分析国内外无人机监管平台发展现状及措施
分析国内外无人机监管平台发展现状及措施 本文关键词：无人机，现状及，监管，国内外，措施
分析国内外无人机监管平台发展现状及措施 本文简介：安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第五篇：分析国内外无人机监管平台发展现状及措施摘要 无人机作为一种新兴产业广泛应用于军用、民用领域，但随着无人机黑飞事件频发，由此产生的社会安全与公共安全问题日渐突出。由于公安机关对无人机等低、小、慢航空器管控手段单一，缺乏对受控无人机的实名身份验证及飞行
分析国内外无人机监管平台发展现状及措施 本文内容：
安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第五篇：分析国内外无人机监管平台发展现状及措施
摘 要
无人机作为一种新兴产业广泛应用于军用、民用领域，但随着无人机"黑飞"事件频发，由此产生的社会安全与公共安全问题日渐突出。由于公安机关对无人机等"低、小、慢"航空器管控手段单一，缺乏对受控无人机的实名身份验证及飞行计划管理，且不能有效监控其飞行状态及轨迹行踪，管制空域安全保障能力还有待提高。因此，论文以国际国内大型会议、展览等重特大安保活动中公安机关对无人机监管的实际需求为导向，提出建立公安民用无人机管控系统。同时，对系统中涉及的无人机监管相关技术展开了研究，包括无人机跟踪算法、无人机预警算法及基于 Mavlink 协议的通信方案，其主要工作和创新如下。
首先，在分析国内外无人机监管平台发展现状的基础上，根据航空管理部门相关规定及公安部门实际应用需求，完成了系统总体构架设计，选定了适合的开发方案。在系统总体设计的基础上，利用计算机软件开发技术及 Mavlink 协议，设计与实现了各功能模块，且各项功能运行良好，达到了系统设计目标。
其次，针对传统无人机跟踪算法定位精度不高，不同运动模式、机动强度适应性不强等问题，根据不同运动模型及跟踪算法的特点，通过将改进的常速模型（CV）、"当前"统计模型（CS）附加卡尔曼滤波算法（KF），3D 固定圆心常速率常转向率模型（CSCTR）附加无迹卡尔曼滤波算法（UKF），提出了一种基于三维空间的交互式多模型无人机跟踪算法，仿真对比实验表明该算法具有良好的定位滤波精度及鲁棒性。
再次，由于无人机运行过程中缺乏检测禁飞区域的有效手段且实时危险预警能力较差，在分析临时禁飞空域建模规则及拓扑关系的基础上，采用基于位置和速度方向的航点矢量约束方法，对无人机禁飞空域预警算法进行了研究；利用数字高程模型，结合双线性高程内插算法，通过对无人机当前位置与最小离地高程曲面进行实时匹配，对无人机近地预警算法进行了研究。
最后，针对现有无人机云系统、无人机厂商地面站软件临时禁飞信息获取不及时、不同系统间无人机飞行数据不流通等问题，基于 Mavlink 协议，通过设计系统间通信上、下行消息帧，研究了本文系统与无人机云系统之间的通信方案，实现了无人机厂商、无人机用户、航空管理部门及公安管制部门之间的信息互通。
关键词：无人机管控，交互式多模型，机动目标跟踪，Mavlink 协议
Abstract
As an emerging industry, unmanned aerial vehicles （UAVs） are widely used in military and civilian fields. However, with the frequent occurrence of illegal flight incidents by UAVs, the resulting social security and public safety issues have become increasingly prominent. Because the public security organs have a single control method for "low, small, slow" aircraft such as UAVs, lack of real-name identity verification and flight plan management for controlled drones, and cannot effectively monitor their flight status and trajectory, the ability to control airspace security needs to be improved. Therefore, the paper is oriented to the actual needs of public security organs for the supervision of UAVs in large security activities such as international or domestic conferences and exhibitions, it is proposed to establish a public security civil UAV management and control system. At the same time, the related technologies of UAV supervision involved in the system are studied, including UAV tracking algorithm, UAV early warning algorithm and communication scheme based on Mavlink protocol. The main work and innovation are as follows.
Firstly, based on analyzing the development status of the domestic and international UAV supervision platform, according to the relevant regulations of the aviation management department and the actual application requirements of the public security department, the overall architecture design of the system was completed, and the suitable development solutions were selected. Based on the overall design of the system, using the computer software development technology and Mavlink protocol, the functional modules are designed and implemented, each function works well and reaches the system design goal.
Secondly, aiming at the problems that the positioning accuracy of the traditional UAV tracking algorithm is not high, and the adaptability of different motion modes and maneuvering strength is not strong, according to the characteristics of different motion models and tracking algorithms, the improved constant velocity model （CV） and the "current" statistical model （CS） are attached to the Kalman filter algorithm （KF）， 3D fixed center constant speed constant turning rate model （CSCTR） are attached to the unscented Kalman filter algorithm （UKF）， an interacting multiple model UAV tracking algorithm based on three-dimensional space is proposed. The simulation results show that the algorithm has good positioning accuracy and robustness.
Thirdly, due to the lack of effective means of detecting the no-fly zone during the operation of the UAV, and the real-time hazard warning capability is poor, based on the analysis of temporary no-fly airspace modeling rules and topological relations, the waypoint vector method based on position and velocity direction is used to study the UAV no-fly airspace warning algorithm. Using the digital elevation model and the bilinear interpolation algorithm, the near-earth warning algorithm of UAV is studied by real-time matching of the current position of the UAV with the minimum ground-level elevation library.
