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    5G網聯無人機管理平臺系統架構研究
    作者:admin 日期:2020-10-15 15:57:49 點擊:725

    摘要:無人機全球市場在過去10年中大幅增長,現在已經成為商業、政府和消費應用的重要工具,廣泛應用于電力、建筑、能源、公用事業和農業等諸多領域,成了各國經濟增長的亮點。然而受限于通信鏈路的帶寬、延時等多方限制,低空無人機在行業中的應用發展仍受到一定制約。目前,5G網絡為網聯無人機賦予了實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力?;诖?本文通過對基于5G網聯無人機管理平臺的研究,提出了5G無人機平臺架構的發展與演進方向。 

    關鍵詞:5G;無人機;管理平臺架構;

    隨著中國制造2025”的提出,我國加快推進以智能制造為核心的工業4.0戰略。而作為智能制造與通用航空融合發展的無人機,未來的發展前景廣闊。

    無人機市場

    2018年,隨著消費級無人機的持續火熱以及農業植保和物流等工業級無人機領域市場的爆發,無人機市場規模實現了突破式增長,整體市場規模達到112億元,同比增長98.2%。細分領域方面,2018年,消費級無人機市場規模占比45.7%,工業級無人機市場規模占比54.3%。

    無人機市場發展逐步規范化,2018831日,中國民用航空局飛行標準司印發《民用無人機駕駛員管理規定》,旨在加強對民用無人機駕駛員的規范化管理,促進民用無人機產業的健康發展。20192月,中國民用航空局發布了《特定類無人機試運行管理規程(暫行)》,逐步規范運行風險較高無人機的運行管理。該規程發布后,志愿申請人在某些典型運行場景下的無人機試運行,將得到批準實施。

    現有的無人機通信手段以數據鏈路為主,無線電頻段管制要求嚴格,通信距離容易受地理環境和無線電噪聲等因素影響。隨著蜂窩網絡的逐步豐富,無人機通過蜂窩網絡接入互聯網不僅有助于促進監管政策的進一步落地,更將加速無人機應用的創新和規模發展。伴隨著5G網絡的建設,更高效的蜂窩網絡接入能力將給網聯無人機帶來一次質的飛躍。5G網絡的大帶寬使得無人機傳輸信息的能力更強,視頻類業務可以實時傳回更高質量的圖像內容,而超低時延意味著對無人機更加精準的控制,真正做到利用互聯網平臺對無人機進行精細化操作,進而實現網聯無人機應用的普適性推廣。本文所設計的“5G網聯無人機管理運營平臺,以5G網絡為核心切入點,利用蜂窩網絡實現無人機從監視到控制的全流程業務,推動無人機產業端到端升級,孵化行業生態,促進空域的合理利用,為社會創造更大的經濟價值。

    2 5G網聯無人機管理平臺系統架構研究

    2.1 設計原則

    5G網聯無人機管理平臺主要遵循國家和行業法律法規和標準規范,如《通用航空飛行服務站系統建設和管理指導意見(試行)》、《低空空域使用管理辦法(試行)(征求意見稿)》等。

    5G網聯無人機管理平臺系統設計要考慮到業務未來發展的需要,盡可能設計得簡明,降低各功能模塊耦合度,并充分考慮兼容性。系統能夠支持硬件、系統軟件和應用軟件多個層面的可擴展性,能夠實現快速開發/重組、業務參數配置和業務功能二次開發等多個方面,使得系統可以支持未來不斷變化的特征。

    無人機平臺在系統的總體設計上,一方面要本著承接歷史、照顧現狀和考慮未來的可持續發展原則;另一方面需要有前瞻性,采用國際上先進且成熟的技術,使得設計更加合理和更為先進,保障系統在較長時間內有較高技術層次。

    無人機平臺在系統的流程設計上,為方便無人機平臺業務流程的靈活配置和擴展需求,系統需為每個功能模塊提供流程模板配置功能,當業務流程需要變更時,可便捷的進行流程快速配置。

    采用被實踐證明為成熟且實用的技術和設備,最大限度地滿足項目現在和將來的業務發展需要,確保實用。系統管理功能全面,能充分滿足自身各種業務的管理要求。應具有完全的操作環境,界面簡練、友好,功能健全有效。

    強調以人為本的設計思想,對于來自系統內外的各種信息進行收集、處理、存儲、傳輸、檢索和查詢,為使用者和管理者提供有效的信息服務。要求系統界面簡潔、頁面風格統一、操作簡單、信息顯示整齊美觀、圖形化分析方便實用、能夠較好地體現無人機平臺業務工作特點。

