民用无人机产业发展动态及其在网络通信领域中的应用

天津临港园区运营服务平台2021-11-20 07:27:48


摘要

无人机技术目前正处于军民融合式高速发展的阶段,民用无人机产业已成为国际航空航天领域中最具活力的一个新兴市场。本文介绍了无人机的分类与技术特点,综述了国内外民用无人机的产业发展现状,分析了产业发展遇到的瓶颈问题及其解决对策,探讨了无人机技术在网络通信领域中的融合应用。


关键词民用无人机;航空航天;网络通信



无人机由于其不存在人体生理限制和健康损伤问题,易于执行枯燥(Dull)、危险(Dangerous)和污染(Dirty)即所谓“3D”环境下的任务,并且具有机动灵活、快速反应、搭载多类传感器、影像实时传输、综合效益高等许多优点,在军事和民用领域中的地位和作用越来越显著,其发展也面临着新的选择、转型和突破:一是在军事领域以美国为引领的向隐身、预警、格斗、深空、高速无人机方向发展;二是在民用领域广泛开拓无人机的行业应用。因此,无人机从军用到民用,正经历着与飞机、卫星、GPS等高科技装备同样的军民融合式发展之路


当前国民经济的诸多领域已显现出“无人机+行业应用”的蓬勃发展势头。例如无人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通信、气象监视、农林作业、海洋水纹监测、矿产勘探等领域应用的技术效果和经济效益非常显著。此外,无人机在灾害评估、生化探测及污染采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐、野生动物保护等方面也有着广阔的应用前景。




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无人机分类与特点


无人机作为一种有动力、可控制、能携带多种任务设备并能重复使用的无人驾驶飞行器,涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及动力推进技术等,是信息时代高技术含量的产物。无人机系统一般由飞行器平台、机载任务设备和地面系统三大部分组成。其中,飞行器平台由机体、飞控、导航、电气、动力和通信系统等构成;机载任务设备的选择取决于各行业应用需求,一般包括任务传感器、摄像系统或其它各类行业设备等;地面系统则包括起降装置、地面控制站以及检测保障设备等,是地面人员操控无人机和查看任务进展的终端。


按应用领域划分,无人机分为军用无人机和民用无人机(含行业级无人机和消费级无人机)两大类。其中,行业级(也称为工业级或商用级)无人机主要用于替代或协同人工完成各行业领域应用中的人力作业比较困难或无法实现的任务,对专业技能要求高;而消费级无人机主要用于个人航拍和娱乐,注重功能体验和操作便利性。


按技术特征划分,无人机可分为以下几类。


(1)固定翼无人机:是军用和多数行业级无人机的主流平台,其技术特点为续航能力强、飞行半径大、巡航速度快、负载能力强,但起降要求高且无法定点悬停。


(2)多轴无人机:也称多旋翼无人机,是消费级无人机的主流平台,其技术特点为起降要求低、可悬停、操控性佳、成本低,但续航时间短并且负载能力弱。


(3)无人直升机:是军民两用的飞行平台,适用于需垂直起降和自由悬停的应用场所,其续航时间、负载能力和巡航速度等指标高于多轴无人机但弱于固定翼无人机。


(4)特殊构型无人机:如复合翼、倾转旋翼、扑翼等特殊构型的无人机,兼具固定翼和旋翼的特性,性能指标一般介于旋翼类和固定翼无人机两者之间。




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民用无人机产业发展动态


随着微电子、通信、材料及能源动力等技术的迅猛发展,无人机技术及应用得到了长足的发展。据不完全统计,目前世界上30余个国家和地区已研制出了60多种无人机,计300余种型号,且已有60余个国家装备了无人机。


