本發明涉及一種民用無人機空中管制領域。
背景技術：
：民用無人機技術正快速發展，在越來越多的民用領域無人機的應用也越來越廣泛，有效的對空中越來越多的無人機進行管理，不僅能提高無人機執行任務的效率，也能減小無人機事故對人影響。并且目前無人機的控制系統較為成熟能保證穩定的飛行。但并沒有與民航或軍用相似的空中管理系統。一部分原因是由于相關的法律法規體系沒有建立起來，另一部分原因是目前民用無人機仍屬于發展階段，現在的使用數量還是不多。但在未來，一個無人機空管系統是很有必要的。現階段通信設備已經十分成熟，但各種通信設備也存在不足點，將不同的通信設備結合在一起的鏈路可以彌補不同設備的不足，并構成一個覆蓋范圍廣，負載能力足夠大的通信網絡，這樣的網絡作為整個空管系統基礎才能實現預期的管理效果。技術實現要素：本發明是為了解決目前沒有民用無人機空管系統，且現有通信網絡覆蓋范圍小的問題，本發明提供了一種民用無人機空管系統及采用該系統實現對無人機進行飛行控制的方法。民用無人機空管系統，它包括后臺管理控制器、局部基站和節點單元；每個節點單元對應安裝在一個無人機上，且每個節點單元對應設有一個身份id，用于標識其所屬的無人機的身份；節點單元，用于實時的與無人機上的控制器進行通信，并將獲取的無人機的飛行數據打包后，從通信鏈路發送到局部基站；局部基站，用于對其管理半徑內的每個節點單元所對應的無人機進行線路規劃和調度，還用于與后臺管理控制器進行通信，將無人機的飛行數據傳輸到后臺管理控制器的數據庫內；后臺管理控制器，用于核驗所有無人機的飛行權限，并根據核驗結果發送基站控制幀對局部基站進行管控。所述的通信鏈路包括3g/4g網絡、mesh網絡、uhf無線射頻通信網絡。所述的當局部基站的管理半徑內節點單元的數量大于或等于3時，局部基站將其管理半徑內任意一節點單元預警范圍內的其它節點單元的id發送至所述任意一該節點單元，并通過mesh網絡建立路由表，所述任意一節點單元直接接收其預警范圍內的其它節點單元的位置信息。所述的節點單元與其所屬局部基站的距離大于其所屬局部基站的管理半徑的2/3時，節點單元通過uhf無線射頻通信網絡與其所屬局部基站進行通信。當無人機在城鎮區域作業時，使用3g/4g網絡與局部基站進行通信。當無人機遇到緊急情況時，無人機上的節點單元發送緊急通信幀，使局部基站及時處理緊急情況，且緊急通信幀在通信鏈路中的傳輸優先級最高。當無人機跨越兩個局部基站的管理區時，兩個局部基站通過后臺管理控制器交換無人機的飛行數據。采用所述的民用無人機空管系統實現對無人機進行飛行控制的方法，該方法包括如下步驟：首先，每個局部基站以固定周期發送基站廣播幀，處于準備起飛狀態的無人機上的節點單元接收基站廣播幀，從該基站廣播幀中獲取局部基站的id和位置信息，使得處于準備起飛狀態的無人機與其所屬的局部基站建立通信關系；其次，準備起飛狀態的無人機上的節點單元向其所屬的局部基站發送注冊請求幀，其所屬的局部基站接收到注冊請求幀后，向后臺管理控制器請求處于準備起飛狀態的無人機的信息，后臺管理控制器對接收的信息核對權限后，向準備起飛狀態的無人機發送控制幀；準備起飛狀態的無人機上的節點單元通過局部基站接收后臺管理控制器發出的控制幀，并通過該節點單元解析控制幀中無人機是否被允許起飛的信息，當被告知允許起飛時，準備起飛狀態的無人機進行起飛，并根據其所屬的局部基站發出的指定任務，自主導航至局部基站指定的高度和位置范圍，向目標飛行，無人機在飛行期間以設定的頻率向局部基站報告無人機的飛行參數，任務完成后，無人機降落至指定位置，從而完成了對無人機的飛行控制。對于航線有重疊的兩架無人機，局部基站根據無人機的優先等級制定避讓策略，并向后臺管理控制器的操作人員發送預警和警告信息。本發明帶來的有益效果是，無人機上攜帶的空管節點單元與無人機控制器物理層面上獨立，兩者之間使用有線總線進行數據通信，無人機上的控制器可采用某種容錯控制(如fdi控制器)，并將無人機狀態及時的周期性的傳輸給節點單元，當無人機飛行狀態出現異常時，節點單元可以將異常發送給局部基站。節點單元與局部基站通信方式多樣化。節點單元與局部基站之間具備三種物理層通信鏈路，分別是3g/4g網絡、mesh網絡(如zigbee等)、uhf無線射頻通信、可以根據不同的應用場合切換合適的方式，3種不同的通信方式結合在一起的鏈路，可以彌補不同通信網絡的不足，并構成一個覆蓋范圍廣，負載能力足夠大的通信網絡，網絡覆蓋范圍擴大了30％以上。