航空無人機飛行管控系統(tǒng)設(shè)計

通用航空無人機飛行管控輟設(shè)計

引言

本文旨在結(jié)合中國民航最新政策法規(guī)，設(shè)計一種無人機飛行管控系統(tǒng)“G-Cloud”，可以直接對無人機的位置、高度、

速度等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測；利用互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的手段，將海量的文字及數(shù)據(jù)信息通過系統(tǒng)終端直觀呈現(xiàn)。系統(tǒng)使用雷

達實現(xiàn)對活動目標自動跟蹤監(jiān)測、并結(jié)合視頻監(jiān)控實現(xiàn)安防系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)主要功能包括：單個

或多個目標自動探測、跟蹤運動目標、區(qū)域報警設(shè)置、智能自動值班、目標軌跡、信息回放、目標自動識別等。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如下圖所示，G-Cloud由機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備、低空監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控中心、工作終端四大部分組成：

1.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備

機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備含定位模塊、無線通訊模塊及ADS-B模塊。無人機飛行過程中，定位模塊會按一定頻率接收定

位衛(wèi)星下發(fā)的最新位置信息，然后機載盒體會通過無線通訊及ADS-B兩種方式實時向監(jiān)控平臺實時提交最新位置信息。

1.2低空監(jiān)測設(shè)備

低空監(jiān)測設(shè)備包括安裝在監(jiān)控現(xiàn)場的低空監(jiān)控雷達和監(jiān)控攝像機。

低空監(jiān)控雷達：雷達對探測區(qū)域內(nèi)的無人機等活動目標進行搜索、獲取目標的位置，方向，速度等信息，并定時

上報給雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

監(jiān)控攝像機：安裝在現(xiàn)場的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機，監(jiān)控中心能夠根據(jù)雷達探測追蹤目標控制攝像頭旋轉(zhuǎn)角度，對目標

進行攝像；并將目標的視頻數(shù)據(jù)傳送給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。

1.3監(jiān)控平臺

監(jiān)控中心由管理主機、機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、Web服務(wù)器、APP接

口服務(wù)器、視頻存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，是整個系統(tǒng)的核心部分。監(jiān)控中心采集雷達定時發(fā)送的目標監(jiān)測數(shù)據(jù)、

根據(jù)目標的經(jīng)緯度，方向，速度，將活動目標的運動軌跡在地圖上顯示，并控制攝像機的旋轉(zhuǎn)，對報警目標進行拍攝，

同時進行大屏幕播放。監(jiān)控中心將雷達數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。監(jiān)控中心為安保人員提供

web、手機APP、現(xiàn)場大屏幕等展示接口。

機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負責采集無人機定時上報的經(jīng)緯度、高程、時間等數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負責采集雷達定時發(fā)送的目標監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)包括目標x坐標、目標y坐標、目標z

坐標、目標方位角、目標絕對速度、目標距離、目標批號、數(shù)據(jù)周期等，同時將雷達數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：負責控制攝像機，對報警目標進行攝像，并接收攝像機實時傳送的視頻數(shù)據(jù)，傳送到大屏

幕播放，同時將視頻文件存入視頻存儲設(shè)備。

Web服務(wù)器：Web服務(wù)器負責整個監(jiān)控平臺系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)展示，是整個平臺的展示窗口。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖

APP接口服務(wù)器：APP接口服務(wù)器將現(xiàn)場報警信息推送到安保人員的手機APP上，安保人員可以通過手機APP

查看現(xiàn)場報警信息。

視頻存儲設(shè)備：存儲攝像機拍攝的視頻文件。目前視頻存儲有三種成熟的解決方案：存儲服務(wù)器方案、IP-SAN方

案、云存儲方案。存儲服務(wù)器方案擴展比較困難，云存儲方案成本比較高，本系統(tǒng)采用IPSAN方案，IP-SAN方案具體

介紹見數(shù)據(jù)存儲方案設(shè)計章節(jié)。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)采集、處理服務(wù)器提供共享存儲空間和內(nèi)容一致性的存儲區(qū)域，存儲大量雷

達監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用主從同步，讀寫分離方式存儲數(shù)據(jù)。

管理主機：監(jiān)控整個系統(tǒng)服務(wù)器運行狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)性能。

1.4工作終端

工作終端包括安保人員使用的電腦和手機、大屏幕顯示終端、聲光報警終端。工作人員可以通過前端電腦瀏覽器

登錄，管理整個系統(tǒng)，實時了解到現(xiàn)場監(jiān)控情況；報警信息也會實時推送到工作人員手機上；另外大屏幕實時播放監(jiān)控

現(xiàn)場視頻。

2系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

G-Cloud平臺軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)采集層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層、信息展示層等六

