嚴(yán)月浩，蔣文全＊，何修軍，韓霞

（1.成都工業(yè)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 611730；2.成都信息工程大學(xué) 光電工程學(xué)院，四川 成都 610225；3.成都工院無人機(jī)科技有限公司，四川 成都 611730）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)以快速化、智能化、無人員傷亡風(fēng)險等特點(diǎn)，在軍用和民用方磯都有著廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已勢不可擋。無人機(jī)地面站是地面操作人員控制無人機(jī)順利完成任務(wù)的地面指揮中心，使地面操作人員通過地面站實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)管。地面操作人員不僅可以手持遙控器視距內(nèi)對無人機(jī)進(jìn)行手動操縱，也可以通過地面站超視距的指導(dǎo)無人機(jī)完成相應(yīng)的飛行任務(wù)并自主回收返航。本文分析了無人機(jī)地面站的發(fā)展現(xiàn)狀，地面站的組成與分類以及所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提出無人機(jī)地面站的建設(shè)建議，以推動無人機(jī)地面站更好地朝智能化前進(jìn)，促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 民用無人機(jī)地面站的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著無人機(jī)在國內(nèi)外的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，無人機(jī)地面站作為無人機(jī)系統(tǒng)的地面控制中心，是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。20世紀(jì)50至70年代，美國軍方利用地面站系統(tǒng)完成了對無人機(jī)的控制，完成了各種作戰(zhàn)任務(wù)，地面站系統(tǒng)已經(jīng)初步形成，并進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1]。到20世紀(jì)90年代，英美等各國設(shè)計(jì)并采用了以“捕食者”無人機(jī)地面系統(tǒng)為代表的復(fù)合控制多用途無人機(jī)地面站，地面站趨于集群化，功能更加智能化[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以后，軍用無人機(jī)的微型化設(shè)計(jì)趨勢催生了民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，無人機(jī)地面站系統(tǒng)進(jìn)入了高速發(fā)展的時代[3]。

由于無人機(jī)的特點(diǎn)適用于各行各業(yè)，催生了地面站應(yīng)用場景的研究。蔡偉杰[4]研究了一種面向農(nóng)業(yè)植保智能化作業(yè)的無人機(jī)地面站，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能化農(nóng)田作業(yè)的自動航線生成算法，降低了農(nóng)田作業(yè)規(guī)劃的難度，量身定做了簡單易用的農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)地面站；石秀[5]研究了一種基于高速公路違章檢測的無人機(jī)地面站，實(shí)現(xiàn)了高速公路違章檢測向更智能化發(fā)展，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確；任旭東[6]研究了一種面向城市道路巡檢的無人機(jī)地面站，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對城市目標(biāo)路段的快速巡檢，同時基于無人機(jī)視頻實(shí)現(xiàn)對車輛的檢測與車流量統(tǒng)計(jì)，并科學(xué)合理地設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件的通信、界面呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲機(jī)制；徐悅[7]研究了一種用于河道巡檢的無人機(jī)地面站系統(tǒng)，提出一種河道巡檢系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)對河道偷排偷放現(xiàn)象的有效監(jiān)管；陳鍇等[8]研究了一種用于橋梁病害檢測的無人機(jī)地面站，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用柵格法設(shè)計(jì)基于混合策略的全覆蓋路徑規(guī)劃算法，提升了無人機(jī)橋梁病害檢測的自動化水平；許家浩等[9]研究了一種基于無人機(jī)電力線路巡檢的多功能地面站，實(shí)現(xiàn)了輸電桿塔自動定位、精確辨識、巡檢過程數(shù)據(jù)自動處理，有效提高了輸電無人機(jī)的應(yīng)用水平；周超等[10]研究了一種面向民航無線電監(jiān)測的無人機(jī)地面站系統(tǒng)，將無線電信號側(cè)向定位功能融入地面站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單人對無人機(jī)的控制和無線電的監(jiān)測。除了這些方面，還有其他應(yīng)用場景，比如科考研究、氣象探測、警用消防、公共安全等方面。未來無人機(jī)地面站系統(tǒng)會愈加趨于專門化，滿足各種人群，適應(yīng)各種應(yīng)用場景。

