基于北斗与5G技术的农业植保无人机运行监管架构设计.pdf

2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 基于北斗与 5G技术的农业植保无人机运行监管架构设计 胡小蒙 王 子楷 赵婧冰 中 国 民 航大 学 天津 300300 1 项目背景 我国 为 农 业 大 国 无 人机 航空 植 保 具有 广 阔 发展 空 间与 应用 前景 农 业 植 保 无 人机 低 空 低 量 施 药 作 业 比 传 统地 面 机 械 或 人 力 喷洒 作 业 具有效率 更 高 劳 动 强 度 更 小 的 优 点 比大 型 飞机施 药 作 业 成 本 更 低 能满足 高 效 农 业 精准 农 业 智慧 农 业 的发展 需 求 随着信息 通 讯 物 联 网等技术的快速发展 无 人机 硬 件 已 日 趋 小 型 化 智 能 化 低成 本 化 低功 耗 化 进 而 引 发了 一 股 无 人 机 热 但 在 已 经 到 来 的 无 人机 浪潮 中 飞 行 安 全 受 到了 巨 大 的 挑战 对 于 无 人机 监 管 运 行 系统的 需 求 愈 发 凸 显 无 人机 运 行监 管 体 系 建 立 的基 础 是 无 人机飞 行 信息 包括 位 置 三维 航 迹 等 的 获取 无 人机 运 行监 管 体 系 建 立 的 核心 是 无 人机 冲突探 测 与 解 脱 无 人机 运 行监 管 体 系 建 立 的 标 志 是 一个 成 熟 的 软件平台 本 团队 将从 这 三 个 切 入点 对 无 人机 监 管 运 行 系统的 建 立 进 行相关 探 索 进 一步 推动 无 人机 运 行规 范 化 有 序 化 促 进 我国 无 人机 监 管 运 行 服 务 的发展 2 研究现状 2 1无人机运行 监视技术 研究现状 目 前 大多 数 无 人机 属 于 低 空 慢 速 小 目 标 以 下 简 称 低 慢 小 目 标 的 一类 国 内 外 对 于 此类目 标 的 运 行 监 测 研究 较多 按照 其 运 行监 测 思路 可 大 致 分为 地 面 基 站 主 动 搜 索 以 雷达 技术 为 代 表 与 无 人机自 动广 播 以 ADS B技术 为 代 表 两 类 雷达 技术 方面 文 献 1 提出 了 一 种基于 微 多 普勒 分 析 的 检 测 方法 文 献 2 提出 了 一 种基于 杂声白 化 处 理的 MTD检 测 新 方法 但 由 于 实 际运 行 中 杂 波 环 境 复 杂 等 问题 利 用 雷达 对 于 低 慢 小 目 标 进 行 探 测 仍 然具有一 定 难 度 除 了 雷达 技术 激光探 测技术 与 光 电 探 测技术 也 是 属 于地 面 基 站 主 动 搜 索 一类 文 献 3 设计 了基于 激光探 测技术的 低 慢 小 目 标 监 测系统 文 献 4 研 制 了基于 光 电 探 测的 低 慢 小 目 标 的 光 电 系统 上 述 方 案 对设 备 精 度 及 气象 条件 要 求 较高 探 测 范围 有 限 且 成 本 高 不 利 摘 要 随着智慧 农业的 兴起 农业 植 保 无 人机以 药 人分 离 机人分 离 安 全 高效 生长 全 周 期植 保机 械 化 等 优点逐渐 应用 到 各种农作 物 农 药喷洒 作业中 在我国 垦区 大 面积 种 植 地 区已 实 现了大 范围 的 推 广和应用 科研人 员还针 对农村 小面积 种 植 地 区 研 发了 多款 农业 植 保 无 人机 解决 了水 稻 玉米 中 后期 丘陵 地 区 经济作 物 等 不 适 合地 面 机 械喷洒 作业的问题 农业 植 保 无 人机 广泛应用的 同时 也 随 之 带来 了 监 管 方 面 的 诸多 问题 文章运 用 北斗 和 5G赋 能 采 用 飞 行信息 共享 技术 来 提 升 数据 互传 效率 设计 了 一 套 可 视 化 无 人机 监 管 运 行 架构 为 无 人机 监 管 运 行提 供 理 论 支撑 和 实践 途径 关键词 北斗 5G 飞 行信息 共享 技术 无 人机 监 管 中图分类号 V279 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 03 0079 04 Abstract Withtheriseofsmartagriculture agriculturalplantprotectionUAVhasbeengraduallyappliedtovariouscrop