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卫星通信在无人机监管中的应用
摘 要 无人机作为信息时代科技发展的产物,近年来在民用市场应用广泛,但是对无人机的监控技术并未成熟,无人机的“黑飞”,不当操作等给社会治安和航空秩序带来了诸多挑战.本文首先介绍了无人机及其监管背景,分析了现有无人机监管策略及相关技术,最后提出卫星通信应用于无人机监管的初步思考.
关键词 无人机；监管策略；监管技术；卫星通信
中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）199-0100-02
1 概述
无人机是利用无线电进行远程操控或者自动驾驶的无人飞行器.它具有操作成本低、运用范围广等特点.近年来,无人机发展飞速,在民用领域的应用日渐增多.资料显示,无人机已广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域.但无人机科技的飞速发展,同时也给社会治安和航空秩序带来了诸多挑战.其中最大的挑战当属无人机的“黑飞”.2015 年11 月,空军驻河北涿州部队进行直升机训练时,发现有无人机在附近活动；2016 年1 月,无人机闯入贵州机场禁飞区,对航班飞行安全带来威胁；2017 年4 月,成都双流机场净空区连续发生多起无人机非法闯入事件,导致多架航班备降、返航或延误,对人们生命安全带来严重隐患.此外,无人机带来的社会治安问题也频发,已有多起利用无人机侵犯个人隐私的案件发生.鉴于此,无人机的安全监管势在必行,制定合理的监管政策、研究先进高效的监管技术也迫在眉睫.
2 无人机监管现状
2.1 无人机监管政策
为规范无人机在低空领域的飞行,目前国内相关管理部门已陆续出台了多部法律法规[1],如《民用无人机空中交通管理办法》《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》等.此外,各地也会根据经济或政治活动需要,在特定区域及时间内实行必要的禁飞措施.这些措施在一定程度上规范了无人机飞行状态,减少了“黑飞”出现的频率.但是由于在某些特殊管理空白区域,存在执法机构不明确,以及目前无人机种类众多,其登记审批等环节尚未完善、法律法规的适用性也存在争议等原因,监管政策并不能解决所有问题.在加强政策建设的同时,还需研究先进全面的无人机监管技术.
2.2 无人机监管技术
2.2.1 地面移动通信网络
在城市和郊区等用户密集区域,无人机可以通过地面移动通信网络进行信息交互[2].如无人机可以接入到LTE 网络中上传实时的位置或状态信息,如图像、视频数据,气象信息、空中交通信息和管制指令等.此外,无人机也可以通地面控制站报告相应的位置信息和状态信息,地面控制站与无人机之间对获取的空管指令等信息进行交互.
无人机和地面控制站均可通过地面移动通信网络连接到无人机云系统,这样无人机运营商和监管部门可以通过互联网登录云系统进行监控和管理.
2.2.2 地面雷达系统
雷达技术是一种通过无线电发现目标并测定它们的空间位置及运动状态的技术.随着雷达技术的发展,雷达的种类越来越多,不同雷达的功能范围也从单纯的测量目标位置扩展到测量目标速度,甚至测量目标的尺寸、形状、表面粗糙度及介电特性等.利用地面雷达系统来进行无人机的监控和制约[3] 是一种有效的策略.
2.2.3 电子围栏
电子围栏为阻挡即将侵入特定区域的航空器,在相应电子地理范围中画出特定区域,并配合飞行控制系统、保障区域安全的软硬件系[4].技术上,电子围栏一般通过红外对射、高压脉冲或震动光纤等方式来进行监测.无人机触发电子围栏区域后,控制中心会立即告警,从而采取相应监管办法.
2.2.4 无线电监测
无线电监测管理系统[5] 是通过多个监测基站的协作,各基站依据接收到的信号的强弱程度来判断是否有干扰信号并且可以通过对无线电信号的数据分析处理进行干扰源的定位的检测系统.当有无人机飞入禁飞区时,通过对监测基站的信号分析和处理,可以实时发现目标无人机的位置信息,采取告警或击落等措施.