2 民用無人機(jī)地面站的組成及分類

2.1 無人機(jī)地面站的組成

無人機(jī)地面站有單點(diǎn)地面站和多點(diǎn)地面站，通常使用的民用無人機(jī)地面站都是單點(diǎn)地面站，一般由一到多人值守，包括有技術(shù)員、場務(wù)人員、后勤員、通信員、指揮員等。民用無人機(jī)地面站由硬件和軟件組成。

2.1.1 硬件構(gòu)成

地面站的硬件部分是地面操作人員與無人機(jī)進(jìn)行直接交互的媒介，包括遙控器、旋鈕開關(guān)和無線數(shù)圖傳等，如圖1所示。

圖1 地面站硬件構(gòu)成

由于民用無人機(jī)大部分都需要在室外作業(yè)及執(zhí)行飛行任務(wù)，因此無人機(jī)地面站一般都采用高分辨率，日光下可見的高性能顯示屏。顯示層的主要功能見表1。

表1 顯示層功能

無人機(jī)的航跡飛行是通過鼠標(biāo)和鍵盤在地面站軟件上進(jìn)行控制的，而無人機(jī)的起降與飛行一般采用搖桿操縱。遙控器除操縱無人機(jī)起降與飛行之外，還控制無人機(jī)的云臺。操作層主要實(shí)現(xiàn)以下兩部分功能，見表2。

表2 操作層功能

通訊層，就是利用遙控發(fā)射天線和遙測接收天線來完成地面站與無人機(jī)之間的通信連接。通過發(fā)射天線，地面操作人員使用遙控器或者地面站軟件將對無人機(jī)控制命令傳達(dá)到無人機(jī)，無人機(jī)的相關(guān)飛行信息與航跡信息則通過遙測接收天線回傳到地面站，在顯示界面展現(xiàn)，供地面人員觀察使用，示意圖如圖2所示。

圖2 通訊層工作示意

2.1.2 軟件構(gòu)成

地面站組成的另一重要部分是軟件部分。地面操作人員通過地面站的硬件設(shè)備來與地面站軟件進(jìn)行交互，達(dá)到對無人機(jī)本身的一系列操縱、監(jiān)控和信息顯示，以保證無人機(jī)的安全飛行和飛行任務(wù)的有效完成。

地面站軟件結(jié)構(gòu)主要分為修改與顯示無人機(jī)狀態(tài)、關(guān)鍵報警信息和地理信息與任務(wù)規(guī)劃三部分，如圖3所示。

圖3 地面站軟件構(gòu)成

無人機(jī)地面站將無人機(jī)返回的信息進(jìn)行實(shí)時采集、存儲與顯示，供地面人員對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行全方位把控，針對一些可能出現(xiàn)的意外狀況，提供關(guān)鍵信息報警，警示地面操作人員做好應(yīng)急預(yù)案。

無人機(jī)地面站的任務(wù)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)智能化控制無人機(jī)的重要功能。地面人員根據(jù)實(shí)際航線與設(shè)定的航線來判斷飛行任務(wù)狀態(tài)，當(dāng)遇到特殊不可抗力因素時，可重新規(guī)劃航線或者直接通過地面站軟件控制無人機(jī)切換控制模式或者返航，緊急時候也可選點(diǎn)場外迫降。

無人機(jī)與地面站之間工作過程如圖4所示：

圖4 無人機(jī)與地面站之間工作過程

2.2 無人機(jī)地面站的分類

2.2.1 根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜程度

無人機(jī)地面站可根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)行分類，分為便攜式地面站、易部署式地面站和分布式地面站。便攜式地面站如深圳華之翼公司的T21、T30型地面站，深圳科比特公司的小霸王II型地面站；易部署式地面站如成都縱橫公司的專業(yè)航測無人機(jī)地面站系統(tǒng)；分布式地面站如車載無人機(jī)地面站和戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)地面站具體見表3。

表3 無人機(jī)地面站復(fù)雜程度分類

2.2.2 根據(jù)適用范圍

根據(jù)適用范圍分類，無人機(jī)地面站可分為消費(fèi)級地面站和專業(yè)級地面站。消費(fèi)級地面站以大疆創(chuàng)新公司的產(chǎn)品為代表，如DJI GS PRO型地面站，而專業(yè)級地面站主要用于測繪、巡檢等應(yīng)用，如哈瓦國際航空公司的GCS-22EX型地面站，具體見表4。