pesticidesprayingoperations withtheadvantagesofdrug humanseparation machine humanseparation safetyandefficiency growthfull cycleplantprotectionmechanization andsoon Ithasbeenwidelypopularizedandappliedinlarge scaleplanting areasinChina sreclamationareas ChinahasalsodevelopedanumberofagriculturalplantprotectionUAVsforsmallplanting areasinruralareas Theproblemsthatthecashcropsinthemiddleandlaterstagesofriceandcornandhillyareasarenot suitableforsurfacemechanicalsprayingaresolved ThewideapplicationofagriculturalplantprotectionUAValsobringsmany problemsinsupervision ThispaperusesBeidouand5Gempowermentandadoptsflightinationsharingtechnology to improvetheefficiencyofdatatransmission andthusdesignsasetofvisualUAVsupervisionandoperationframework soas toprovidetheoreticalsupportandpracticalapproachesforUAVsupervisionandoperation Keywords Beidou 5G flightinationsharingtechnology UAVsupervision 基 金项目 本论 文 获 中 国民航大学创新创业项目 编号 IEKCAUC2020004 资 助 79 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 于系统的推广以及 复 杂环 境 下 的 运 行 借鉴 现有 民 航空 中 交 通 管理的 成 熟 体 系 无 人机自 动广 播 其自 身 信息 将 实 现 无 人机 运 行监 测的 规 范 化 运 行 文 献 5 根 据 我国 低 空空域 管理 现 状 设计一 种基于 北 斗 RDSS和 ADS B技术的 无 人机 空 管系统的 体 系 结 构 为 低 空空域 无 人机 的 安 全 飞 行提 供 了 一 种技术 保 障 手 段 文 献 6 基于北 斗 和 ADS B技术 设计 了 一 套装 载 在 无 人机 上 的 运 行监 测 模 块 以及 对 无 人机 进 行 定位以 及管理的 无 人机 监 视管理系统 文 献 7 通过分析 得到 监 视 误 差 主 要 由 GPS接 收 机 误 差 数据 链误 差 和系统 延 时 误 差 组 成 2 2 无人机运行 监管系统 研究现状 目 前 世 界 范围 内 对 无 人机 尤 其 是 消费级 无 人机 的管 控 政 策 存 在 较大 的 差 异 以 美 国 为 代 表 美 国 现 在 已 经 开 始 实 行 实 名 注 册 制度 并 且 相关 的 无 人机 运 行 管 理系统 如 LATAS已 经 开 始 接 受 项 目 FAA Pathfinder 和 NASA UTM 测 试 我国 部 分 地 区 也 已 经 开 始 实 行 无 人机实 名登 记 的 政 策 8 相关 的管理系统 诸 如 优 云 系 统 也取 得了 一 定的 成 果 通过对 表 1与 表 2的 分析 国 外 研 制 的 软件 记录 数 据 相对 全 面 性能 稳 定可 靠 相比 之 下国 内 无 人机 管理 系统 仍 存 在 许 多 不 足 如 监 视数据 获取 需 加 装 U Box 降低 了 无 人机 有效 载 荷 依 赖 于 单一监 视数据 链 无 法 保 证 监 视数据的 稳 定 有效 缺 乏 实时 危险探 测 功 能 9 针 对 上 述 研究 项 目 团队 提出 了 一 种以基于北 斗 与 5G的 飞 