    為確保無人機平臺系統、數據和終端的安全性,需要制訂統一的系統安全策略,確保設備接入、網絡傳輸、用戶接入和數據共享等各個環節的安全性。從整體上考慮網絡平臺的安全性,同時需要對系統內部數據保護、系統權限控制、應用接口安全和運行管理機制等多方面進行綜合考慮,通過多樣化地安全策略確保應用和數據安全。

    2.2 平臺框架研究

    5G網聯無人機管理平臺實現了監視數據的綜合展示,分為全局監視和單無人機監視,如圖1所示。

    (1)全局監視:對所有在飛無人機進行位置展示,顯示首頁監視地圖,并展示所有在飛計劃與計劃飛行的統計數據。

    (2)單無人機監視:對無人機位置和狀態實時展示,提供無人機銘牌信息、態勢數據、執飛軌跡、歷史飛行數據的實時展示和回看。

    2.3 功能設計

    2.3.1 平臺功能目標

    結合市場現狀與客戶需求,5G網聯無人機管理平臺實現目標如下。

    (1)地圖顯示功能:在地圖上顯示與航跡有關的數據。

    (2)無人機展示功能:所有接入無人機的在飛位置和計劃狀態航跡實時在地圖上顯示。

    (3)航跡顯示功能:對用戶點擊的無人機,開啟新的窗口進行獨立的狀態和航跡的展示。

    (4)數據顯示功能:點擊(選中)無人機,監視數據展示無人機的經緯度、高度、時間和身份銘牌等信息。

    2.3.2 界面設計要求

    平臺將對于來自系統內外的各種信息進行收集、處理、存儲、傳輸、檢索和查詢,為使用者和管理者提供有效的信息服務。要求系統界面簡潔、頁面風格統一、操作簡單、信息顯示整齊美觀、圖形化分析方便實用、能夠較好的體現無人機平臺業務工作特點。

    圖1 產品功能架構

    產品功能架構    下載原圖

    2.3.3 軟件系統架構

    (1)微服務:分為數據層、服務層、服務網關和UI4層架構。采用Spring Cloud架構,利用Spring Boot的開發便利性,巧妙地簡化了分布式系統基礎設施的開發,如服務發現注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器和數據監控等。使用Spring Boot,做到一鍵啟動和部署。

    (2)前端展示:包含網站、PC終端和管控大屏集成。

    (3)無人機平臺的網絡環境、虛擬主機、存儲、安全防護等由移動云提供。5G網聯無人機管理平臺服務端部署在移動云虛擬主機。

    2.3.4 平臺功能實現

    5G網聯無人機管理運營平臺對在線無人機的飛行軌跡和飛行狀態數據進行實時監控,支持對全局無人機在線數據的整體呈現以及單個被選中無人機的在線數據呈現,如圖2所示。

    飛行監視頁面包含飛行統計界面與地圖界面。飛行統計顯示當前在線與計劃飛行的無人機,飛行歷史統計展示5天內的每日飛行數據統計。首頁地圖可按需切換道路地圖或衛星視圖,如圖3所示。

    點擊在飛無人機圖標可查看以下內容。

    (1)基本信息包括無人機銘牌信息、飛機編號和掛載載荷信息等。

    (2)當前狀態包括航速、高度、飛行時長、電池電量、模式、航向角和經緯度等。

    (3)任務狀態包括起飛點、與起飛點距離、計劃起飛時間、執飛軌跡、實際起飛時間和實時回傳視頻等。

    (4)其它包括飛手名稱和飛手信息等。

    2.3.5 平臺數據對接

    5G網聯無人機管理平臺可與各類無人機公司實現無人機信息與監視信息的數據對接。

    3結束語

    本文提出了5G網聯無人機管理平臺系統架構建議,主要支持全局監視和單無人機監視能力,為無人機平臺運營方最終用戶提供了服務保障。同時,從無人機監控業務出發,提供地圖顯示和航跡顯示等能力。未來可根據5G無人機產業發展和技術進步情況,進一步優化5G無人機平臺的思路和方法。

     

    參考文獻

    [1] 陳曉婷,程麗紅,王佳鑫,等.基于5G網絡的無人機信息傳輸[J].電子制作,2020(8).

    [2] 張勍,馮毅,馬丹,. 5G低空網絡解決方案和運營應用[J].電信科學,2020(1).

    [3] 張倩倩.無人機協同傳輸通信系統物理層安全技術研究[J].信息技術與網絡安全,2020(5).

    [4] 王利,王普,閆崢.無人機通信網絡安全綜述[J].網絡空間安全,2019(9).

    [5] 謝相博,徐光輝,范凱鑫,.基于4G的無人機遠程巡邏系統[J].通信技術,2015(11).

     



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