附圖說明圖1為本發明所述的無人機空管系統的原理示意圖；圖2為局部基站和節點單元間進行通信的原理示意圖。具體實施方式具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的民用無人機空管系統，它包括后臺管理控制器1、局部基站2和節點單元3；每個節點單元3對應安裝在一個無人機上，且每個節點單元3對應設有一個身份id，用于標識其所屬的無人機的身份；節點單元3，用于實時的與無人機上的控制器進行通信，并將獲取的無人機的飛行數據打包后，從通信鏈路發送到局部基站2；局部基站2，用于對其管理半徑內的每個節點單元3所對應的無人機進行線路規劃和調度，還用于與后臺管理控制器1進行通信，將無人機的飛行數據傳輸到后臺管理控制器1的數據庫內；后臺管理控制器1，用于核驗所有無人機的飛行權限，并根據核驗結果發送基站控制幀對局部基站2進行管控。本實施方式，無人機上攜帶的空管節點單元與無人機控制器物理層面上獨立，兩者之間使用有線總線進行數據通信，無人機上的控制器可采用某種容錯控制如fdi控制器，并將無人機狀態及時的周期性的傳輸給節點單元，當無人機飛行狀態出現異常時，節點單元可以將異常發送給局部基站。通信可采用特定的幀協議格式，以保證系統可以對足夠多數量的無人機進行有效的監控。具體實施方式二：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，所述的通信鏈路包括3g/4g網絡、mesh網絡、uhf無線射頻通信網絡。本實施方式，節點單元與局部基站通信方式多樣化。節點單元與局部基站之間具備三種物理層通信鏈路，分別是3g/4g網絡、mesh網絡(如zigbee等)、uhf無線射頻通信、可以根據不同的應用場合切換合適的方式，比如在城鎮區域可以使用3g/4g移動網絡，在移動網絡信號不佳且航程較近的情況下采用mesh網絡，在距離局部基站較遠的情況下使用uhf射頻通信。對于距離基站較近的無人機可采用mesh網絡(如zigbee等)進行傳輸數據，這種網絡的拓撲結構可以實現較多無人機的管理，網絡中距離基站較近通信狀況較好的節點根據負載情況自適應的作為協調器接收來自其它節點的數據并轉發給基站，這樣不僅可以一定程度上的擴展基站的管理區域，也減輕了基站對并發接收事件處理的壓力。具體實施方式三：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，所述的當局部基站2的管理半徑內節點單元3的數量大于或等于3時，局部基站2將其管理半徑內任意一節點單元3預警范圍內的其它節點單元3的id發送至所述任意一該節點單元3，并通過mesh網絡建立路由表，所述任意一節點單元3直接接收其預警范圍內的其它節點單元3的位置信息。具體實施方式四：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，所述的節點單元3與其所屬局部基站2的距離大于其所屬局部基站2的管理半徑的2/3時，節點單元3通過uhf無線射頻通信網絡與其所屬局部基站2進行通信。具體實施方式五：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，當無人機在城鎮區域作業時，使用3g/4g網絡與局部基站2進行通信。具體實施方式六：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，當無人機遇到緊急情況時，無人機上的節點單元3發送緊急通信幀，使局部基站2及時處理緊急情況，且緊急通信幀在通信鏈路中的傳輸優先級最高。具體實施方式七：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的民用無人機空管系統的區別在于，當無人機跨越兩個局部基站2的管理區時，兩個局部基站2通過后臺管理控制器1交換無人機的飛行數據。本實施方式中，和相關的策略等用于調度的信息。管理核心上記錄著全部注冊飛行器的權限數據和一定時間內的飛行數據，方便相關部門對飛行記錄的查詢等。