行 信息 共享 技术 以 一 款 软件平台 实 现 可视化 无 人机 监 管 运 行 的 架构 实 现对 无 人机飞 行 数据的动 态 监 视以及管理 进 一步 推动 无 人机 运 行规 范 化 有 序 化 促 进 我国 无 人机 监 管 运 行 服 务 的发展 3架构实现 3 1 飞行 信息 共享 技术 无 人机 冲突探 测 与规 范 管 控 的 前 提 是 无 人机能够 监 视 在 无 人机 运 行监 管 体 系的 构 建 中 最 理想的 飞 行 信息 获取 方 式 是 类 似 ADS B技术的 合 作 式 方 式 自 动 通过 机 载 的 导 航设 备 来 获 得 本 机 的 实时 位 置 高度 飞 行 速 度 等 信息 并 以全 向 广 播 方 式 发 送 信息 以 实 现设 备 间 交 流 共 享 但 传 统的 ADS B技术 有 两 个 缺陷 1 定位系统 单一 无 人机 的发展 已 经 进 入 智 能 化 阶段 在 实 际运 用中 被赋予诸 多 重要 任务 在这些 任务 中不 乏 高 密 度 机 组 飞 行 以及 复 杂 城 市 空间 内的 飞 行 其 运 行 环 境 等 条件 对 无 人机 位 置 信息的 精度 要 求 较高 目 前 ADS B技术的定位信息 由 GPS提 供 受 制 于技术 水 平 相关 政 府 政 策 等 条件 目 前 GPS提 供 的定位 精度并 不 能满足 未 来 无 人机 运 行 的要 求 文 献 7 通过分析 得到 ADS B技术的 监 视 误 差 主 要 由 GPS接 收 机 误 差 数据 链误 差 和系统 延 时 误 差 组 成 2 通 信技术 落 后 通 信技术在 ADS B技术 上 的应 用 主 要 分为 a 在定位系统内 用数据 链 连 接 用 户 设 备 和数据中 心 b 在 上 下 行 链 路 中 传 播 飞 行 信息数据 基于以 上 分析 构 建 了 飞 行 信息 共享体 系 采 取 类 ADS B的 方 式 并 采 纳 了北 斗 技术 与 5G技术 以 提高 在 所属开发商 管理系统名称 具体特点 NASA UTM 是基于云端的系统 为无人机提供飞行信息 包括空域设计 间隔管理 天气预报 地形与人工障 碍物避免等功能 日本Clue公司 无人机云平台 为飞行公司管理各种无人机相关数据 是无人机数据服务平台 美国Transtrex 无人机动态地理 空间限制系统 管理在 500英尺高度下 飞行的无人机 其 云计 算应用程序可持续 提供无人机的物理 技术 飞行限 制 状况实时 信息 Pre ci s ion H a wk 无人机数 字化 空 中 交通控 制系统 采用 云 技术 飞行 器都会 在云端 软件中 报 告自身 的飞行动态信息 以 能 够自 动 警醒彼此 避免 碰撞 FAA 和全球三大 无人机制 造 商 Ur b an 该软件目 的是在 360米或者更低 的 高 空 模拟传 统的无人机空 中交通控 制系统 可以 为无人机提 交 飞 行 路线图 避免发 生冲突 表 1国 外无 人机运 行管理 系统 所属公司 管理系统名称 具体特点 中 国AOP A U Cl oud 优 云 系统 该 系统 推 动 和加速了互联网向低 空 民用 无人机 监 管 领 域 拓展 集成 了低 空空域 民用 无人机飞 行管理动态 大 数据 也 是 第一个获得 民 航局 飞行 标准 司 批准 的无人机云系统 青岛 云 世纪 U Care系统 主要由 飞行服务 移 动端 W eb端 云服务平台 和监 管平台等 部分组成 U Care系统能 够 将获 取 的无人机飞行动态数据 实时 同步 传 输至 空管 自 动 化 系统 可 弥补当前 低 空空域 监 视盲区 大 疆 遥 控 航 空 器 安 全 管理服务系统 用 户 可通 过手 机 应用程序 与 航 空 器 进 行 联网 提 前申 报飞行计 划 亦 可 在 操 控 飞行的 过 程中 实时 获取 飞行限制空域等飞行 情 报信息 建立 与管理 部门 的 有效沟 通 表 2国内 无 人机运 行管理 系统 80 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 飞 行 信息 共享体 系 通 信 定位 方面 的 能 力 图 1展 现 了 该 体 系的 构架 图 1 飞 行信息 共享 体 系 该 体 系 由 发 送 模 块 与 接 收 模 块 组 成 发 送 模 块 含 数据 采 集 模 块 信息 