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      通用航空無人機飛行管控系統(tǒng)設(shè)計

      2022-05-29 08:06:05王夢璇
      中國軍轉(zhuǎn)民 2022年4期
      關(guān)鍵詞:無人機

      摘要:隨著無人機應(yīng)用普及,為人們的工作和生活提供便利。但是隨之而來的也有風(fēng)險和隱患,多數(shù)無人機飛行處于“黑飛”狀態(tài)。沒有培訓(xùn)、沒有申報的無人機駕駛,不僅影響人們的生命財產(chǎn)安全,也會威脅公共安全、飛行安全甚至是空防安全。針對無人機使用過程中存在的諸多安全問題和監(jiān)管問題,本文給出了一套通用航空無人機監(jiān)管系統(tǒng)“G-Cloud”設(shè)計方案。

      關(guān)鍵詞:無人機;監(jiān)管系統(tǒng);G-Cloud

      引言

      本文旨在結(jié)合中國民航最新政策法規(guī),設(shè)計一種無人機飛行管控系統(tǒng)“G-Cloud”,可以直接對無人機的位置、高度、速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測;利用互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的手段,將海量的文字及數(shù)據(jù)信息通過系統(tǒng)終端直觀呈現(xiàn)。系統(tǒng)使用雷達(dá)實現(xiàn)對活動目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)測、并結(jié)合視頻監(jiān)控實現(xiàn)安防系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)主要功能包括:單個或多個目標(biāo)自動探測、跟蹤運動目標(biāo)、區(qū)域報警設(shè)置、智能自動值班、目標(biāo)軌跡、信息回放、目標(biāo)自動識別等。

      1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

      如下圖所示,G-Cloud由機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備、低空監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控中心、工作終端四大部分組成:

      1.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備

      機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備含定位模塊、無線通訊模塊及ADS-B模塊。無人機飛行過程中,定位模塊會按一定頻率接收定位衛(wèi)星下發(fā)的最新位置信息,然后機載盒體會通過無線通訊及ADS-B兩種方式實時向監(jiān)控平臺實時提交最新位置信息。

      1.2低空監(jiān)測設(shè)備

      低空監(jiān)測設(shè)備包括安裝在監(jiān)控現(xiàn)場的低空監(jiān)控雷達(dá)和監(jiān)控攝像機。

      低空監(jiān)控雷達(dá):雷達(dá)對探測區(qū)域內(nèi)的無人機等活動目標(biāo)進(jìn)行搜索、獲取目標(biāo)的位置,方向,速度等信息,并定時上報給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

      監(jiān)控攝像機:安裝在現(xiàn)場的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機,監(jiān)控中心能夠根據(jù)雷達(dá)探測追蹤目標(biāo)控制攝像頭旋轉(zhuǎn)角度,對目標(biāo)進(jìn)行攝像;并將目標(biāo)的視頻數(shù)據(jù)傳送給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

      1.3監(jiān)控平臺

      監(jiān)控中心由管理主機、機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、Web服務(wù)器、APP接口服務(wù)器、視頻存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成,是整個系統(tǒng)的核心部分。監(jiān)控中心采集雷達(dá)定時發(fā)送的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)、根據(jù)目標(biāo)的經(jīng)緯度,方向,速度,將活動目標(biāo)的運動軌跡在地圖上顯示,并控制攝像機的旋轉(zhuǎn),對報警目標(biāo)進(jìn)行拍攝,同時進(jìn)行大屏幕播放。監(jiān)控中心將雷達(dá)數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫,將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。監(jiān)控中心為安保人員提供web、手機APP、現(xiàn)場大屏幕等展示接口。

      機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器:負(fù)責(zé)采集無人機定時上報的經(jīng)緯度、高程、時間等數(shù)據(jù),同時將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

      雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器:負(fù)責(zé)采集雷達(dá)定時發(fā)送的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)x坐標(biāo)、目標(biāo)y坐標(biāo)、目標(biāo)z坐標(biāo)、目標(biāo)方位角、目標(biāo)絕對速度、目標(biāo)距離、目標(biāo)批號、數(shù)據(jù)周期等,同時將雷達(dá)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

      光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器:負(fù)責(zé)控制攝像機,對報警目標(biāo)進(jìn)行攝像,并接收攝像機實時傳送的視頻數(shù)據(jù),傳送到大屏幕播放,同時將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。

      Web服務(wù)器:Web服務(wù)器負(fù)責(zé)整個監(jiān)控平臺系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)展示,是整個平臺的展示窗口。

      APP接口服務(wù)器:APP接口服務(wù)器將現(xiàn)場報警信息推送到安保人員的手機APP上,安保人員可以通過手機APP查看現(xiàn)場報警信息。

      視頻存儲設(shè)備:存儲攝像機拍攝的視頻文件。目前視頻存儲有三種成熟的解決方案:存儲服務(wù)器方案、IP-SAN方案、云存儲方案。存儲服務(wù)器方案擴展比較困難,云存儲方案成本比較高,本系統(tǒng)采用IPSAN方案,IP-SAN方案具體介紹見數(shù)據(jù)存儲方案設(shè)計章節(jié)。

      數(shù)據(jù)庫服務(wù)器:數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)采集、處理服務(wù)器提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域,存儲大量雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用主從同步,讀寫分離方式存儲數(shù)據(jù)。

      管理主機:監(jiān)控整個系統(tǒng)服務(wù)器運行狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)性能。

      1.4工作終端

      工作終端包括安保人員使用的電腦和手機、大屏幕顯示終端、聲光報警終端。工作人員可以通過前端電腦瀏覽器登錄,管理整個系統(tǒng),實時了解到現(xiàn)場監(jiān)控情況;報警信息也會實時推送到工作人員手機上;另外大屏幕實時播放監(jiān)控現(xiàn)場視頻。