2.1 国外发展现状


美国是当今世界无人机技术发展的领跑者和概念制定者,也是目前最大的民用无人机应用市场,引领着国际民用无人机市场的发展。美国联邦航空局(FAA)负责美国领空的管理工作,长期以来对在美国领空使用商用无人机一直采取严格限制的政策,即除军用以外,无人机仅限警察、消防以及在学术研究等领域使用。自2008年以来,FAA就已发现小型民用无人机潜在的社会应用价值并计划将其并入国家空域,但直至2016年8月才正式颁布实施了小型商用无人机管理的第一部法规PART107,这是美国民用无人机产业发展的里程碑事件,为无人机全面进入美国航空系统铺平了道路。第二部法规预计将于2017年8月定稿,核心是“允许使用多架小型无人机进行超视距(BVLOS)飞行”,这将会对业界带来巨大的影响。同时,FAA考虑气候环境多样性等因素,在全国范围内建立了6个无人机系统试验场,甚至还为测试无人机可靠性建立了一座无人小镇,用来测试无人机碰撞、坠毁时如何减少伤害以及如何抗地磁紊乱,此举也是美国进一步发展民用无人机产业的关键步骤。美国国家航空航天局(NASA)成立了一个无人机应用中心,专门开展无人机的各种民用研究,它同美国海洋与大气局(NOAA)合作利用无人机进行天气预报、地球变暖和冰川消融等科学研究。例如NASA已联合斯坦福系统实验室(SISL)、空间技术公司(Exelis)等机构合作开发无人机空中交通管制系统(UTM)的原型产品Symphony UAS-Vue和RangeVue;NASA使用“伊哈纳”无人机进行森林大火严重程度以及灾害损失的评估工作;NASA使用“全球鹰”无人机进行对飓风和热带风暴的监视和研究工作。另外,美国AAI公司的“影子200B”民用无人机已获得了FAA授予的试验用适航证;美国海岸警卫队将同美国海关与边境保护局(CBP)计划共同使用“捕食者”无人机,用于在加勒比海及太平洋地区的执勤。近年来,亚马逊、谷歌、高通和Facebook等国际巨头纷纷采用投资收购的方式涉足民用无人机市场,涉及网络通信、智能物流等领域。国际无人机系统协会(AUVSI)近期成立了面向无人机运行的远程飞行员协会,旨在提供世界各地无人机系统的运行反馈,讨论确定无人机运行监管方面的解决方案,为FAA豁免流程提供建议,促进无人机充分融入国家空域系统(NAS)



以色列是全球范围无人机研发技术最为先进的国家之一。以色列组建了专门的民用无人机及其工作模式的试验委员会。埃尔比特(Elbit)公司开发的“赫尔姆斯450”无人机在2007年5月取得了民用证书,是以色列国内民航部门认证的第一种无人飞行器。2008年,以色列飞机工业公司(IAI)的中高空长航时“苍鹭”无人机取得了在以色列空域中执行非军事任务的证书,并与有关部门合作进行了多种民用任务的试验飞行。2012年国际无人机系统协会展会在以色列举行,展会的一个重要目的就是促进无人机的民用推广。2015年12月以色列Tactical Robotics公司成功实施了“AirMule”无人机的全自动化飞行,AirMule是一种可以垂直起降的无人机,可用于在战场或应急救灾时帮助伤员撤退,这是在“无人机医学救援”方面取得的一项积极成就。


欧洲在2006年制定了民用无人机发展线路图,之后欧盟成立了一个泛欧民用无人机协调组织,为解决最关键的空中安全与适航问题提供帮助,加快无人机的民用化步伐。2014年4月欧洲议会发布了COM(2014)207终版《可持续和安全的开放民用无人机市场》,2015年3月欧洲航空安全局发布了《无人机运行概念》,欧盟在无人机监管中最具特色的概念是“以运行为中心”方法,民用无人机融入现有航空体系必须以安全为前提。荷兰已开始在非隔离空域进行“探测与回避”系统的研究与试验。2016年10月,诺基亚宣布将为位于荷兰的首个专用测试机构提供支持,开发及测试其无人机交通流量管理系统(UTM),确保无人机能够在临近市区、人群、载人飞机以及大量物体的环境中正常使用。


韩国国土交通部于2013年规划投资1995亿韩元重点推进民用无人机研发工作,并力争到2022年投入商业运行,可用于国土和海洋监测、航空摄影、喷洒农药、转移紧急患者、搜救和气象观测等。


日本是目前唯一一个允许本国领空中有民用无人机飞行的国家,但日本的民用无人机主要用于植保领域,是世界上农用无人机喷药第一大国。2016年上半年,日本颁布了最新的无人机监管法规,禁止无人机在人口稠密的地区或机场附近飞行。



2.2 国内发展现状


我国无人机的发展及应用历程大致可分为3个阶段:第一阶段为20世纪的后40年,无人机还主要用于国防军事用途,民用市场基本还未形成。第二阶段为21世纪的前10年(军转民阶段),大量民营企业的介入使得民用无人机市场呈现出需求越来越大、产品研发快速发展的良好势头。第三阶段为2010年以来(军民融合式发展阶段),在短短几年内民用无人机行业发生了巨大变革,迎来了前所未有的发展盛世。


虽然民用无人机产业在世界各国都还处于刚起步阶段,但得益于我国发达的电子数码民用市场和完善的产业链配套,我国民用无人机的发展速度并不落后于发达国家,据不完全统计, 迄今已有无人机研发单位400余家,民用无人机产业发展可谓是如火如荼。尤其是我国的消费级无人机产业目前在国际上已处于领先水平,体现了“中国智造”的实力。虽然我国行业级无人机市场尚未像消费级无人机一样出现爆发式增长,但整体而言处于爆发前的积累阶段。互联网研究机构艾瑞咨询近日发布报告称,我国小型民用无人机市场正进入快速成长期,预计到2025年,国内市场总规模将达到750亿元人民币。