编码 模 块 调制 驱 动 模 块 5G信 号 发 送驱 动 模 块 接 收 模 块 含 5G信 号 接 收 驱 动 模 块 解 调 校 验 模 块 信息 解 码 模 块 各 模 块 功 能 介绍 如 下 1 数据 采 集 模 块 利 用 机载传 感 器 设 备 采 集 无 人 机 设 备 的 实时飞 行 信息 包括 四 维 航 迹 气 压温 度 等数 据 并将 上 述 信息 打 包 发 送至 信息 编码 模 块 2 信息 编码 模 块 将 飞 行 信息数据 编码 为 特 定 格 式 的 帧 并通过 UDP报 文 传 输 至 调制 驱 动 模 块 3 调制 驱 动 模 块 将 编码 数据 由 二 进 制 转 为复 数 数据 并将复 数数据 转 化 为 脉冲 码 后调制为 5G信 号 4 5G信 号 发 送驱 动 模 块 将 经 过调制后 的 5G信 号 发 送至 功 率 放 大 器 放 大 并 驱 动发 射 天线 发 射 5G信 号 5 5G信 号 接 收 驱 动 模 块 驱 动 接 收 天线 接 收 5G 信 号 并 获取 经 过 低 噪声 信 号 放 大 器 放 大后 的 5G信 号 6 解 调 校 验 模 块 将 5G信 号 解 调为有效 的 连续 脉冲 信 号 并将 该 信 号 转 为 特 定 格式 的 帧 并 根 据 前 导 脉冲 的 相关 检 测 算 法 判 断 帧 的 有效 性 经 校 验 后有效 的 帧 通过 UDP报 文 传 输 至 信息 解 码 模 块 7 信息 解 码 模 块 对通过 UDP报 文 接 受 到的 帧 进 行规 范 解 码 将 其 转 化 为 飞 行 信息数据 目 前 北 斗 技术 已 具 备 在全 国范围 内 提 供 厘 米 级 后处 理 毫 米 级 高精度 定位基 本 服 务 能 力 结 合 5G通 信 技术 高 速 率 低 延 时 超 高 密 度 连 接 等 特 点 该 飞 行 信息 共享体 系 能够 帮助 无 人机 设 备实 现准确 快速 确 定 自 身 飞 行 信息 并 交 流 共享 该 飞 行 信息 共享体 系 还 得 益 于北 斗 技术 特 有 的 短报 文 功 能 与 5G技术的 D2D链 路 能够 实 现 普 通 移动 通 信信 号 不 能 覆 盖 地 区与大规 模 机 队 机 群 的 飞 行 任务 完 善 了 该 系统的应用 情 景 探 索 了 无 人 机 监 管 运 行体 系的进 一步 覆 盖 3 2系统 架构 设计 设计 了 一 款 基于北 斗 与 5G的 无 人机 监 管 运 行 服 务 架构 平台 下 称 平台 的 软件 框 架 如 图 2 该 架构 将 北 斗 定位 5G通 信等技术 融入 并 添 加 飞 行 信息管 理 冲突 预 警 等 功 能 具有一 定可 行 性 3 2 1 平台 服 务 对 象 该平台 面 向 无 人机所 有个 人 企 业 飞 行 操 纵 者 下 称 飞 手 空域 管理 员 飞 行计划 审 批 员 飞 行调度 员 平台 管理 员 等不 同 用 户 类 型 开 放 相 应 职 能 如 下 1 无 人机所 有个 人 企 业 购买 及 注 册 对 应 无 人机 的 拥 有 者 可 将 该 机飞 行 权 限 授 权 于 飞 手 2 飞 手 获取 无 人机 单 次 或 长 期飞 行 权 限 的 操 纵 者 在执 行 飞 行 任务 前 需通过 平台 提 交 飞 行计划 经 批 准后 在 规 定 时 间 内 飞 行 作 业 3 空域 管理 员 在 指 定 分 配 的 空域 内进 行 流 量监 控 预 报 等 4 飞 行计划 审 批 员 通过 平台 接 收 飞 行计划 申请 依 照 规 章 环 境 条件 流 量 预 测等进 行 无 人机 放 行 5 飞 行调度 员 确 保 各 无 人机 在 独 立 不 受 干扰 情 况 下 完成 起飞 地 至 降 落 地的 飞 行 任务 在 冲突 预 测及 解 脱 规划后与 飞 行 操 纵 方 沟 通 6 平台 管理 员 作 为 平台 监 管 方 统 筹 管理 上 述 所 有类 型 账 户 信息 3 2 2 平台软件 架构 平台软件 按服 务 需 求 分为 注 册登 录 平台 服 务两 大 界 面 注 册登 录 界 面 承担 用 户 身 份 注 册 核 实 登 录 两 个 功 能 并对 应 后 端 身 份 信息 库 注 册 时 需 填写 用 户 类 型 用 户 名 密 码 联 系 方 式 等 通 用信息及不 同 