      2系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

      G-Cloud平臺軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)采集層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層、信息展示層等六層。該系統(tǒng)采用組件式結(jié)構(gòu),靈活方便,并有良好的通用性和可擴展性。基于該模型可迅速組建各種應(yīng)用模式的無人機監(jiān)管解決方案。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如下圖所示:

      2.1物理層

      物理層包括監(jiān)控雷達(dá)、監(jiān)控智能網(wǎng)絡(luò)攝像機、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、聲光報警設(shè)備以及服務(wù)器等物理硬件設(shè)備,是整個系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

      2.2網(wǎng)絡(luò)層

      網(wǎng)絡(luò)層包括WLAN/LAN、3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)、WIFI等通信方式,監(jiān)控雷達(dá)、監(jiān)控攝像機與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通過WLAN/LAN通信,監(jiān)控中心與安保人員手機APP通過3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信。

      2.3數(shù)據(jù)層

      數(shù)據(jù)層包括雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、光電數(shù)據(jù)采集等。數(shù)據(jù)層為應(yīng)用支撐層提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

      2.4應(yīng)用支撐層

      應(yīng)用支撐層包括地圖引擎、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、視頻解碼、數(shù)據(jù)庫等。應(yīng)用支撐層主要依賴地圖、活動目標(biāo)的參數(shù),預(yù)測目標(biāo)運行軌跡,為應(yīng)用層提供功能基礎(chǔ)。

      2.5應(yīng)用層

      應(yīng)用層包括、實時監(jiān)控、實時報警、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡回放、目標(biāo)流量監(jiān)測、自動值班功能、視頻目標(biāo)識別、抓拍功能、報警區(qū)域設(shè)置、目標(biāo)地圖顯示、視頻播放、日志管理、用戶管理、歷史報警、攝像頭運轉(zhuǎn)情況、雷達(dá)運轉(zhuǎn)狀況、軌跡回放、角色管理、設(shè)備管理、分時報警統(tǒng)計、區(qū)域報警統(tǒng)計、目標(biāo)類型統(tǒng)計、目標(biāo)趨勢統(tǒng)計等功能,具體可見下一節(jié)系統(tǒng)功能。

      2.6展示層

      展示層包括web界面展示、手機APP展示、中心大屏幕展示;監(jiān)控管理人員可以通過web界面、中心大屏幕,便捷了解監(jiān)控現(xiàn)場的實時情況、并可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

      2.7依賴和規(guī)則

      雷達(dá)和光電的綜合安防系統(tǒng)依賴現(xiàn)場地圖,并遵守視頻標(biāo)準(zhǔn)、以及第三方協(xié)議等。

      3系統(tǒng)工作流程

      3.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程

      機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程流程主要包含機載數(shù)據(jù)接收及處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)流程圖如下圖所示:

      3.2機載數(shù)據(jù)處理流程

      飛行中的無人機實時將最新位置及飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)上報給機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;過程中如果需要報警,機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像機,打開攝像機對目標(biāo)進(jìn)行攝像,同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器,APP服務(wù)器將報警信息推送到安保人員手機上。

      3.3視頻數(shù)據(jù)處理流程

      攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕,同時保存到視頻存儲設(shè)備上;安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

      3.4監(jiān)控流程

      安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況,安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向攝像機發(fā)出設(shè)置指令,指令通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給攝像機。

      3.5地面雷達(dá)及光電工作流程

      主要包含雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)流程圖如下圖所示:

      3.6監(jiān)控雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

      安裝在現(xiàn)場的監(jiān)控雷達(dá)實時將活動目標(biāo)數(shù)據(jù)上報給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器;如果發(fā)現(xiàn)報警目標(biāo),雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像機,打開攝像機對目標(biāo)進(jìn)行攝像,同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器,APP服務(wù)器將報警信息推送到安保人員手機上。

      3.7視頻數(shù)據(jù)處理流程

      攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕,同時保存到視頻存儲設(shè)備上;安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

      3.8監(jiān)控流程

      安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況,安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向雷達(dá)和攝像機發(fā)出設(shè)置指令,指令通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給監(jiān)控雷達(dá)或者攝像機。

      4總結(jié)

      G-Cloud能夠?qū)崿F(xiàn)無論在辦公室還是室外,隨時通過電腦、手機端管理和監(jiān)視各類型無人機;有效提升監(jiān)管部門協(xié)同效率及管理能力,飛行計劃快速報批,讓用戶贏得起飛時間;支持互聯(lián)網(wǎng)/3G/4G/5G/ADS-B北斗低空雷達(dá)等多種鏈路數(shù)據(jù)實時接入,結(jié)合禁飛區(qū)數(shù)據(jù)和電子圍欄,無人機飛行過程實時監(jiān)視,自動告警。

      參考文獻(xiàn)

      [1]鄧淑芳.無人機綜合管理與智能分析平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東大學(xué)2020

      [2]劉育,孫見忠,李航.民用無人機的監(jiān)管與規(guī)范探討[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報.2017(S1)

      [3]高峰.技術(shù)引領(lǐng)未來 無人機云系統(tǒng)全面解析[J].計算機與網(wǎng)絡(luò).2016(05)

      [4] Rui-zhi He,Lu-hua Liu,Guojian Tang,Wei-min Bao. Rapid generation of entry trajectory with multiple no-fly zone constraints[J]. Advances in Space Research . 2017 (7)

      [5] Syed Safwan Khalid,Shafayat Abrar.A low-complexity interacting multiple model filter for maneuvering target tracking[J].AEUE - International Journal of Electronics and C . 2017

      (作者簡介:王夢璇,碩士研究生,工程師;工作單位:中國電子科技集團公司第二十研究所)

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