国家战略规划及政策支持层面。无人机产业已成为“航空航天高端装备”、“机器人”等国家战略发展方向的重要组成部分。例如国家重大科技研发计划如“高分辨率对地观测”、“地球观测与导航”等均将无人机装备作为其重要的观测节点或系统组成部分。2016年5月,国家发改委等多部委联合发布了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》,明确将推动人工智能技术在无人系统领域的融合应用,发展无人飞行器、无人船等多种形态的无人设备。加快消费级和行业级无人系统的商用化进程,完善无人飞行器等无人系统的适航管理、安全管理和运营机制。支持微型和轻小型智能无人系统的研发与应用,突破高性能无人系统的结构设计、智能材料、自动巡航、远程遥控、图像回传等技术。以需求为导向推进智能无人系统的应用示范,提升无人系统的智能化水平,推动在物流、农业、测绘、电力巡线、安全巡逻、应急救援等重要行业领域的创新应用。同年同月,国务院印发了《关于促进通用航空业发展的指导意见》,提出将我国低空空域范围提高到3000m,实现监视空域和报告空域无缝衔接,并指出要支持民用直升机、多用途固定翼飞机和行业级无人机等研制应用,推动制定无人驾驶航空器飞行管理规定。深圳、天津、陕西等省市地方政府也纷纷出台了相关无人机的支持政策与产业规划。例如深圳市提出了将打造“无人机之都”名片的新概念。《深圳市航空航天产业发展规划(2013-2020年)》将无人机列为发展重点,提出“无人机腾飞工程”,重点支持建设无人机产业基地。



运营监管及行业应用层面。2016年上半年基于信息技术和大数据分析的两个“无人机云系统”U-Cloud和U-care均被中国民用航空局批准试运行,无人机监管进入“云”监管时代,将为空域安全和监管提供有力保障。同年11月大疆创新也推出了无人机飞行安全系统GEO,首先在北美和欧洲地区投入使用,定位于全球飞行安全系统,后续将推出针对国内市场的无人机安全管理服务系统。近年来,我国在“无人机+各行业应用”方面的试点探索正不断深入推进。例如自2013年以来,国家电网公司已在山东、浙江等10个省市试点推广“直升机、无人机和人工协同巡检作业模式”,取得良好成效;2012年,国家海洋局已在辽宁、江苏、海南启动建设第一批海域无人机遥感监视监测基地建设,后续计划在全国11个沿海省市各建设一个无人机基地,实现我国沿海各地海域的无人化遥感监测;2016年9月,浙江安吉开通了邮政国内首条无人机邮路并成功进行了试运行,另外,国内电商及物流巨头(阿里巴巴、京东、顺丰等)也在积极布局采用无人机实现物流运输的智能化与无人化,大幅提升物流工作整体效率,降低运营成本,有效地解决山区等偏远地区配送难问题;国内的其它行业应用如农林植保领域的精准航空施药、警用安防领域的交通监控和稽查缉私、应急救灾领域的实时搜救和通信中继、气象探测领域的台风监测和雾霾预报等,在各行业主管和业务部门的协同支持下,都在基于“无人机+”的创新应用平台上获得了有益的尝试和有序的发展。


2.3 发展瓶颈及其主要对策


民用无人机产业市场方兴未艾,应用前景广阔,但也存在着“产品技术”和“运行监管”两个层面上的发展瓶颈,其核心问题是如何确保无人机飞行的安全与可控。这也是目前民用无人机只能在各行业中普遍采用孤岛式或局部区域内进行试点应用的模式,还不能真正、全面地融入国家空域系统(NAS)的首要因素。无人机飞行的安全与可控主要取决于无人机技术的创新发展和各国运行监管体系的逐步完善。


解决“产品技术”层面瓶颈问题的主要对策有:健全完善各类民用无人机产品研制技术标准规范体系和适航审查要求,实施统一的第三方产品质量监督检验认证机制,从源头把控、提高产品设计制造的质量;有效突破无人机智能化感知与规避技术、高抗干扰性测控数据链技术、高安全性新能源动力推进技术、基于地面实时状况判断的自动应急回收着陆技术等一批关键技术,大大降低因产品性能、可靠性所导致的可能发生的撞机或坠机安全风险。


解决“运行监管”层面瓶颈问题的主要对策有:各国应针对自身国家空域管理的实际情况,合理规划国家空域的分层(高空、低空)使用,设定民用无人机的飞行高度范围,逐步放宽低空空域的管辖,建立高效快捷的空域使用审批流程,规范民用无人机使用的无线电频率波段,加强对无人机操作人员的规范培训和资质审查;通过空中交通管制系统(UTM)设定各类无人机的敏感地带禁飞区,实现对无人机的目标探测以及建立反无人机系统,加强空中交通秩序管理;由政府牵头相关部门和企业,制定各类无人机的适航章程,将民用无人机纳入通用航空产业的发展与保障规划,加大对各类民用无人机飞行安全性测试的投入,以获得足够的飞行安全性测试样本数量,为无人机飞行安全性的评估及其运行监管模式的确定提供充分的试验依据。




