5G网联无人机 课件5 常规无人机通信系统

5G网联无人机

（5）符长青博士常规无人机与5G网联无人机1．常规无人机的定义采用点对点通信方式的无人机就称为常规无人机或非网联无人机。由于通信技术的限制，如今民用领域的常规无人机仍面临着通信距离短、信号差等问题，严重制约着无人机行业的进一步发展。2．5G网联无人机的定义接入5G移动通信网络的无人机就称为5G网联无人机。5G蜂窝移动网数据链提供的高可靠、低时延、大带宽网络，可以代替常规无人机中的数据链路系统。常规无人机通信系统的组成常规无人机通信系统，称为无人机数据链路，包括机载数据终端和地面数据终端两部分，其主要功用是产生、传输和处理无人机遥控指令和遥测信息等数据流。

机载数据终端由射频（RF）接收机、发射机以及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制解调器组成，天线采用全向天线。地面数据终端包括天线、射频（RF）接收机、发射机和调制解调器，以及显示设备等。无人机通信系统是无人机对外联系的神经网络，采用点对点的通信方式，维系着空中的无人机与地面控制站之间的信息交换。5G网联无人机通信系统的组成“5G+无人机”可以看作是物联网最好的“搭档”之一，主要是因为5G具备超高速率、超低时延和超大带宽特性，完全能满足无人机飞行控制对无线通信高速率、低延时和大带宽的特别要求。无人机具备了5G所赋予远程通信的能力，就能极大扩展无人机的作业距离和范围，发挥更大的作用。无人机物流的定义无人机物流，也称为无人机快递是指利用低空飞行的无人机运载货物、包裹，自动快速送达目的地，以满足城乡居民的生活和工作需求。其中专门或主要承担物流业务的无人机就称为物流无人机。无人机物流发展背景（1）配送需求剧增。据国家邮政局统计数据显示：国内快递业务量连续5年保持50%的高速增长。自2017年5月以来，我国已常态化进入单日快递“亿件时代”，不断增长的业务量使得传统投递方式越来越难以满足日益增长的服务需求。（2）人力成本飙升。自2012年起，我国的适龄劳动力人口连续6年下降。伴随着人口红利的消退，快递企业开始面临人工成本高、配送难的现状。（3）服务场景复杂。在偏远山区、交通不便的农村地区，物流配送一直是个难题。有资料显示，农村地区“最后一公里”的物流成本更高，占到整个物流成本的30%，在交通运输基础设施落后的情况下，物流无人机能够凸显独特优势，提升物流网点与终端之间的流转效率。无人机物流的分类（1）支线无人机运输。采用大载重、中远距离飞行的无人机，载重量为吨级，送货飞行直线距离一般在100km~1000km左右，续航时间达数小时。其应用范围主要是跨地区的货运（采取固定航线、固定班次，标准化运营管理）、边防哨所、海岛等物资运输、以及物流中心之间的货运分拨等。（2）末端无人机配送。快递投送，无人机起飞载重在5kg~20kg左右，空中飞行直线距离一般在10km以内，单程飞行时间在15~20分钟左右。（3）无人机仓储巡检。应用无人机进行大型高架仓库，高架储区的检视和货物盘点，以及集装箱堆场、散货堆场等货栈堆场的物资盘点或检查巡视。（4）空地一体智慧物流网络。由仓储货物分拣和管理的机器人，支线与末端配送的无人机，送货无人车，智能终端，智能机场等一系列节点组成。快递企业无人机物流的发展状况对于物流领域无人技术应用的驱动力：配送需求剧增、人力成本飙升、服务场景复杂。智慧物流体系下无人机的协同将起到核心推动作用，不仅为消费者和商家带来“快”、“精”、“准”的极致服务，还将成为推进物流业发展的新动力、新路径。目前，很多电商巨头、快递企业都在布局无人机物流及研究自己的无人机物流送货技术，如顺丰、京东、淘宝、苏宁、中国邮政、中通、韵达、圆通等。无人机物流的特点现代消费者追求更便捷、更实惠的购物渠道。随着无人机物流的成熟普及，消费者购物配送成本只要1~3元，配送时效只要5~20分钟，那么送货上门就会成为第一购物方式，从而全面重构零售生态，甚至占有50％以上的零售市场。对比传统物流行业，无人机物流优势明显，前景光明，无人机物流已成为现代物流业不可或缺的基础设施，助力物流业实现跨越式发展。无人机物流的优势如下：（1）规避交通拥堵，运输快速高效。（2）减少人力使用，降低运营成本。（3）应对极端条件，摆脱高危限制。（4）执行任务灵活，对环境影响小。5G网联无人机物流网络通信需求（1）自动飞行上行速率：UL200Kbps。（2）基于高清视频人工接管上行速率：UL25Mbps（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.5m。（7）覆盖高度：100m。（8）覆盖广度：城区，城郊和农村。5G网联无人机物流应用场景在5G网联无人机承担物流工作过程中，借助5G网络大带宽传输能力，实时回传机载摄像头拍摄的视频，以便地面人员了解无人机的工作状态。同时，地面人员可通过5G网络低时延的特性，远程控制无人机的飞行路线。结合人工智能技术，无人机可以根据飞行任务计划及实时感知的周边环境情况，自动规划飞行路线。农业植保的方法（1）农技防治。主要运用抗病虫害作物选育、化肥合