具體實施方式八：參見圖1說明本實施方式，本實施方式采用具體實施方式一所述的民用無人機空管系統實現對無人機進行飛行控制的方法，該方法包括如下步驟：首先，每個局部基站2以固定周期發送基站廣播幀，處于準備起飛狀態的無人機上的節點單元3接收基站廣播幀，從該基站廣播幀中獲取局部基站2的id和位置信息，使得處于準備起飛狀態的無人機與其所屬的局部基站2建立通信關系；其次，準備起飛狀態的無人機上的節點單元3向其所屬的局部基站2發送注冊請求幀，其所屬的局部基站2接收到注冊請求幀后，向后臺管理控制器1請求處于準備起飛狀態的無人機的信息，后臺管理控制器1對接收的信息核對權限后，向準備起飛狀態的無人機發送控制幀；準備起飛狀態的無人機上的節點單元3通過局部基站2接收后臺管理控制器1發出的控制幀，并通過該節點單元3解析控制幀中無人機是否被允許起飛的信息，當被告知允許起飛時，準備起飛狀態的無人機進行起飛，并根據其所屬的局部基站2發出的指定任務，自主導航至局部基站2指定的高度和位置范圍，向目標飛行，無人機在飛行期間以設定的頻率向局部基站2報告無人機的飛行參數，任務完成后，無人機降落至指定位置，從而完成了對無人機的飛行控制。本實施方式中，(1)空管節點單元通用化。無人機控制器與空管節點單元物理層面獨立，通過某種標準數據總線遵循特定的協議進行數據交換，以獲取無人機的位置、姿態信息和飛行狀態，并把來自基站的調度信息傳輸給控制器。(2)通信系統結構(見圖2)及鏈路切換策略。當無人機距離局部基站較遠時采用uhf射頻通信方式，當無人機在基站mesh網絡(如zigbee等類似網絡)信號范圍內時，通過mesh網絡進行數據交換，并且如果該范圍內無人機數量較多，在某一無人機的預警范圍內的所有無人機將通過mesh網絡自組織路由，并根據各無人機的位置信息、高度信息，在沒有基站介入的情況下，快速完成路線規劃，完成規避。(3)局部基站的作用。無人機根據操控方式的不同可分為兩種。一種是有人操控，操作員實時的觀測并控制無人機當前飛行狀態。特點是穩定性高，可以有人干預的處理異常情況，但航線不確定。另一種是無人機全自主的完成某項任務。該種方式有人干預較少，特點是航線目的地已知，方便路徑規劃，無人機有一定的自導航能力，但可能無法有效的處理異常狀態。局部基站對在基站信號覆蓋范圍內的無人機的起降進行注冊記錄，并實時的接收各個無人機的位置、高度信息。將可能發生碰撞或進入禁飛區的無人機相關信息及時發送給該無人機的操作員，或命令無人機控制器進行規避動作。(4)后臺管理控制器(1)記錄全部無人機的飛行權限，禁飛區數據和無人機相關信息(所屬者，歸屬地，國籍等)，并決定無人機能否起飛。具體實施方式九：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式八所述的民用無人機空管系統的區別在于，對于航線有重疊的兩架無人機，局部基站(2)根據無人機的優先等級制定避讓策略，并向后臺管理控制器(1)的操作人員發送預警和警告信息。本實施方式中，通信可采用特定的幀協議格式，以保證系統可以對足夠多數量的無人機進行有效的監控。(1)基站廣播幀的具體形式可為：內容幀頭幀標識時間戳基站id基站信息校驗位字節數2字節2字節4字節8字節16字節2字節功能：基站周期性向外廣播該幀，向無人機節點單元發送基站的坐標信息、通信頻段的使用情況等，無人機在起飛和降落的時候需根據該廣播幀向該基站發送注冊或注銷指令，當無人機跨越兩個基站的管理范圍時無人機上節點單元可以根據基站的坐標信息和信號強度(如mesh網絡的rssi值)決定在哪個基站注冊，并接受該基站的預警控制等信息。(2)節點數據幀內容幀頭幀標識路由段id長度通信類型數據段校驗位字節數2字節2字節8字節8字節1字節3字節2～24字節2字節功能：通信類型不同對應不同功能。(a)節點向基站發送飛機的狀態，包括當前時間戳、能源狀態、gps的定位信息、位置信息的可信度、導航坐標系下無人機速度、無人機故障狀態和目標地坐標信息等。(b)節點向基站發送注冊、注銷請求，請求禁飛區和路由數據等。注冊信息需要包含無人機的控制狀態(是否有人控制)和目標坐標。(c)在路由模式下除可實現上述兩點功能外，數據段包含無人機的飛行等級(由無人機的功能和任務決定)，路由段為發送的目標id(可以為基站也可以為節點)，可在正常飛行狀態發生航線重疊情況下，由mesh網絡路由傳輸到目標，并由飛行等級低的飛機做出避讓。(3)緊急通信幀內容幀頭情況標識id校驗位字節數2字節1字節8字節2字節功能：當無人機遇到緊急情況時，如發生動力設備損壞，能源不足，外界干擾等，節點單元立即向基站發送該幀，該幀在鏈路層的傳輸優先級最高，使基站可以及時的處理緊急情況。(4)基站控制幀功能：基站對無人機的調度控制，對于有人操作無人機，該幀為預警或警告信息。在注冊時，該幀返回給無人機起飛權限。當前第1頁12