衛(wèi)星通信在無人機(jī)監(jiān)管中的應(yīng)用

于春雷

摘 要 無人機(jī)作為信息時代科技發(fā)展的產(chǎn)物，近年來在民用市場應(yīng)用廣泛，但是對無人機(jī)的監(jiān)控技術(shù)并未成熟，無人機(jī)的“黑飛”，不當(dāng)操作等給社會治安和航空秩序帶來了諸多挑戰(zhàn)。本文首先介紹了無人機(jī)及其監(jiān)管背景，分析了現(xiàn)有無人機(jī)監(jiān)管策略及相關(guān)技術(shù)，最后提出衛(wèi)星通信應(yīng)用于無人機(jī)監(jiān)管的初步思考。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)；監(jiān)管策略；監(jiān)管技術(shù)；衛(wèi)星通信

中圖分類號 TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）199-0100-02

1 概述

無人機(jī)是利用無線電進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或者自動駕駛的無人飛行器。它具有操作成本低、運(yùn)用范圍廣等特點(diǎn)。近年來，無人機(jī)發(fā)展飛速，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。資料顯示，無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個領(lǐng)域。但無人機(jī)科技的飛速發(fā)展，同時也給社會治安和航空秩序帶來了諸多挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)當(dāng)屬無人機(jī)的“黑飛”。2015年11月，空軍駐河北涿州部隊進(jìn)行直升機(jī)訓(xùn)練時，發(fā)現(xiàn)有無人機(jī)在附近活動；2016年1月，無人機(jī)闖入貴州機(jī)場禁飛區(qū)，對航班飛行安全帶來威脅；2017年4月，成都雙流機(jī)場凈空區(qū)連續(xù)發(fā)生多起無人機(jī)非法闖入事件，導(dǎo)致多架航班備降、返航或延誤，對人們生命安全帶來嚴(yán)重隱患。此外，無人機(jī)帶來的社會治安問題也頻發(fā)，已有多起利用無人機(jī)侵犯個人隱私的案件發(fā)生。鑒于此，無人機(jī)的安全監(jiān)管勢在必行，制定合理的監(jiān)管政策、研究先進(jìn)高效的監(jiān)管技術(shù)也迫在眉睫。

2 無人機(jī)監(jiān)管現(xiàn)狀

2.1無人機(jī)監(jiān)管政策

為規(guī)范無人機(jī)在低空領(lǐng)域的飛行，目前國內(nèi)相關(guān)管理部門已陸續(xù)出臺了多部法律法規(guī)[ 1 ]，如《民用無人機(jī)空中交通管理辦法》《關(guān)于民用無人機(jī)管理有關(guān)問題的暫行規(guī)定》等。此外，各地也會根據(jù)經(jīng)濟(jì)或政治活動需要，在特定區(qū)域及時間內(nèi)實(shí)行必要的禁飛措施。這些措施在一定程度上規(guī)范了無人機(jī)飛行狀態(tài)，減少了“黑飛”出現(xiàn)的頻率。但是由于在某些特殊管理空白區(qū)域，存在執(zhí)法機(jī)構(gòu)不明確，以及目前無人機(jī)種類眾多，其登記審批等環(huán)節(jié)尚未完善、法律法規(guī)的適用性也存在爭議等原因，監(jiān)管政策并不能解決所有問題。在加強(qiáng)政策建設(shè)的同時，還需研究先進(jìn)全面的無人機(jī)監(jiān)管技術(shù)。

2.2 無人機(jī)監(jiān)管技術(shù)

2.2.1 地面移動通信網(wǎng)絡(luò)

在城市和郊區(qū)等用戶密集區(qū)域，無人機(jī)可以通過地面移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互[2]。如無人機(jī)可以接入到LTE網(wǎng)絡(luò)中上傳實(shí)時的位置或狀態(tài)信息，如圖像、視頻數(shù)據(jù)，氣象信息、空中交通信息和管制指令等。此外，無人機(jī)也可以通地面控制站報告相應(yīng)的位置信息和狀態(tài)信息，地面控制站與無人機(jī)之間對獲取的空管指令等信息進(jìn)行交互。