以上是无人机监管过程中经常采用的一些技术,但这些技术的使用还存在一些问题：地面移动通信网络应用于无人机监控中可以有效地对城市以及郊区的无人机进行监管,但是在偏远无地面网络的盲区很难对无人机乱飞的现象进行监控和管理；地面雷达系统虽可以精确实时的监控无人机位置等信息,但设备成本昂贵,不适于民用场景；电子围栏因不同的实现技术而存在各自的问题：红外对射和震动光纤往往容易受到恶劣环境的影响,而利用高压脉冲来进行24 小时监测能耗大且缺乏安全性；利用无线电监测系统虽然可以有效监测到目标,但信号传输易受到多径效应和噪声干扰,定位精度容易受到影响.通过以上分析,无人机监管需要寻找更优的技术和策略,而卫星通信系统在无人机监控中的应用则是一种可行的思路.
3 卫星通信在无人机监控的应用
3.1 卫星通信系统介绍
卫星移动通信是以卫星作为通信中继站,实现移动用户之间、移动用户和地面网以及其它专网用户之间通信的系统.卫星移动系统可提供大范围、远距离和机动灵活的话音、短信、报文、采集和宽带数据通信.由于卫星通信具有覆盖范围大、作用距离远、组网灵活、通信费用基本与距离无关、受地形地物影响小等突出优点.因此卫星移动通信系统尤其适用于分布范围广、通信条件恶劣、移动范围大等应用环境中.
相比国外,我国卫星通信起步较晚,但目前发展势头迅猛,我们平时观看的比赛直播,游轮上打电话、上网等都是通过卫星通信进行传输.自2011 年起,我国开始了自主研制卫星移动通信系统的历程.2016 年8 月6 日,我国天通一号卫星移动通信系统首星发射成功,这是我国自主研制的卫星移动通信系统,结束了之前一直使用国外卫星进行移动通信服务的局面,可为我国卫星移动通信用户提供安全、可靠的语音、短消息和数据上网服务.目前,天通一号地面民用应用系统完成了全国重点和边疆区域的业务在轨测试,已具备试运行条件,目前正在为军队、行业用户提供业务保障,同时也在刚刚发生的九寨沟地震中,进行了救援和通信保障[6].
3.2 基于卫星通信的无人机监管考虑基于卫星通信的无人机监管有效地弥补了地面移动通信网络监控无人机的不足.其在无人机监控中的优势体现为：
1）设备部署简单.卫星通信不需要部署大量的地面基站和其他设备.
2）卫星通信传输可靠性高.不存在多径效应,大多数情况为视距莱斯信道.
3）覆盖面积广.单颗卫星可以覆盖数千公里的区域.对沙漠,戈壁,海面等区域可以进行监控.
4）卫星通信抗毁性好.相对于地面移动网络无人机监控,卫星不受地面复杂的地理条件及事故影响,能够提供稳健的监控能力.
基于地球同步卫星通信的无人机监管系统示意图如图1 所示.
图1 中,三颗地球同步卫星可覆盖全球范围内除两极之外的大部分区域.在卫星覆盖范围内的无人机通过预置的卫星通信模块与卫星保持通信连接,将无人机的位置、高度、航向、速度和无人机标示等信息通过卫星传送给地面的无人机云监管平台.由于地球同步卫星覆盖范围广,无人机云监管平台可以收集到几乎所有无人机的飞行信息,从而可以为相关的监管部门提供较为全面的无人机飞行信息.此外,由于合法无人机已在云监管平台中注册,该平台有助于快速发现非法无人机,并采取相应措施,减轻非法无人机对飞行安全的影响.
4 结论
本文分析了无人机监管的需求及无人机监管现状,从无人机监管政策和技术两方面分析了现有无人机监管政策和技术中存在的问题,从而引出基于卫星通信的无人机监管策略.在基于地球同步卫星通信系统的无人机监管系统中,无人机通过卫星通信将其位置、航向等信息发送到无人机云监管平台,用户可基于该平台对无人机进行有效监管.该系统在部署便利性、覆盖范围、信息可靠性等方面具有较大优势.
卫星通信论文范文结:
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