理施用、合理轮作、栽培方法改进等手段消灭土

壤中的病虫害。（2）生物防治。通过引入天敌来实现病虫害防治。（3）物理防治。利用射线、热、温度等物理手段对植

物生长环境中的病虫害进行灭杀。（4）化学防治。主要是通过各种喷施机械，对农田进

行大面积化学药剂喷洒，以达到及时灭杀植物病

虫害的目的。农业植保无人机的用途和特点1．农业植保无人机的用途（1）喷洒农药。（2）喷洒叶面肥。（3）植物授粉。（4）生长识别。（5）信息监测。2．农业植保无人机的特点（1）适应能力强。（2）作业效率高。（3）作业成本低。（4）作业质量好。（5）保护人身健康和环境。5G网联无人机农业植保网络需求（1）喷洒农药上行速率：UL300Kbps。（2）农田信息监测上行速率：UL20Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.1m。（7）覆盖高度：200m。（8）覆盖广度：农村。5G网联无人机农业植保应用场景5G网联无人机农田药物喷洒或播撒草籽作业一般飞行高度10米，是农业无人机最为广泛的应用，可节省大量人力成本，提升工作效率。农田信息监测作业一般飞行高度约200米，是通过卫星遥感、云计算等技术，采集高精度的地理信息，全面了解农作物生长。基础设施及无人机基础设施巡检1．基础设施：基础设施是指为社会生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施，是用于保证国家或地区社会经济活动正常进行的公共服务系统。（1）工程性基础设施。工程性基础设施是指公路、铁路、机场、通讯、水电煤气等公共设施。（2）社会性基础设施。社会性基础设施是指教育、科技、医疗卫生、体育、文化等社会事业。2．无人机基础设施巡检：无人机对工程性基础设施，包括输电线路、输油管道、燃气输送管道、通信基站塔台、风力发电站、光伏发电站、高速公路、桥梁、铁道、河道、建筑外墙等国民经济建设基础设施的巡视检查或状态监测。其作业内容具体包括对基础设施本身的监测、对周边环境的勘探、基础设施的日常周期维护以及简单的故障排查、处理等。无人机基础设施巡检作业流程（1）制定巡检计划。（2）无人机飞行巡检。（3）故障诊断与识别。（4）飞行高度和水平距离的确定。无人机基础设施巡检作业特点（1）无人机飞行平台可靠稳定，巡检作业人身安全有保障。（2）无人机携带方便，巡检作业不受地形影响，机动灵活。（3）无人机

