嚴月浩，蔣文全＊，何修軍，韓霞

（1.成都工業(yè)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 611730；2.成都信息工程大學(xué) 光電工程學(xué)院，四川 成都 610225；3.成都工院無人機科技有限公司，四川 成都 611730）

0 引言

隨著科技的進步，無人機以快速化、智能化、無人員傷亡風(fēng)險等特點，在軍用和民用方磯都有著廣泛的應(yīng)用。無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已勢不可擋。無人機地面站是地面操作人員控制無人機順利完成任務(wù)的地面指揮中心，使地面操作人員通過地面站實現(xiàn)對無人機遠程控制與監(jiān)管。地面操作人員不僅可以手持遙控器視距內(nèi)對無人機進行手動操縱，也可以通過地面站超視距的指導(dǎo)無人機完成相應(yīng)的飛行任務(wù)并自主回收返航。本文分析了無人機地面站的發(fā)展現(xiàn)狀，地面站的組成與分類以及所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提出無人機地面站的建設(shè)建議，以推動無人機地面站更好地朝智能化前進，促進無人機產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 民用無人機地面站的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著無人機在國內(nèi)外的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，無人機地面站作為無人機系統(tǒng)的地面控制中心，是無人機系統(tǒng)的重要組成部分。20世紀50至70年代，美國軍方利用地面站系統(tǒng)完成了對無人機的控制，完成了各種作戰(zhàn)任務(wù)，地面站系統(tǒng)已經(jīng)初步形成，并進入了快速發(fā)展階段[1]。到20世紀90年代，英美等各國設(shè)計并采用了以“捕食者”無人機地面系統(tǒng)為代表的復(fù)合控制多用途無人機地面站，地面站趨于集群化，功能更加智能化[2]。進入21世紀以后，軍用無人機的微型化設(shè)計趨勢催生了民用無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展，無人機地面站系統(tǒng)進入了高速發(fā)展的時代[3]。

由于無人機的特點適用于各行各業(yè)，催生了地面站應(yīng)用場景的研究。蔡偉杰[4]研究了一種面向農(nóng)業(yè)植保智能化作業(yè)的無人機地面站，設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能化農(nóng)田作業(yè)的自動航線生成算法，降低了農(nóng)田作業(yè)規(guī)劃的難度，量身定做了簡單易用的農(nóng)業(yè)植保無人機地面站；石秀[5]研究了一種基于高速公路違章檢測的無人機地面站，實現(xiàn)了高速公路違章檢測向更智能化發(fā)展，檢測結(jié)果更加準確；任旭東[6]研究了一種面向城市道路巡檢的無人機地面站，實現(xiàn)無人機對城市目標路段的快速巡檢，同時基于無人機視頻實現(xiàn)對車輛的檢測與車流量統(tǒng)計，并科學(xué)合理地設(shè)計與實現(xiàn)軟件的通信、界面呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲機制；徐悅[7]研究了一種用于河道巡檢的無人機地面站系統(tǒng)，提出一種河道巡檢系統(tǒng)方案，實現(xiàn)對河道偷排偷放現(xiàn)象的有效監(jiān)管；陳鍇等[8]研究了一種用于橋梁病害檢測的無人機地面站，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點，采用柵格法設(shè)計基于混合策略的全覆蓋路徑規(guī)劃算法，提升了無人機橋梁病害檢測的自動化水平；許家浩等[9]研究了一種基于無人機電力線路巡檢的多功能地面站，實現(xiàn)了輸電桿塔自動定位、精確辨識、巡檢過程數(shù)據(jù)自動處理，有效提高了輸電無人機的應(yīng)用水平；周超等[10]研究了一種面向民航無線電監(jiān)測的無人機地面站系統(tǒng)，將無線電信號側(cè)向定位功能融入地面站系統(tǒng)，實現(xiàn)單人對無人機的控制和無線電的監(jiān)測。除了這些方面，還有其他應(yīng)用場景，比如科考研究、氣象探測、警用消防、公共安全等方面。未來無人機地面站系統(tǒng)會愈加趨于專門化，滿足各種人群，適應(yīng)各種應(yīng)用場景。