表4 無人機(jī)地面站適用范圍分類

3 無人機(jī)地面站的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信技術(shù)

為保證無人機(jī)和地面站之間能夠?qū)崟r通信及正常執(zhí)行任務(wù)，無人機(jī)與地面站之間需要建立傳輸速率快、實(shí)時性好、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高的通信連接。隨著5G通信的成功商用化，近年以快速發(fā)展5G通信為研究熱點(diǎn)，王鵬[11]研究了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)通信控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)與地面站超遠(yuǎn)程信號傳輸，提高通信質(zhì)量；董明明[12]研究了基于5G通信下無人機(jī)高速公路巡檢防碰撞技術(shù)，借助5G通信技術(shù)搭建空中與地面通信網(wǎng)絡(luò)，消除了無人機(jī)在高速公路巡檢中的安全隱患，避免由于碰撞而導(dǎo)致墜地等風(fēng)險；鄧也等[13]研究了基于5G網(wǎng)絡(luò)下拓展無人機(jī)飛行控制距離的方案，在無線電傳輸?shù)臉O限距離下，將地面控制切換為5G網(wǎng)絡(luò)，可以大幅度擴(kuò)展無人機(jī)飛行距離。除了地面上，還有用于海上的無人機(jī)5G通信方案，如韋定江等[14]提出了一種基于5G通信網(wǎng)絡(luò)下無人機(jī)海上搜救方案，解決了無人機(jī)海上搜救遇到的問題，提高了海上遇險目標(biāo)的獲救機(jī)率。因此隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普遍化，無人機(jī)地面站在5G網(wǎng)絡(luò)通信下的運(yùn)用也越來越多。通信技術(shù)中又包含抗干擾傳輸、無線圖傳和調(diào)制技術(shù)等。

（1）抗干擾傳輸技術(shù)：通信目標(biāo)為對抗復(fù)雜環(huán)境存在的各種干擾，提高在通信對抗中的生存能力，采取的通信反對抗方法和體系。

（2）無線圖傳技術(shù)：將正在執(zhí)行飛行任務(wù)的無人機(jī)所拍攝到的畫面，實(shí)時穩(wěn)定的傳輸?shù)降孛鏌o線圖傳遙測接收設(shè)備。無線圖傳技術(shù)依據(jù)不同調(diào)制方式分為模擬圖傳和數(shù)字圖傳。

（3）調(diào)制技術(shù)：無人機(jī)與地面站進(jìn)行無線通信中，利用電磁波作為信息的載體。信息一般是待傳輸?shù)恼{(diào)制信號，其特點(diǎn)是頻帶較寬、頻率較低且存在相互重疊現(xiàn)象，為適應(yīng)單一信道傳輸，必須將待傳輸?shù)恼{(diào)制信號加載到高頻載波上，使要傳輸?shù)臄?shù)字信號或者模擬信號轉(zhuǎn)換成適用于信道傳輸?shù)母哳l信號。

3.2 航跡規(guī)劃技術(shù)

綜合考慮各種環(huán)境因素如氣象條件、地形地貌以及無人機(jī)自身性能后，規(guī)劃出起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的最優(yōu)飛行航跡稱為航跡規(guī)劃技術(shù)。在無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)中，越優(yōu)的航跡規(guī)劃越能提高無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行效率?，F(xiàn)有的航跡規(guī)劃多數(shù)都局限于二維的、靜態(tài)的規(guī)劃與避障，鄧葉[15]在現(xiàn)有技術(shù)局限下，提出基于人工勢場法的航跡規(guī)劃方法，將動態(tài)障礙物納入研究對象范圍構(gòu)造了速度勢場和加速度勢場，提高了航跡規(guī)劃的智能性；辛守庭等[16]研究了基于改進(jìn)粒子群算法的無人機(jī)三維航跡規(guī)劃，提高了算法對無人機(jī)三維航跡的規(guī)劃成功率，且減小航跡長度；陳鵬宇[17]提出了適用于建筑密集區(qū)低空無人機(jī)航跡規(guī)劃算法，保證了無人機(jī)安全，順利通過該類型區(qū)域。因此針對航跡規(guī)劃空間的局限性和復(fù)雜性，應(yīng)用啟發(fā)式智能算法對無人機(jī)航路進(jìn)行規(guī)劃是研究熱點(diǎn)。

