個遙控，電腦上裝有控制飛機的軟件，通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機飛行的線路，并設定飛行高度、飛行速度和飛行地點。飛行任務等通過數(shù)據(jù)口連接的無線電電臺將任務數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中，無線電模塊就是空中數(shù)據(jù)傳輸模塊。

無線電模塊就是飛機與地面站通信的一個主要工具，主要無線電模塊采用的接口協(xié)議有TTL 接口、RS485 接口、RS232 接口、CAN-BUS 總線接口。頻率有840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 頻段，其中消費級無人機一般以2 408～2 440 MHz 頻段的較多，控制指令覆蓋距離在5 km 到10 km 不等。其作用就是無人機與控制端的通訊，控制端給無人機的下達任務，如飛行高度、速度等很多數(shù)據(jù)都會通過它來回傳到控制端，以方便我們實時監(jiān)控飛機情況，根據(jù)需要隨時修改飛機航向。

2 原理介紹

由于現(xiàn)有物對物（控制端對無人機）指定通道為無線電方式，一定的發(fā)射功率無法突破極限距離。在極限距離情況下需要合理安全的切換控制指令至5G 網(wǎng)絡，而不是把控制權(quán)移交給飛控系統(tǒng)，此時飛控系統(tǒng)只是作為備份系統(tǒng)；一旦控制端與無人機之間恢復物物通信的條件后，再把控制權(quán)交回無線電方式通訊。由此可以大幅度擴展無人機飛行控制距離，突破現(xiàn)有極限。要實現(xiàn)上述功能，需要新增5G 模塊，如圖1 所示。

圖1 新增5G 模塊

3 控制指令通道切換技術

在飛行過程中無人機通過接收到的控制端無線電信號強度或者質(zhì)量（控制指令解析靈敏度門限）判斷是否接近到達控制指令極限距離。一旦接近到達極限距離后，無人機與控制端進行交互，請示開啟其他通信網(wǎng)絡模塊（比如各大運營商的5G 網(wǎng)絡模塊）。一旦控制端確認開啟后，無人機開啟5G 模塊，注冊5G 網(wǎng)絡（registration 流程），并測量5G 網(wǎng)絡信號強度。當測量滿足無人機穩(wěn)定接入門限（測量主服5G 小區(qū)強度是否在一定時間段滿足某一門限）時，再次通過無線電信號請示控制端是否將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡，并提示控制端同時接入5G 網(wǎng)絡（此處有兩種方案：方案一控制端直接利用5G 模塊接入5G網(wǎng)絡；方案二控制端通過wifi 或者藍牙短距離與操控者手機直連，通過操控者5G 手機接入5G 網(wǎng)絡）。一旦控制端指示無人機切換控制指令通路至5G 網(wǎng)絡（針對無人機控制指令，必須啟用5G 超可靠低延遲通信URLLC，配置相應的切片數(shù)據(jù)，保證無人機高可靠低時延控制），控制端及無人機5G 模塊接入運營商5G 網(wǎng)絡并完成無人機操控平臺登錄后，控制端及無人機關閉無線電通信模塊，后期控制指令通路完全由5G 網(wǎng)絡傳輸?shù)綗o人機操控平臺處理承載。

具體的技術流程如圖2 所示。

圖2 無線電切換到5G 流程圖

（1）無人機飛行過程中始終監(jiān)控控制端無線電信號強度及質(zhì)量（如現(xiàn)階段主流消費級無人機接收機靈敏度約為-110 dbm），一旦滿足一定時間段內(nèi)（先期可以設定為2 秒）滿足強度低于某門限及質(zhì)量低于某門限（此處門限可以適當高于極限門限，便于無人機通過無線電信號回傳開啟5G 及切換請求，初步可以定義為-100 dbm），進入步驟2。

（2）無人機通過無線電信號回傳請求開啟5G 網(wǎng)絡模塊請求。

（3）控制端收到無人機請求開啟5G 網(wǎng)絡模塊請求，通過無線電信號下發(fā)請求確認，允許無人機開啟5G 網(wǎng)絡模塊。

（4）無人機接收到開啟5G網(wǎng)絡確認消息無線電信號，并轉(zhuǎn)發(fā)至無人機總控模塊?？偪啬K指示開啟5G 網(wǎng)絡模塊，5G 網(wǎng)絡模塊完成5G SA 網(wǎng)絡的注冊（registration），并主動測量主服NR 小區(qū)網(wǎng)絡質(zhì)量（SSB-RSRP）。