2 民用無人機地面站的組成及分類

2.1 無人機地面站的組成

無人機地面站有單點地面站和多點地面站，通常使用的民用無人機地面站都是單點地面站，一般由一到多人值守，包括有技術(shù)員、場務(wù)人員、后勤員、通信員、指揮員等。民用無人機地面站由硬件和軟件組成。

2.1.1 硬件構(gòu)成

地面站的硬件部分是地面操作人員與無人機進行直接交互的媒介，包括遙控器、旋鈕開關(guān)和無線數(shù)圖傳等，如圖1所示。

圖1 地面站硬件構(gòu)成

由于民用無人機大部分都需要在室外作業(yè)及執(zhí)行飛行任務(wù)，因此無人機地面站一般都采用高分辨率，日光下可見的高性能顯示屏。顯示層的主要功能見表1。

表1 顯示層功能

無人機的航跡飛行是通過鼠標和鍵盤在地面站軟件上進行控制的，而無人機的起降與飛行一般采用搖桿操縱。遙控器除操縱無人機起降與飛行之外，還控制無人機的云臺。操作層主要實現(xiàn)以下兩部分功能，見表2。

表2 操作層功能

通訊層，就是利用遙控發(fā)射天線和遙測接收天線來完成地面站與無人機之間的通信連接。通過發(fā)射天線，地面操作人員使用遙控器或者地面站軟件將對無人機控制命令傳達到無人機，無人機的相關(guān)飛行信息與航跡信息則通過遙測接收天線回傳到地面站，在顯示界面展現(xiàn)，供地面人員觀察使用，示意圖如圖2所示。

圖2 通訊層工作示意

2.1.2 軟件構(gòu)成

地面站組成的另一重要部分是軟件部分。地面操作人員通過地面站的硬件設(shè)備來與地面站軟件進行交互，達到對無人機本身的一系列操縱、監(jiān)控和信息顯示，以保證無人機的安全飛行和飛行任務(wù)的有效完成。

地面站軟件結(jié)構(gòu)主要分為修改與顯示無人機狀態(tài)、關(guān)鍵報警信息和地理信息與任務(wù)規(guī)劃三部分，如圖3所示。

圖3 地面站軟件構(gòu)成

無人機地面站將無人機返回的信息進行實時采集、存儲與顯示，供地面人員對無人機的飛行狀態(tài)進行全方位把控，針對一些可能出現(xiàn)的意外狀況，提供關(guān)鍵信息報警，警示地面操作人員做好應(yīng)急預(yù)案。

無人機地面站的任務(wù)規(guī)劃是實現(xiàn)智能化控制無人機的重要功能。地面人員根據(jù)實際航線與設(shè)定的航線來判斷飛行任務(wù)狀態(tài)，當(dāng)遇到特殊不可抗力因素時，可重新規(guī)劃航線或者直接通過地面站軟件控制無人機切換控制模式或者返航，緊急時候也可選點場外迫降。

無人機與地面站之間工作過程如圖4所示：

圖4 無人機與地面站之間工作過程

2.2 無人機地面站的分類

2.2.1 根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜程度

無人機地面站可根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度進行分類，分為便攜式地面站、易部署式地面站和分布式地面站。便攜式地面站如深圳華之翼公司的T21、T30型地面站，深圳科比特公司的小霸王II型地面站；易部署式地面站如成都縱橫公司的專業(yè)航測無人機地面站系統(tǒng)；分布式地面站如車載無人機地面站和戰(zhàn)術(shù)無人機地面站具體見表3。

表3 無人機地面站復(fù)雜程度分類

2.2.2 根據(jù)適用范圍

根據(jù)適用范圍分類，無人機地面站可分為消費級地面站和專業(yè)級地面站。消費級地面站以大疆創(chuàng)新公司的產(chǎn)品為代表，如DJI GS PRO型地面站，而專業(yè)級地面站主要用于測繪、巡檢等應(yīng)用，如哈瓦國際航空公司的GCS-22EX型地面站，具體見表4。