無人機(jī)和地面控制站均可通過地面移動通信網(wǎng)絡(luò)連接到無人機(jī)云系統(tǒng)，這樣無人機(jī)運(yùn)營商和監(jiān)管部門可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄云系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

2.2.2 地面雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)技術(shù)是一種通過無線電發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們的空間位置及運(yùn)動狀態(tài)的技術(shù)。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的種類越來越多，不同雷達(dá)的功能范圍也從單純的測量目標(biāo)位置擴(kuò)展到測量目標(biāo)速度，甚至測量目標(biāo)的尺寸、形狀、表面粗糙度及介電特性等。利用地面雷達(dá)系統(tǒng)來進(jìn)行無人機(jī)的監(jiān)控和制約[3]是一種有效的策略。

2.2.3 電子圍欄

電子圍欄為阻擋即將侵入特定區(qū)域的航空器，在相應(yīng)電子地理范圍中畫出特定區(qū)域，并配合飛行控制系統(tǒng)、保障區(qū)域安全的軟硬件系[4]。技術(shù)上，電子圍欄一般通過紅外對射、高壓脈沖或震動光纖等方式來進(jìn)行監(jiān)測。無人機(jī)觸發(fā)電子圍欄區(qū)域后，控制中心會立即告警，從而采取相應(yīng)監(jiān)管辦法。

2.2.4 無線電監(jiān)測

無線電監(jiān)測管理系統(tǒng)[ 5 ]是通過多個監(jiān)測基站的協(xié)作，各基站依據(jù)接收到的信號的強(qiáng)弱程度來判斷是否有干擾信號并且可以通過對無線電信號的數(shù)據(jù)分析處理進(jìn)行干擾源的定位的檢測系統(tǒng)。當(dāng)有無人機(jī)飛入禁飛區(qū)時，通過對監(jiān)測基站的信號分析和處理，可以實(shí)時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)無人機(jī)的位置信息，采取告警或擊落等措施。

以上是無人機(jī)監(jiān)管過程中經(jīng)常采用的一些技術(shù)，但這些技術(shù)的使用還存在一些問題：地面移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于無人機(jī)監(jiān)控中可以有效地對城市以及郊區(qū)的無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)管，但是在偏遠(yuǎn)無地面網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)很難對無人機(jī)亂飛的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控和管理；地面雷達(dá)系統(tǒng)雖可以精確實(shí)時的監(jiān)控?zé)o人機(jī)位置等信息，但設(shè)備成本昂貴，不適于民用場景；電子圍欄因不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)而存在各自的問題：紅外對射和震動光纖往往容易受到惡劣環(huán)境的影響，而利用高壓脈沖來進(jìn)行24小時監(jiān)測能耗大且缺乏安全性；利用無線電監(jiān)測系統(tǒng)雖然可以有效監(jiān)測到目標(biāo)，但信號傳輸易受到多徑效應(yīng)和噪聲干擾，定位精度容易受到影響。通過以上分析，無人機(jī)監(jiān)管需要尋找更優(yōu)的技術(shù)和策略，而衛(wèi)星通信系統(tǒng)在無人機(jī)監(jiān)控中的應(yīng)用則是一種可行的思路。

3 衛(wèi)星通信在無人機(jī)監(jiān)控的應(yīng)用

3.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹

衛(wèi)星移動通信是以衛(wèi)星作為通信中繼站，實(shí)現(xiàn)移動用戶之間、移動用戶和地面網(wǎng)以及其它專網(wǎng)用戶之間通信的系統(tǒng)。衛(wèi)星移動系統(tǒng)可提供大范圍、遠(yuǎn)距離和機(jī)動靈活的話音、短信、報文、采集和寬帶數(shù)據(jù)通信。由于衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍大、作用距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、通信費(fèi)用基本與距離無關(guān)、受地形地物影響小等突出優(yōu)點(diǎn)。因此衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)尤其適用于分布范圍廣、通信條件惡劣、移動范圍大等應(yīng)用環(huán)境中。