3.3 電子地圖技術(shù)

電子地圖技術(shù)是以數(shù)字地圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為處理平臺，在地面站屏幕上進(jìn)行實(shí)時顯示。無人機(jī)地面站應(yīng)用電子地圖技術(shù)可以直觀地對無人機(jī)飛行信息以及飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。劉善武等[18]提出了基于GPS數(shù)據(jù)和壓縮柵格算法，彌補(bǔ)了柵格地圖存儲空間較大和處理時運(yùn)算資源需求較多等弊端的同時，實(shí)現(xiàn)了電子地圖的快速構(gòu)建；劉尚蘭[19]研究了基于線路特征的電子地圖匹配技術(shù)，以電子地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合線路特征，實(shí)現(xiàn)地圖輔助的車輛位置估計(jì)，提高了位置估計(jì)精度和對復(fù)雜場景的適應(yīng)性。由于電子地圖的顯著特點(diǎn)以及直觀性，各行各業(yè)已經(jīng)在廣泛研究與應(yīng)用。電子地圖的特點(diǎn)如下：

（1）可以信息檢索、地圖分析和智能規(guī)劃等。

（2）地理信息可視化、信息表達(dá)多樣性和地圖載負(fù)量高。

（3）能與用戶進(jìn)行交互，具有共享性。

（4）成本相對低廉、容易再版。

3.4 MAVLink協(xié)議與SBUS協(xié)議

MAVLink協(xié)議是一種適用于微型無人機(jī)與地面站 通 信 的 開 源 協(xié) 議，PIXHAWK飛 控、APM和QGroundControl地面站均使用了MAVLink協(xié)議進(jìn)行通訊。由于該通信協(xié)議是開源的，缺乏足夠的安全機(jī)制，存在可能導(dǎo)致嚴(yán)重威脅和隱患的安全漏洞的問題，吳穎等[20]提出了針對MAVLink鏈路通信協(xié)議的安全分析，歸納了其常見的安全威脅和隱患；張凌浩等[21]提出一種基于MAVLink協(xié)議的無人機(jī)系統(tǒng)安全通信方案，防止了無人機(jī)與地面站通信過程中存在的惡意竊聽、篡改消息、中間人攻擊等問題，并且對無人機(jī)性能影響較小，較好地解決了MAVLink協(xié)議存在的安全漏洞。因此，由于該協(xié)議的開源性，針對其安全機(jī)制的研究是未來的主要趨勢。SBUS協(xié)議是一種串口通信協(xié)議，通常是在遙控上面使用，它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過一根總線便可獲得遙控器上的多個通道的數(shù)據(jù)，從而能連接多個設(shè)備，“一站多機(jī)”的功能便是通過此協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。

4 民用無人機(jī)地面站發(fā)展趨勢

民用無人機(jī)地面站具有以下發(fā)展趨勢：

（1）發(fā)展長航時地面站。目前無人機(jī)地面站普遍的續(xù)航時間都在十小時以內(nèi)，如果當(dāng)在野外或者不方便直接進(jìn)行充電的環(huán)境條件下執(zhí)行飛行任務(wù)時，續(xù)航時間將會是一個直接影響任務(wù)成功與否的關(guān)鍵問題。所以發(fā)展長航時地面站是一個亟待解決的問題，也是未來的發(fā)展趨勢。

（2）發(fā)展模塊級地面站。當(dāng)前多數(shù)的民用無人機(jī)地面站都是只能適配固有的無人機(jī)型號，其他型號的可能就不能連接上使用。發(fā)展研究通用模塊級地面站，可以在一定程度上避免重復(fù)研制，浪費(fèi)時間與精力的問題，而且可以更好的為用戶服務(wù)，促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）發(fā)展可實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)編隊(duì)或者虛實(shí)結(jié)合的無人機(jī)編隊(duì)飛行功能的地面站。當(dāng)前無人機(jī)地面站雖然基本能實(shí)現(xiàn)同時控制多架無人機(jī)飛行，但是利用地面站實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)編隊(duì)飛行也是未來發(fā)展的趨勢，這樣不僅可以更好地完成飛行任務(wù)也能高效率的節(jié)省飛行時間，為用戶創(chuàng)造更高的價值。