表4 無人機地面站適用范圍分類

3 無人機地面站的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信技術(shù)

為保證無人機和地面站之間能夠?qū)崟r通信及正常執(zhí)行任務(wù)，無人機與地面站之間需要建立傳輸速率快、實時性好、傳輸距離遠、可靠性高的通信連接。隨著5G通信的成功商用化，近年以快速發(fā)展5G通信為研究熱點，王鵬[11]研究了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人機通信控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機與地面站超遠程信號傳輸，提高通信質(zhì)量；董明明[12]研究了基于5G通信下無人機高速公路巡檢防碰撞技術(shù)，借助5G通信技術(shù)搭建空中與地面通信網(wǎng)絡(luò)，消除了無人機在高速公路巡檢中的安全隱患，避免由于碰撞而導(dǎo)致墜地等風(fēng)險；鄧也等[13]研究了基于5G網(wǎng)絡(luò)下拓展無人機飛行控制距離的方案，在無線電傳輸?shù)臉O限距離下，將地面控制切換為5G網(wǎng)絡(luò)，可以大幅度擴展無人機飛行距離。除了地面上，還有用于海上的無人機5G通信方案，如韋定江等[14]提出了一種基于5G通信網(wǎng)絡(luò)下無人機海上搜救方案，解決了無人機海上搜救遇到的問題，提高了海上遇險目標的獲救機率。因此隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普遍化，無人機地面站在5G網(wǎng)絡(luò)通信下的運用也越來越多。通信技術(shù)中又包含抗干擾傳輸、無線圖傳和調(diào)制技術(shù)等。

（1）抗干擾傳輸技術(shù)：通信目標為對抗復(fù)雜環(huán)境存在的各種干擾，提高在通信對抗中的生存能力，采取的通信反對抗方法和體系。

（2）無線圖傳技術(shù)：將正在執(zhí)行飛行任務(wù)的無人機所拍攝到的畫面，實時穩(wěn)定的傳輸?shù)降孛鏌o線圖傳遙測接收設(shè)備。無線圖傳技術(shù)依據(jù)不同調(diào)制方式分為模擬圖傳和數(shù)字圖傳。

（3）調(diào)制技術(shù)：無人機與地面站進行無線通信中，利用電磁波作為信息的載體。信息一般是待傳輸?shù)恼{(diào)制信號，其特點是頻帶較寬、頻率較低且存在相互重疊現(xiàn)象，為適應(yīng)單一信道傳輸，必須將待傳輸?shù)恼{(diào)制信號加載到高頻載波上，使要傳輸?shù)臄?shù)字信號或者模擬信號轉(zhuǎn)換成適用于信道傳輸?shù)母哳l信號。

3.2 航跡規(guī)劃技術(shù)

綜合考慮各種環(huán)境因素如氣象條件、地形地貌以及無人機自身性能后，規(guī)劃出起始點與目標點之間的最優(yōu)飛行航跡稱為航跡規(guī)劃技術(shù)。在無人機執(zhí)行飛行任務(wù)中，越優(yōu)的航跡規(guī)劃越能提高無人機的任務(wù)執(zhí)行效率。現(xiàn)有的航跡規(guī)劃多數(shù)都局限于二維的、靜態(tài)的規(guī)劃與避障，鄧葉[15]在現(xiàn)有技術(shù)局限下，提出基于人工勢場法的航跡規(guī)劃方法，將動態(tài)障礙物納入研究對象范圍構(gòu)造了速度勢場和加速度勢場，提高了航跡規(guī)劃的智能性；辛守庭等[16]研究了基于改進粒子群算法的無人機三維航跡規(guī)劃，提高了算法對無人機三維航跡的規(guī)劃成功率，且減小航跡長度；陳鵬宇[17]提出了適用于建筑密集區(qū)低空無人機航跡規(guī)劃算法，保證了無人機安全，順利通過該類型區(qū)域。因此針對航跡規(guī)劃空間的局限性和復(fù)雜性，應(yīng)用啟發(fā)式智能算法對無人機航路進行規(guī)劃是研究熱點。