層。該系統(tǒng)采用組件式結(jié)構(gòu)，靈活方便，并有良好的通用性和可擴展性。基于該模型可迅速組建各種應(yīng)用模式的無人機

監(jiān)管解決方案。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2.1物理層

物理層包括監(jiān)控雷達、監(jiān)控智能網(wǎng)絡(luò)攝像機、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、聲光報警設(shè)備以及服務(wù)器等物理硬件設(shè)備，是整個

系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括WLAN/LAN、3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)、WIFI等通信方式，監(jiān)控雷達、監(jiān)控攝像機與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通過

WLAN/LAN通信，監(jiān)控中心與安保人員手機APP通過3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括雷達數(shù)據(jù)采集、光電數(shù)據(jù)采集等。數(shù)據(jù)層為應(yīng)用支撐層提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層包括地圖引擎、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、視頻解碼、數(shù)據(jù)庫等。應(yīng)用支撐層主要依賴地圖、活動目標的

參數(shù)，預(yù)測目標運行軌跡，為應(yīng)用層提供功能基礎(chǔ)。

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層包括、實時監(jiān)控、實時報警、目標跟蹤、目標軌跡回放、目標流量監(jiān)測、自動值班功能、視頻目標識別、

抓拍功能、報警區(qū)域設(shè)置、目標地圖顯示、視頻播放、日志管理、用戶管理、歷史報警、攝像頭運轉(zhuǎn)情況、雷達運轉(zhuǎn)狀

況、軌跡回放、角色管理、設(shè)備管理、分時報警統(tǒng)計、區(qū)域報警統(tǒng)計、目標類型統(tǒng)計、目標趨勢統(tǒng)計等功能，具體可見

下一節(jié)系統(tǒng)功能。

2.6展示層

展示層包括web界面展示、手機APP展示、中心大屏幕展示；監(jiān)控管理人員可以通過web界面、中心大屏幕，

便捷了解監(jiān)控現(xiàn)場的實時情況、并可以對系統(tǒng)進行設(shè)置。

2.7依賴和規(guī)則

雷達和光電的綜合安防系統(tǒng)依賴現(xiàn)場地圖，并遵守視頻標準、以及第三方協(xié)議等。

3系統(tǒng)工作流程

3.1機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程

機載數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作流程流程主要包含機載數(shù)據(jù)接收及處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)

流程圖如下圖所示：

3.2機載數(shù)據(jù)處理流程

第三方膜協(xié)議

wsm*大屏?卷示丁凱3

應(yīng)用層

監(jiān)控系統(tǒng)

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放溫

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應(yīng)用支撐層

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圖2分層結(jié)構(gòu)圖

飛行中的無人機實時將最新位置及飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)上報給機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù),

并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；過程中如果需要報警，機載數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像

機，打開攝像機對目標進行攝像，同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器，APP服務(wù)器將報警信息推送到安

保人員手機上。

3.3視頻數(shù)據(jù)處理流程

攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕，同時保存到視頻

存儲設(shè)備上；安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

3.4監(jiān)控流程

安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況，安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向攝像機發(fā)出設(shè)置指令，指令通過

光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給攝像機。

3.5地面雷達及光電工作流程

主要包含雷達數(shù)據(jù)處理流程、視頻數(shù)據(jù)處理流程、以及監(jiān)控流程等。系統(tǒng)流程圖如下圖所示：

3.6監(jiān)控雷達數(shù)據(jù)處理流程

安裝在現(xiàn)場的監(jiān)控雷達實時將活動目標數(shù)據(jù)上報給雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù)，并

將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；如果發(fā)現(xiàn)報警目標，雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)送指令給攝像機，

打開攝像機對目標進行攝像，同時發(fā)送報警信息給聲光報警設(shè)備和APP服務(wù)器，APP服務(wù)器將報警信息推送到安保人

員手機上。

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圖3系統(tǒng)流程圖圖4系統(tǒng)流

3.7視頻數(shù)據(jù)處理流程

攝像機將現(xiàn)場視頻上傳給光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將視頻發(fā)送給現(xiàn)場大屏幕，同時保存到視頻

存儲設(shè)備上；安保人員可以通過光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將攝像機設(shè)置參數(shù)發(fā)送給攝像機。

3.8盛控流程

安保人員通過監(jiān)控前臺查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況，安保人員也可以通過監(jiān)控前臺界面向雷達和攝像機發(fā)出設(shè)置指令，指

令通過雷達數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、光電數(shù)據(jù)處理服務(wù)器傳送給監(jiān)控雷達或者攝像機。

4總結(jié)

G-Cloud能夠?qū)崿F(xiàn)無論在辦公室還是室外，隨時通過電腦、手機端管理和監(jiān)視各類型無人機；有效