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在网络通信领域的融合应用


3.1 空中网络覆盖


构建高空无线互联网。目前,全球不到50%的地区可以连接互联网,60%的人口无法使用网络,其中有16亿人生活在移动网络无法覆盖的偏远地区。美国Facebook公司正在研发高空太阳能无人机Aquila在监管空域以上的高度飞行(飞行高度18 km、续航时间90天),通过机载激光束和毫米波向地面站高速传输网络数据,可为传统网络设备无法抵达的偏远地区提供互联网连接,网络覆盖半径达96 km。2016年6月,Facebook互联网无人机Aquila在美国亚利桑那州成功进行了首次测试飞行。Facebook正与部分电信公司合作,部署其Express Wi-Fi项目,为偏远乡村地区提供移动宽带服务。


组建应急救灾网络。诺基亚在世界移动大会(MWC2017)上推出了4G无人机救援决策支援系统“Saving Lives”,这是一个可快速部署的4G解决方案。该系统通过其超紧凑型网络系统与航拍无人机建立连线,为灾区提供临时的LTE移动数据网路,能将航拍画面图实时传至地面控制中心,以辅助灾难救援决策。


架设高空移动基站。中国移动开展了恶劣自然环境下的应急通信保障技术的研究。2016年9月,湖南移动首次进行了无人机高空基站试验测试。高空基站采用华为4G基站设备,以无人直升机为承载平台。经测试,在半径为1.23 km的区域,可实现4G平均信号电平-74 dBm、平均下载速率7.5 Mbit/s、平均VoLTE话音质量MOS值达到3.2,用户上网及通话功能良好。


3.2 通信基站巡检


随着我国移动通信事业的快速发展,通信基站在全国覆盖面越来越广,高密度建站和巡检等工作日益增加,尤其这些新增工作大部分处于作业条件相对较差的偏远地区,如自然环境恶劣或人员稀少的山区乡村以及边疆戈壁等。


如果完全依靠传统的人工作业模式开展诸如建站选址勘察、基站天线修正和养护观察、基站的日常安防监控、基站管线巡检、网络性能测试等作业任务时,势必存在着人力成本高、作业强度大、作业风险高、检测数据不完整准确等问题,因此,上述通信基站的相关巡检作业完全可通过选择合适的无人机平台进行替代或协助人工来完成,以实现作业效率与效益的优化和提升。


3.3 基站功能扩展


2016年中国移动与爱立信合作完成了一项无人机网络测试项目,即通过基于基站本地交换的5G原型网络及多站点间的网络切换,对无人机进行实时控制测试,并实现了无人机与普通商用手机用户共享网络站点的功能。


华为提出了新型无线充电基站的概念,这是华为与中国移动合作的X-Labs项目的一部分。该无线充电基站除了提供常规的蜂窝数据信号支持外,还将为无人机提供GPS信号增强和无线充电两种功能。当然,这种基站功能扩展的实现主要取决于无线充电技术的成熟度。


FAA正在考虑借助移动通信技术来实现对所有无人机的定位。所有无人机必须装载蜂窝网络,以一定速率信报的方式向FAA设立的中央处理系统报告其位置和轨迹信息。



3.4 智慧城市服务


我国自2013年以来已确定了103个城市作为国家智慧城市试点。随着智慧城市的建设正由信息化基础设施建设向智慧应用服务逐渐转移,基于大数据分析与挖掘的城市各类智能应用服务的核心前提就是如何能快速、有效地获取各类海量数据。


无人机作为效率更高、适应多种环境更强的数据获取平台,是未来智慧城市重要的空中数据端口,可充分运用物联网、云计算、光网络、移动互联网等通信和信息技术手段,通过感测、传送、整合和分析城市运行核心系统的各项关键信息,智能响应如公众服务、社会管理等活动的各种需求。



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结 语


民用无人机的产业发展在众多行业应用需求的带动下,从平台系统到任务设备,从信息获取到信息处理与传输,从设计标准到检测规范,从试验飞行到适航管理,正在形成工业化的全产业链、价值链,成为全球航空航天产业结构转型升级以及各国经济发展的一个新的增长点。


经过多年努力,我国民用无人机产业已走出了一条具有中国特色的发展之路,取得了令世界瞩目的成就,成为我国航空技术军民融合式发展的典范,其产业发展必将带动和促进我国国民经济中跨领域的创新技术进步和行业融合应用。



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