5G在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來隨著無人機(jī)市場(chǎng)的興起，無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)逐漸成熟，其攜帶的載荷種類不斷擴(kuò)展，應(yīng)用場(chǎng)景逐漸豐富。5G具有高寬帶、海量連接、低時(shí)延、高可靠的特點(diǎn)，能夠有力支撐無人機(jī)在執(zhí)行軍事、農(nóng)業(yè)、電力、應(yīng)急救援等多類型任務(wù)時(shí)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求。無人機(jī)與5G融合發(fā)展的需求與趨勢(shì)已經(jīng)有目共睹，本文將梳理5G在無人機(jī)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，分析可能存在的問題，總結(jié)并預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。

01

5G在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

低空監(jiān)管

搭載高清相機(jī)、喊話器等載荷的無人機(jī)通過5G網(wǎng)絡(luò)接入指揮中心可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的實(shí)時(shí)顯示與統(tǒng)一調(diào)度，遠(yuǎn)程監(jiān)視并管控空域、海域、公路等。同時(shí)在5G網(wǎng)絡(luò)的支撐下，基于人工智能的實(shí)時(shí)航線規(guī)劃、智能起降管理、智能探測(cè)與避讓等技術(shù)為實(shí)現(xiàn)低空空域智慧管控提供了重要支撐。2021年4月，布魯塞爾機(jī)場(chǎng)與空中交通管制和管理公司Skeyes成功測(cè)試了基于機(jī)場(chǎng)5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)監(jiān)視用例，測(cè)試中無人機(jī)遠(yuǎn)程回傳的空域高清視頻圖像為飛機(jī)起飛調(diào)度提供了依據(jù)。2022年4月，南京海事局啟動(dòng)了“5G+無人機(jī)”海事監(jiān)管創(chuàng)新試驗(yàn)，開展了多架次固定翼無人機(jī)低空飛行試驗(yàn)，通過智慧無人機(jī)管理平臺(tái)遠(yuǎn)程控制無人機(jī)按照設(shè)定航線自動(dòng)飛行，利用5G網(wǎng)絡(luò)將海事監(jiān)管數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，供指揮中心實(shí)時(shí)判斷分析。

物流配送

無人機(jī)物流配送已成為國內(nèi)外各大物流公司實(shí)現(xiàn)降本增效的新業(yè)務(wù)增長點(diǎn)。利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延特性一方面可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)狀態(tài)及拍攝視頻的實(shí)時(shí)回傳，另一方面地面人員可以遠(yuǎn)程控制無人機(jī)的飛行路線。2020年8月，韻達(dá)公司在浙江省桐廬縣完成了韻達(dá)X470無人機(jī)的首次載貨飛行，在16分鐘時(shí)間內(nèi)完成了直線距離10公里的飛行與送貨，其中5G網(wǎng)絡(luò)提供了全程的管控支持。2023年3月，德國電信宣布將建設(shè)5G專網(wǎng)并測(cè)試其支撐物流無人機(jī)可靠傳輸傳感器、圖像及飛行數(shù)據(jù)的能力。

電力巡檢

無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢、基站巡檢等過程中，利用5G大上行帶寬可將其搭載的高清相機(jī)、紅外相機(jī)、夜視相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)服務(wù)器中，利用人工智能等算法進(jìn)行分析，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)故障，降低了人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了巡檢效率。2019年4月，南方電網(wǎng)廣東東莞供電局在全國率先實(shí)現(xiàn)“5G無人機(jī)+程序化操作”，依托中國聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)高清視頻回傳到主控室，將巡檢耗時(shí)由30分鐘縮短至5分鐘。2022年10月，中國電信與湖北電力共同搭建了融合電力5G短切片專網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能巡檢、自動(dòng)識(shí)別安全隱患的同時(shí)，保障了數(shù)據(jù)傳輸通道的安全性。

農(nóng)業(yè)植保

農(nóng)林植保無人機(jī)是工業(yè)無人機(jī)發(fā)展最快、前景最廣闊的方向之一。5G與農(nóng)林植保無人機(jī)相結(jié)合，可以將農(nóng)田的環(huán)境動(dòng)態(tài)以及作物的實(shí)時(shí)情況通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳高清視頻流進(jìn)行監(jiān)控，并將人力從噴灑農(nóng)藥、種子播撒等高強(qiáng)度的勞作中解放出來。2021年在四川涼山金陽縣蘆稿鎮(zhèn)青花椒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，植保無人機(jī)已經(jīng)能夠通過5G網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴灑農(nóng)藥，1分鐘就能完成2畝地作業(yè)，效率是人工作業(yè)的20倍。

視頻直播

無人機(jī)搭載全景相機(jī)進(jìn)行360度全景拍攝，依托5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低時(shí)延的特性實(shí)時(shí)傳輸4K等超高清直播視頻，可以讓遠(yuǎn)程用戶獲得實(shí)時(shí)、沉浸式的觀看體驗(yàn)。2018年5月，搭載5G通信模組的無人機(jī)在上海虹口北外灘成功演示了基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人能及全景4K高清視頻直播。同年，日本電商巨頭樂天公司在“智能體育場(chǎng)”項(xiàng)目中演示了利用5G技術(shù)傳輸無人機(jī)拍攝的8K虛擬現(xiàn)實(shí)視頻。在2019年世園會(huì)上，中國移動(dòng)與華為合作推出了5G無人機(jī)VR旅游。后續(xù)云南、廣西等多地也都利用5G+無人機(jī)VR視頻直播的方式有力支撐了疫情時(shí)代下的旅游經(jīng)濟(jì)。