相比國外，我國衛(wèi)星通信起步較晚，但目前發(fā)展勢頭迅猛，我們平時觀看的比賽直播，游輪上打電話、上網(wǎng)等都是通過衛(wèi)星通信進(jìn)行傳輸。自2011年起，我國開始了自主研制衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的歷程。2016年8月6日，我國天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)首星發(fā)射成功，這是我國自主研制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，結(jié)束了之前一直使用國外衛(wèi)星進(jìn)行移動通信服務(wù)的局面，可為我國衛(wèi)星移動通信用戶提供安全、可靠的語音、短消息和數(shù)據(jù)上網(wǎng)服務(wù)。目前，天通一號地面民用應(yīng)用系統(tǒng)完成了全國重點(diǎn)和邊疆區(qū)域的業(yè)務(wù)在軌測試，已具備試運(yùn)行條件，目前正在為軍隊、行業(yè)用戶提供業(yè)務(wù)保障，同時也在剛剛發(fā)生的九寨溝地震中，進(jìn)行了救援和通信保障[6]。endprint

3.2 基于衛(wèi)星通信的無人機(jī)監(jiān)管考慮

基于衛(wèi)星通信的無人機(jī)監(jiān)管有效地彌補(bǔ)了地面移動通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的不足。其在無人機(jī)監(jiān)控中的優(yōu)勢體現(xiàn)為：

1）設(shè)備部署簡單。衛(wèi)星通信不需要部署大量的地面基站和其他設(shè)備。

2）衛(wèi)星通信傳輸可靠性高。不存在多徑效應(yīng)，大多數(shù)情況為視距萊斯信道。

3）覆蓋面積廣。單顆衛(wèi)星可以覆蓋數(shù)千公里的區(qū)域。對沙漠，戈壁，海面等區(qū)域可以進(jìn)行監(jiān)控。

4）衛(wèi)星通信抗毀性好。相對于地面移動網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)監(jiān)控，衛(wèi)星不受地面復(fù)雜的地理條件及事故影響，能夠提供穩(wěn)健的監(jiān)控能力。

基于地球同步衛(wèi)星通信的無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1中，三顆地球同步衛(wèi)星可覆蓋全球范圍內(nèi)除兩極之外的大部分區(qū)域。在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的無人機(jī)通過預(yù)置的衛(wèi)星通信模塊與衛(wèi)星保持通信連接，將無人機(jī)的位置、高度、航向、速度和無人機(jī)標(biāo)示等信息通過衛(wèi)星傳送給地面的無人機(jī)云監(jiān)管平臺。由于地球同步衛(wèi)星覆蓋范圍廣，無人機(jī)云監(jiān)管平臺可以收集到幾乎所有無人機(jī)的飛行信息，從而可以為相關(guān)的監(jiān)管部門提供較為全面的無人機(jī)飛行信息。此外，由于合法無人機(jī)已在云監(jiān)管平臺中注冊，該平臺有助于快速發(fā)現(xiàn)非法無人機(jī)，并采取相應(yīng)措施，減輕非法無人機(jī)對飛行安全的影響。

4 結(jié)論

本文分析了無人機(jī)監(jiān)管的需求及無人機(jī)監(jiān)管現(xiàn)狀，從無人機(jī)監(jiān)管政策和技術(shù)兩方面分析了現(xiàn)有無人機(jī)監(jiān)管政策和技術(shù)中存在的問題，從而引出基于衛(wèi)星通信的無人機(jī)監(jiān)管策略。在基于地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)中，無人機(jī)通過衛(wèi)星通信將其位置、航向等信息發(fā)送到無人機(jī)云監(jiān)管平臺，用戶可基于該平臺對無人機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)管。該系統(tǒng)在部署便利性、覆蓋范圍、信息可靠性等方面具有較大優(yōu)勢。

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[6]徐曼.我們與你們同在！中國電科54所技術(shù)人員趕赴九寨溝http：//m.sohu.com/a/163931054_745141.endprint