3.3 電子地圖技術(shù)

電子地圖技術(shù)是以數(shù)字地圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)為處理平臺，在地面站屏幕上進行實時顯示。無人機地面站應(yīng)用電子地圖技術(shù)可以直觀地對無人機飛行信息以及飛行數(shù)據(jù)進行顯示。劉善武等[18]提出了基于GPS數(shù)據(jù)和壓縮柵格算法，彌補了柵格地圖存儲空間較大和處理時運算資源需求較多等弊端的同時，實現(xiàn)了電子地圖的快速構(gòu)建；劉尚蘭[19]研究了基于線路特征的電子地圖匹配技術(shù)，以電子地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合線路特征，實現(xiàn)地圖輔助的車輛位置估計，提高了位置估計精度和對復(fù)雜場景的適應(yīng)性。由于電子地圖的顯著特點以及直觀性，各行各業(yè)已經(jīng)在廣泛研究與應(yīng)用。電子地圖的特點如下：

（1）可以信息檢索、地圖分析和智能規(guī)劃等。

（2）地理信息可視化、信息表達多樣性和地圖載負量高。

（3）能與用戶進行交互，具有共享性。

（4）成本相對低廉、容易再版。

3.4 MAVLink協(xié)議與SBUS協(xié)議

MAVLink協(xié)議是一種適用于微型無人機與地面站 通 信 的 開 源 協(xié) 議，PIXHAWK飛 控、APM和QGroundControl地面站均使用了MAVLink協(xié)議進行通訊。由于該通信協(xié)議是開源的，缺乏足夠的安全機制，存在可能導(dǎo)致嚴重威脅和隱患的安全漏洞的問題，吳穎等[20]提出了針對MAVLink鏈路通信協(xié)議的安全分析，歸納了其常見的安全威脅和隱患；張凌浩等[21]提出一種基于MAVLink協(xié)議的無人機系統(tǒng)安全通信方案，防止了無人機與地面站通信過程中存在的惡意竊聽、篡改消息、中間人攻擊等問題，并且對無人機性能影響較小，較好地解決了MAVLink協(xié)議存在的安全漏洞。因此，由于該協(xié)議的開源性，針對其安全機制的研究是未來的主要趨勢。SBUS協(xié)議是一種串口通信協(xié)議，通常是在遙控上面使用，它的優(yōu)點是可以通過一根總線便可獲得遙控器上的多個通道的數(shù)據(jù)，從而能連接多個設(shè)備，“一站多機”的功能便是通過此協(xié)議來實現(xiàn)的。

4 民用無人機地面站發(fā)展趨勢

民用無人機地面站具有以下發(fā)展趨勢：

（1）發(fā)展長航時地面站。目前無人機地面站普遍的續(xù)航時間都在十小時以內(nèi)，如果當(dāng)在野外或者不方便直接進行充電的環(huán)境條件下執(zhí)行飛行任務(wù)時，續(xù)航時間將會是一個直接影響任務(wù)成功與否的關(guān)鍵問題。所以發(fā)展長航時地面站是一個亟待解決的問題，也是未來的發(fā)展趨勢。

（2）發(fā)展模塊級地面站。當(dāng)前多數(shù)的民用無人機地面站都是只能適配固有的無人機型號，其他型號的可能就不能連接上使用。發(fā)展研究通用模塊級地面站，可以在一定程度上避免重復(fù)研制，浪費時間與精力的問題，而且可以更好的為用戶服務(wù)，促進無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（3）發(fā)展可實現(xiàn)多無人機編隊或者虛實結(jié)合的無人機編隊飛行功能的地面站。當(dāng)前無人機地面站雖然基本能實現(xiàn)同時控制多架無人機飛行，但是利用地面站實現(xiàn)多無人機編隊飛行也是未來發(fā)展的趨勢，這樣不僅可以更好地完成飛行任務(wù)也能高效率的節(jié)省飛行時間，為用戶創(chuàng)造更高的價值。