應(yīng)急救援

無人機(jī)在自然災(zāi)害、公共事件發(fā)生時(shí)可以快速響應(yīng)，利用5G網(wǎng)絡(luò)回傳實(shí)時(shí)圖像，輔助第一時(shí)間查明災(zāi)害事故的關(guān)鍵因素。在災(zāi)后救援工作中，無人機(jī)搭載通信基站進(jìn)行災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信覆蓋，能夠觸發(fā)受災(zāi)被困人員換手機(jī)接入機(jī)載基站網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員通信設(shè)備的主動(dòng)定位，確認(rèn)被困人員的位置及身份信息，結(jié)合5G實(shí)時(shí)回傳的圖像以及AI技術(shù)，有助于救援人員針對(duì)性地開展?fàn)I救工作。2021年7月鄭州特大暴雨搶險(xiǎn)中，中航無人機(jī)公司的翼龍2型平臺(tái)搭載中國移動(dòng)基站搭建了空天地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)，為受災(zāi)群眾提供了長達(dá)5個(gè)小時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。2022年8月重慶山火搶險(xiǎn)救援中，12架5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)在3天時(shí)間內(nèi)完成了超過520平方公里的森林巡查，通過中國移動(dòng)的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳畫面，指揮中心發(fā)現(xiàn)3處火點(diǎn)并及時(shí)拋投阻燃劑成功阻止了山火的蔓延。

集群作戰(zhàn)

利用5G等先進(jìn)通信技術(shù)構(gòu)建無人集群化作戰(zhàn)體系是近年來國內(nèi)外的關(guān)注熱點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)為未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)提供了新型組網(wǎng)架構(gòu)，能夠極大地提升集群內(nèi)態(tài)勢(shì)共享、數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同指控能力。5G與邊緣計(jì)算、人工智能智能等技術(shù)結(jié)合，還可將無人機(jī)執(zhí)行圖像識(shí)別、自主避障等任務(wù)所需的復(fù)雜算力轉(zhuǎn)移到邊緣計(jì)算平臺(tái)，釋放機(jī)上載荷，降低無人機(jī)功耗，提升無人機(jī)任務(wù)能力和智能化水平。2022年9月，洛克希德·馬丁公司與美國電信運(yùn)營商Verizon公司合作演示了5G網(wǎng)絡(luò)支撐無人機(jī)開展情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)的場(chǎng)景。該場(chǎng)景下，4架旋翼無人機(jī)通過接入Verizon公司的2個(gè)5G專網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，將探測(cè)到的目標(biāo)通信、感知或干擾的低功率射頻信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳，為戰(zhàn)場(chǎng)指揮官提供了更高水平的指揮和控制能力。

02

存在的問題

通過上述分析，可以得知5G在軍民用無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得很多積累。但是在泛低空覆蓋、抗干擾、移動(dòng)能力方面，現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)還存在一些不足亟待提升。

5G泛低空覆蓋能力分析

傳統(tǒng)移動(dòng)通信場(chǎng)景下絕大多數(shù)終端在地面，基站高度為30-50米左右，其射頻信號(hào)的主瓣向下覆蓋指向地面。5G網(wǎng)絡(luò)通過成熟的大規(guī)模天線陣列Massive MIMO和波束賦型技術(shù)一定程度上增加了垂直波束角度，在一定高度下對(duì)空覆蓋能力更強(qiáng)。而當(dāng)無人機(jī)飛行高度進(jìn)一步提高，5G對(duì)空信號(hào)功率衰減與距離的平方成正比，需要根據(jù)實(shí)際飛行高度與距離通過波束賦型等技術(shù)調(diào)整5G基站主瓣指向，以提升覆蓋性能。

5G抗干擾性分析

由于泛低空區(qū)域開放特性，無人機(jī)5G通信面臨多種無線信號(hào)干擾，包括惡意干擾、開放環(huán)境噪聲等非5G網(wǎng)絡(luò)干擾，以及鄰區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)的自干擾。一方面需要通過Massive MIMO波束賦型對(duì)準(zhǔn)無人機(jī)形成精準(zhǔn)的窄波束，以及小區(qū)間協(xié)調(diào)、功率控制等技術(shù)手段減少小區(qū)內(nèi)或者小區(qū)間干擾。另一方面在5G無人機(jī)專網(wǎng)建網(wǎng)時(shí)進(jìn)行整體規(guī)劃，完善監(jiān)管體系也可以達(dá)到鄰區(qū)干擾降低的目的。

5G移動(dòng)能力分析

5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理以4G機(jī)制為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量配置、小區(qū)質(zhì)量計(jì)算、小區(qū)切換等機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，提高了地面移動(dòng)性支持的最高速度。但是為保障無人機(jī)尤其是軍用無人機(jī)在高速移動(dòng)狀態(tài)下的接入質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，降低多普勒頻移帶來的干擾，還需要針對(duì)性開展子載波間隔、小區(qū)切換策略等設(shè)計(jì)。

03

總結(jié)

無人機(jī)接入5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)的快速回傳、資產(chǎn)的監(jiān)視和管理、航線的規(guī)范、效率的提升，促進(jìn)空域的合理利用，從而極大地延展無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，在低空監(jiān)管、物流配送、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保、視頻直播、應(yīng)急救援、集群作戰(zhàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)及軍事價(jià)值。為進(jìn)一步保障無人機(jī)飛行安全，將當(dāng)前相對(duì)分立的應(yīng)用場(chǎng)景統(tǒng)一管控，還需要從頂層建立低空空域管理體系，推動(dòng)以5G為代表的低空智聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高效、有序的無人機(jī)低空應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化天空，繁榮低空經(jīng)濟(jì)。

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心?陳蕾

編輯：黃飛