超远控制距离，高空全局性拍摄，基础设施巡检

作业效率高、质量好。（4）

先进的三轴云台相机技术，画面稳定清晰。（5）多源数据三维图像显示，高清实时画面回传，回放记录

功能齐全。（6）实现对多时相多源数据的自动对比分析和综合管理。（7）自动诊断基础设施安全隐患和故障，并自动生成故障数

据库和故障报表。（8）

抗电磁干扰。5G无人机基础设施巡检网络需求（1）业务属性：4K视频回传。（2）上行速率：UL25Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.5m。（7）覆盖高度：200m。（8）覆盖广度：基础设施范围。5G网联无人机基础设施巡检场景以电力线路巡检为例。输电线路一般位于崇山峻岭、无人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低，因蛇、蚊虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业的安全风险，亦可以360°全视角查看设备细节情况，提高巡视质量。高层建筑所面临的消防难题（1）人员密度大，逃生困难。（2）消防救援困难。云梯车高度、水炮喷射高度只有50米。（3）玻璃幕墙破拆困难。（4）消防员负重登楼救援不能超过20层。无人机高层建筑消防灭火作业流程无人机飞到火灾楼层外面空中悬停，遥控对准目标，首先用玻璃破拆枪发射高速冲击弹，击碎高层建筑上起火房间的玻璃窗，破窗后第一时间要即刻向室内被困人员抛射装有防毒面具的自救装备筒，让被困人员取出防毒面具戴上，及时逃生出来。然后无人机向室内喷洒灭火干粉，有效扑灭火焰，在一分钟内灭火面积可达100立方米。5G无人机高层建筑消防网络需求（1）业务属性：4K或8K视频回传。（2）上行速率：UL25Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.5m。（7）覆盖高度：800m。（8）覆盖广度：城市、高层建筑社区。5G网联无人机高层建筑消防场景5G网络具有高速率、低时延、大容量的特点，可以提供最高达10Gbps的网络通道，低至1ms的时延，并能承载每平方公里100万个连接，只有在5G网络的支撑下，高层建筑消防无人机才能展现出真正的“威力”。警用无人机警用无人机是指应用于公共安全监控与应急管理的无人机，承担着协助警务人员或独立完成各种警务工作，包括预防、处置、处理危害社会公共安全的各类刑事、治安和交通违章事件，打击和威慑违法犯罪人员，维持社会治安和社会安定，维护社会公平正义。（1）处理突发事件：采集现场数据，播撤传单，空中喊话，通信中继。（2）空中监控巡视。（3）禁毒侦查。（4）追踪罪犯。（5）交通管理。（6）缉私巡逻。（7）武装无人机。警用无人机的特点（1）反应快速，能迅速到达现场，位于空中观测整个事态发展（2）及时记录下事态发展过程，为事后处理提供证据。（3）在恶性暴力冲突中，无人机进入混乱区域，避免人员伤亡（4）在与歹徒的暴力对抗过程中，零风险了解歹徒实际情况。（5）在包围抓捕过程中，无人机可以高空监控包围圈内情况。（6）充当空中通信中继，保持监控地区的数据传输链路畅通。（7）从空中播撒传单，向现场群众传递正确有效信息（8）适合进行空中喊话，传递政府领导者讲话，表达警方意图（9）道路交通管理中可将道路现场视、音频实时传到指挥中心（10）在执行禁毒侦查、缉私巡逻任务时，巡航半径大、费用低廉、机动灵活，能发挥较大的作用。5G网联无人机警务治安网络需求（1）业务属性：4K或8K视频回传。（2）上行速率：UL25Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.5m。（7）覆盖高度：100m。（8）覆盖广度：城市。5G网联无人机警务治安应用场景5G网联警用无人机可实现无人机自动化巡逻，满足应急指挥、远程调度等多场景治安防范任务，能全自动进行日常巡逻作业，自动飞行+远程手动操控，自主识别目标，自主规划飞行路径、自动调整飞行姿态。可提升警务工作效率、保障警务人员安全，全面提升警务工作综合战斗力。无人机测绘

无人机测绘是综合集成无人机、遥感传感器、遥测遥控、通信、导航定位和图像处理等多学科技术，通过实时获取目标区域的地理空间信息，快速完成遥感数据处理、测量成图、环境建模及分析的理论和技术。无人机测绘作业特点由于无人机测绘作业支持低空近地、多角度观测、高分辨率观测、通过视频或图像的连续观测，形成时间和空间重叠度高的序列图像。特别是在高山峻岭地区，人工检测作业不仅效率低、难度大、危险系数高，而且检测精细度远远不够，而应用常规航空摄影（有人驾驶飞机航空测绘），则由于起降条件差、云层低，成本高，也较为困难。与卫星测绘和有人驾驶飞机航空测绘相比，无人机测绘具有以下特点。（1）成本低。（2）安全可靠。（3）灵活快捷。（4）时效性好。（5）分辨率高。5G网联测绘无人机网络能力需求（1）业务属性：激光测绘。（2）上行速率：UL100Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.1m。（7）覆盖高度：200m。（8）覆盖广度：城市、农村。5G网联无人机测绘应用场景（1）森林资源监测。（2）堆体测量。

（3）高速公路测绘。（4）文物保护。（5）考古修复。（6）土地确权。

（7）不动产登记。网络直播的定义、类型和平台网络直播指在现场随着事件的发生、发展进程同步制作和发布信息，具有双向流通过程的信息网络发布方式。其形式也可分为现场直播、演播室访谈式直播、文字图片直播、视音频直播或由电视（第三方）提供信源的直播。类型有：（1）电视网上直播。（2）视频会议直播。（3）现场视频直播。（4）网络互动直播。网络直播平台是相对较新的一个行业，国内比较知名的游戏平台有斗鱼、虎牙、战旗、熊猫等，财经类比较火的平台有新浪财经、网易财经，还有全新模式的牛人直播也很火无人机直播