（5-1）無人機5G 模塊實時測量5G 信號，并上報至無人機總控模塊，總控模塊判斷如果5G 信號無法在一定的時間段內(nèi)（先期可以設定為5 秒）滿足一定的門限（先期可以設定為-100 dbm），則總控模塊反饋無法滿足5G網(wǎng)絡接入Ack，無人機總控模塊通過無線電模塊向控制端申請關閉5G 模塊，得到控制端確認后關閉5G 模塊，并沿用無線電通信模式。無人機繼續(xù)通過無線電模塊測量無線電信號強度，一旦距離小于前一門限減去5 db（如定義為-100 dbm-5 db=-105 dbm），再次進入步驟2。

（5-2）無人機5G 模塊實時監(jiān)控5G 信號，并上報至無人機總控模塊，總控模塊判斷一旦滿足一定時間段內(nèi)（先期可以設定為5 秒）滿足強度高于某門限（先期可以設定為-100 dbm），無人機總控模塊請求切換至5G 網(wǎng)絡并通過無人機無線電信號回傳將控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡的請求，并提示控制端同時接入5G 網(wǎng)絡，后面進入流程步驟6。

（6）控制端收到無人機將控制指令通道切換到5G網(wǎng)絡請求，通過無線電信號下發(fā)請求確認，允許無人機控制指令通道切換到5G 網(wǎng)絡。

（7）控制端自主接入5G 網(wǎng)絡，并完成無人機操控服務器平臺登陸，并自主關閉無線電模塊，以節(jié)省相應能源。

其中控制端接入5G 網(wǎng)絡有種方案：

①方案一：控制端直接利用5G 模塊接入5G 網(wǎng)絡；

②方案二：控制端通過wifi 或者藍牙短距離與操控者手機直連，通過操控者5G 手機接入5G 網(wǎng)絡。

（8）無人機通過無線電信號接收到請求切換至5G網(wǎng)絡的請求確認，無人機通過5G 網(wǎng)絡進行無人機操控服務器平臺登陸，并自主關閉無線電模塊，以節(jié)省相應能源。

（9）至此控制端與無人機指令交互由先期的無線電通信變成了控制端通過5G 網(wǎng)絡（二種方案）連接無人機操控服務器平臺，再通過5G 網(wǎng)絡下發(fā)至無人機。無人機操控由原來的物物連接變更為了物網(wǎng)物互聯(lián)，勢必會引入多余的時延。對于此類時延，必須將控制端及無人機簽約URLLC 切片，切片類型中SST 配置為2，表征為URLLC切片。利用SA 網(wǎng)絡的URLLC 的超低時延、超高可靠特性，完全可以滿足無人機飛行過程中的時延、可靠性要求，由于URLLC 控制時延方面并非本提案關鍵點，只是利用SA 網(wǎng)絡，在此不詳細贅述。

4 控制指令切換回無線電通信

控制指令通路切換到5G 網(wǎng)絡后，控制端通過5G 網(wǎng)絡可以實時了解無人機GPS 位置，無人機通過自有GPS模塊實時監(jiān)控與控制端距離，一旦距離在一定時間段內(nèi)穩(wěn)定的小于某一門限（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km），無人機通過5G 網(wǎng)絡上報開啟無線電模塊請求至控制端?？刂贫送ㄟ^5G 網(wǎng)絡下發(fā)允許開啟無線電模塊確認，并自主開啟控制端無線電信號模塊發(fā)送握手測試信號。無人機收到確認后自主開啟無線電模塊并開始掃描控制端握手測試信號。如果握手測試信號在一定時間段內(nèi)保持穩(wěn)定強度及質(zhì)量（滿足無線電信號解析靈敏度），無人機通過5G 網(wǎng)絡請示控制端是否切換回直連模式（無線電通信）。控制端通過5G 網(wǎng)絡下發(fā)確認切回，并同時在無線電信號端收取無人機切回信號，一旦收到無人機在無線電信號中收到切回notification，控制端關閉5G模塊（deregistration流程）。無人機收在5G 網(wǎng)絡上收到切換回無線電通信確認后，無人機通過無線電模塊回傳切回notification，并關閉5G 模塊（deregistration 流程）?？刂贫伺c無人機再次進入無線電直連控制階段。