用 户 类 型 专 有 信息 登 录 时 键 入 信息 与 身 份 信息 库 内 对 照 一 致 方 可进 入 平台 服 务 界 面 在 平台 服 务 界 面 中 提 供 用 户 中 心 权 限 管理 设 备 管理 飞 行计划 飞 行空域 信息 气象 信息 飞 行 冲突 规 划 七 则 功 能 页 用 户 中 心 页 可进 行个 人 信息管理 修 改 确 认 并 替 换身 份 信息 库 内 对 应内容 该 页 面同 时 提 供 查 看 数据统 计 日 志 管理 错误 查 询 等用 户 信息 权 限 管 81 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 理 页 为 不 同类 型 用 户 提 供 不 同 服 务 如 无 人机所 有 者 及 飞 手 在 该 页 面 进 行 飞 行 权 限 交 接 各 类 管理 人员 在 该 页 面 进 行 所 属权 限 的管理 控制 设 备 管理 页 中 无 人机所 有 者 飞 手 能够 进 行 飞 行 器 设 备 的 绑 定 解 绑 及信息 修 改 飞 行计划 页 为 飞 手 进 行 飞 行计划 申请 飞 行计划 审 批 员 进 行 申请 的 批 准 或 驳回 计划 包括 起飞 地 降 落 地 飞 行 器 编号 及 型号 飞 行 时 段 及 时 间 预 定 路 线 等 详细 信息 飞 行空域 信息 页 可 查 看 不 同空域 实时 情况 用 户 根 据 提 供 的信息 判 断 流 量 情况 选择 合 适 时 间 执 行 或 批 准 飞 行 任务 气象 信息 页 提 供 与 飞 行相关 的 实时气象 参 数 对 未 来 时 刻 气象 情况 进 行 预 报 对计 算 飞 行 适宜 度 进 行计 算 正 在 执 行 飞 行 任务 的 无 人机 用 户 将通过 平 台 传 输 实时飞 行 数据 平台依 此计 算 同一 或 相 邻 空域 内 的 无 人机 的 预 定 飞 行 轨 迹 是 否 存 在 冲突 对 于 存 在的 冲 突 平台 利 用 特 殊 算 法 进 行规划 给 出 冲突 解 脱 的 最 佳 路 径 通过 飞 行 冲突 规划 页 实时传 输 至 飞 手 用 户 4结束语 本 文 基于 5G与 北 斗 的定位 传 输 模 块 通过 应用 新 兴 技术 实 现 了 功 能 的 稳 定 升 级 得到了更 加 精确 授 时 定位 从而 获取 了更 加 准确 的 飞 行 信息 为监 管 运 行 架 构 提 供 了信息基 础 无 人机 监 管 运 行 服 务平台软件 的 搭 建对 于 探 索 实 践 无 人机 监 管 运 行具有建设 性 意 义 同 时 该软件平台 能够 吸 收 诸 多 不 同 技术 可 逐 步 完 善 成 为一 款 功 能 强 大 应用广 泛且能够 高效 解 决实 际 应用 场 景 中 无 人机 冲突 解 脱 问题 的 无 人机 运 行监 管 平台 参考文献 1 李秋菊 朱东 方 基 于 低 分 辨雷达 系统 的 无 人机 微多普勒特征 分析 J 科 技 创新 与应用 2020 31 5 8 2 王 党卫 秦 江 敏 马晓 岩 基 于 杂 波 白 化 处 理 海面低 速 弱 目标 检 测 J 现代 雷达 2003 6 15 18 3 李 菠 孟 立 凡 李 晶 等 低 空慢 速 小 目标 探 测与 定位 技术 研究 J 中 国测 试 2016 12 64 69 4 奚 玉 鼎 于 涌 丁媛媛 等 一 种快速 搜索空 中 低 慢 小 目标 的 光 电 系 统 J 光 电 工程 2018 45 4 58 67 5 王 雪峰 胡 潇 杨 明 等 无 人机 空 管 领域 现 状 分析 与 空 管 系统设计 J 现代 导 航 2016 7 5 330 334 6 刘 珏 张 恩宇 漆骏骞 等 基 于 北斗 与 ADS B技术的 无 人机 监视 管 理 系统设计 J 科 技 创新 与应用 2020 15 37 39 7 孙立 新 陈 亚 青 刘 国 毅 ADS B空 管 监视 系统 误差 分析 与 研究 J 武 汉 理工大 学学 报 2011 35 4 798 801 8 浙 江 购买 无 人机 需实 名登记 J 中国 质量万里 行 2019 6 6 9 李 博 无 人机运 行 监 管关 键 技术 研究 D 南 京 南 京航空航天 大 学 2017 图 2无 人机 监 管 运 行 服务 平 台软件 框 架 图 软件 框 架 图 82