无人机直播是将视频录制设备安装到无人机上，然后无人机飞到需要拍摄的现场进行拍摄，其中也包括人们平常所不能轻易到达的地方，比如荒岛、火灾区、战争区等区域进行拍摄。虚拟现实虚拟现实（VR）是指采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化虚拟环境，参与者可以借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验。虚拟现实的特征：

（1）沉浸感。（2）交互性。（3）构想性。无人机全景虚拟现实直播无人机全景虚拟现实直播是将无人机+虚拟现实（VR）用于网络直播。能及时把从空中航拍到的360度场景传输到虚拟现实（VR）装置，在测绘、抢险救灾、景区游玩、城市管理等方面都能发挥重要作用。特点有：

（1）低成本。（2）简便性。（3）超高清支持。（4）灵活机动。（5）全网覆盖、弹性伸缩。（6）直播存储、点播支持。（7）即点即播。（8）同步视频。5G网联无人机直播网络通信需求（1）图传分辨率：4K，视频回传速率：UL25Mbps。（2）图传分辨率：8K，视频回传速率：UL100Mbps（3）远程操控速率：DL600Kbps。（4）业务端到端时延：200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：0.5m。（7）覆盖高度：<100m。（8）覆盖广度：城市、旅游景点。5G网联无人机直播应用场景

VR直播与无人机的结合，带来全新的玩法，给用户一个完全不同的角度体验直播。无人机飞上天，空中自由鸟瞰。5G网联无人机高清直播组网5G视频直播采用专业级航拍无人机，支持实时回传4K或8K高清视频，通过5G网络传输，将高清视频信号传输到目的地，供人们观赏。无人机救援的定义无人机救援是指利用无人机在应急救援中“打头阵”，当有灾害发生时，第一时间快速深入灾害现场，迅速展开救援作业。从高空俯瞰地面获取灾害现场影像数据，实时将现场的视、音频信息传送到应急救援指挥中心，提供给指挥者进行灾难评估和决策。无人机还能够实现通信中继功能，快速恢复灾害现场局部通信，以及跟踪事件的发展态势，帮助应急救援指挥中心实施不间断指挥处理。无人机救援的功用1）地质灾害救援2）森林火灾救援3）群体活动应急保障4）城市应急测绘服务5）伤病员救护6）野外应急救援7）建立通讯信号基站无人机救援的特点（1）无人机灵活便捷，能够快速反应。

（2）无人机机动性强，视野广阔。（3）无人机机载设备的多样性，能满足抢险救灾中的应用需求（4）无人机体积小、成本低、易操纵、反应快、效率高。（5）无人机保障了救援工作的安全。（6）无人机对环境和气象条件有较强的适应性。（7）无人机能够实现通信中继功能，快速恢复灾难现场通信。（8）无人机在灾害或事故评估方面有明显的优势。除侦察与救援外，由于无人机低空遥感的高分辨率和高机动性是传统遥感技术所无法比拟的，因此，利用无人机开展灾害及事故评估的优势明显。5G网联无人机救援作业网络需求（1）业务属性：4K视频回传。（2）上行速率：UL25Mbps。（3）下行速率：DL300Kbps。（4）业务端到端时延：<200ms。（5）控制端到端时延：<20ms。（6）定位：<0.5m。（7）覆盖高度：100m。（8）覆盖广度：城市、农村。5G网联无人机救援应用场景我国幅员辽阔，多样的环境和气候特征使得各种自然灾害时有发生，因此，防灾预测及灾后的救援工作尤其重要。（1）可疑火点火情。（2）树木盗砍盗伐。（3）防汛防洪。（4）地震救援。无人机集群无人机集群是由一定数量的相同类型或不同类型无人机组成，它们彼此间通过无线网络等方式进行态势共享与信息交互，相互协调合作完成任务分配、航迹规划等。与单架无人机相比，无人机集群具有功能可组合、易裁剪，系统可扩展性高、鲁棒性强、适应性强等优点，因而更适合完成以下类型的任务：

（1）区域监测任务。（2）外界环境过于危险的任务。（3）有冗余性要求的任务。无人机多机编队飞行无人机多机编队飞行需要多架无人机协同运动，要求所有的无人机都有精确的定位、精确同步的时间，以及规划合理的飞行路线，同时还要应对相互间的干扰。无人机集群的特点（1）环境的自适应性。（2）响应时间的敏感性。（3）信息的高度共享。（4）任务的复杂性。（5）决策的复杂性。5G网联无人机集群网络通信需求（1）上行速率：UL1Mbps。（2）下行速率：DL1Mbps。（3）业务端到端时延：<20ms。（4）控制端到端时延：0.1ms。（5）覆盖高度：<200m。（6）覆盖广度：城市、