具體流程如圖3 所示。

圖3 5G 切換回無線電流程圖

（1）無人機通過GPS 模塊計算與控制端距離，一旦距離在一定時間段內(nèi)（初期可以定義為30 秒）均小于某一門限（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km）。

（2）無人機通過5G 網(wǎng)絡發(fā)送開啟無線電模塊請求至控制端（中間經(jīng)過了無人機操控服務器平臺）。

（3）控制端收到無人機開啟無線電模塊請求，通過5G 網(wǎng)絡下發(fā)請求確認，允許無人機開啟無線電模塊，控制端自主開啟無線電模塊并主動發(fā)送握手測試控制信號。

（4）無人機開啟無線電模塊，并主動測量無線電控制通路中握手測試信號質(zhì)量。

（5-1）無人機無線電模塊實時測量無線電握手測試控制信號，并上報至無人機總控模塊，總控模塊判斷如果無線電握手信號無法在一定的時間段內(nèi)（先期可以設定為20 秒）滿足一定的門限，則無人機總控模塊通過5G 模塊向控制端申請關閉無線電模塊，得到控制端確認后關閉無線電模塊，并沿用5G 通信模式。無人機繼續(xù)通過GPS 模塊計算與控制端距離，一旦距離小于前一門限減去2 km（如現(xiàn)階段直連控制極限7 km-2 km=5 km），再次進入步驟2。

（5-2）無人機無線電模塊實時測量無線電握手測試控制信號，并上報至無人機總控模塊，總控模塊判斷一旦滿足一定時間段內(nèi)（先期可以設定為20 秒）滿足強度高于某門限且質(zhì)量高于某門限，無人機總控模塊通過5G 網(wǎng)絡請求將控制指令通道切換到無線電通路，后面進入流程步驟6。

（6）控制端收到無人機將控制指令通道切換到無線電通信的請求，通過5G 網(wǎng)絡下發(fā)請求確認ack，允許無人機控制指令通道切換到無線電通信。

（7）控制端一旦收到無人機在無線電信號中的切回notification，關閉5G 網(wǎng)絡（此處需根據(jù)控制端接入5G 網(wǎng)絡方式分別關閉5G 網(wǎng)絡），隨后完成5G 模塊電源關閉，以節(jié)省相應能源。

其中控制端關閉5G 網(wǎng)絡有種方案：

①方案一：控制端直接利用5G模塊接入5G網(wǎng)絡方式，則采用deregistration 流程關閉5G 網(wǎng)絡接入；

②方案二：控制端通過wifi 或者藍牙短距離與操控者手機直連，通過操控者5G 手機接入5G 網(wǎng)絡，則關斷控制端與操控者5G 手機連接。

（8）無人機通過5G 網(wǎng)絡收到切換控制指令通路至無線電后，開啟無線電模塊接收控制指令，并通過無線電模塊上報切回notification 至控制端。

（9）無人機發(fā)起deregistration流程完成5G網(wǎng)絡關閉，隨后完成5G 模塊電源關閉，以節(jié)省相應能源。

（10）至此控制端與無人機指令交互由原來的物網(wǎng)物連接變更為了物物直聯(lián)。

5 總結(jié)

現(xiàn)有消費級無人機的通訊主要依靠無線電方式，通訊距離比較短，控制指令極限距離小于10 km（以7 km 最為常見）。但在實際使用過程中，受到環(huán)境因素影響，比如地形起伏、城市樓宇、高壓電線等，一般有效距離都在5 km 范圍內(nèi)。當無人機無法解析控制端指令達到一定時間長度（一般為2 秒）后，無人機飛控系統(tǒng)將接管無人機控制權(quán)并參考原飛行路徑規(guī)劃路線，控制無人機飛回最近記錄的返航點。采用5G 技術后，在到達極限距離之前，無人機可提前切換至5G 網(wǎng)絡，由于URLLC（切片）的低時延特性，對操控性的影響較小。由此，可以大大擴展無人機的可操作范圍。