Finally, in view of the existing UAV cloud system and the UAV manufacturer's ground station software, the temporary forbidden flight information is not timely, and UAV flight data between different systems is not circulating. Based on the Mavlink protocol, by designing intersystem communication uplink and downlink message frames, the communication scheme between the system and the UAV cloud system is studied. The information exchange between UAV manufacturers, UAV users, aviation management departments and public security control departments has been realized.
Key Words:UAV management and control, interactive multiple model, maneuvering target tracking, Mavlink protocol
目录
引言
无人机，是指不搭载人的飞行器，其具备一定的自主飞行能力而无需人工干预。根据我国无人驾驶航空器现行规定，本文讨论的民用无人机是指空机质量不超过15kg的微型、轻型及小型无人机，以下简称无人机。
随着消费级无人机市场的扩大，无人机"黑飞"事件的频繁发生给社会经济和人身安全带来了严重威胁。目前各国对无人机的管控规定大多都是根据无人机的重量、飞行高度、飞行范围、飞行人员资格或其使用目的来限制无人机飞行[1-3].而国内对于无人机的管制措施、标准制定还比较滞后，现阶段的监管思路大致以预防为主，追责为辅。
从预防措施来看，提高了无人机驾驶员的准入门槛、对敏感空域建立电子围栏、搭建无人机云系统。从追责措施来看，建立了无人机实名登记制度[4,5].
公安部门对无人机的管控措施主要是建立和完善管控制度，包括无人机实名身份认证、设立禁飞区及违规处罚三方面。在实际空管场景中，由于公安部门缺乏无人机空中管控技术手段，多是采取地面管控、加强社会宣传、巡逻防范和处置打击等措施，发生事故后再套用相关法规和案例进行处理。这种管制模式存在着较大的安全隐患，不能保证管制空域的安全。
在无人机管控技术不断发展的过程中，公安部门对无人机的实名登记、飞行计划管理，重点空管场景下无人机的实时监控等要求会越来越高。因此，本文针对国际国内大型会议、展览等重特大安保活动公安机关对无人机监管的实际需求，提出建立公安民用无人机管控系统。该系统包括两个独立的子系统，分别为公安民用无人机实名登记与飞行计划申报子系统（以下简称无人机实名登记与飞行计划申报子系统）以及公安民用无人机飞行监控子系统（以下简称无人机飞行监控子系统）。同时，本文还围绕系统中涉及的无人机监管相关技术、理论展开了深入研究，包括基于三维空间的交互式多模型无人机跟踪算法、无人机预警算法（包括禁飞空域预警、近地预警）以及基于Mavlink协议的通信方案。本文的研究内容有助于无人机监管部门及时监控受控无人机飞行状态，对违规无人机采取反制手段，对涉事无人机机主追责查处，同时有助于无人机厂商、无人机用户、航空管理部门及公安管制部门之间的信息互通，及时更新补充禁飞区信息，保障管制空域安全。
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1绪论
1.1研究背景和目标
1.2国内外研究现状
1.2.1无人机监管系统研究现状
1.2.2无人机跟踪技术研究现状
1.2.3无人机危险预警技术研究现状
1.3研究内容和章节安排
1.4本文的创新点
2系统总体设计与方案选择
2.1系统设计原则
2.2系统设计总述
2.2.1系统总体设计总述
2.2.2无人机实名登记与飞行计划申报子系统设计总述
2.2.3无人机飞行监控子系统设计总述
2.3开发方案选择
2.3.1无人机实名登记与飞行计划申报子系统开发方案
2.3.2无人机飞行监控子系统开发方案
2.4本章小结
3无人机实名登记与飞行计划申报子系统的设计与实现
3.1系统功能设计
3.2系统开发架构
3.3文件组织结构
3.4数据库设计
3.5系统实现
3.5.1系统用户管理模块
3.5.2实名登记信息管理模块
3.5.3政策新闻发布管理模块
3.5.4无人机登记信息管理模块
3.5.5无人机机型管理模块
3.5.6飞行计划申报管理模块
3.5.7临时禁飞区管理模块
3.6本章小结
4无人机飞行监控子系统的设计与实现
4.1系统功能结构
4.2主窗体搭建
4.2.1GMap控件加载及初始化地图设置
4.2.2航空仪表控件加载及界面风格模版设置
4.2.3公共控件界面布局
4.3临时禁飞区管理模块
4.4无人机运行状态显示及控制模块
4.4.1数传端口连接
4.4.2飞行数据读取
4.4.3模式指令填充
4.4.4控制指令填充
4.4.5航点规划
4.5无人机定位与监视模块
4.5.1无人机载具加载及动态显示
4.5.2实时路径显示及地图纠偏
4.5.3多机监控
4.6本章小结
5无人机跟踪算法研究
5.1无人机跟踪算法概述
5.23D运动模型
5.2.1改进的常速模型（CV）
5.2.2"当前"统计模型（CS）
5.2.33D固定圆心常速率常转向率模型（CSCTR）
5.3滤波算法
5.3.1UKF算法
5.3.2IMM-DKF算法
5.4仿真与分析
5.4.1仿真情景设置
5.4.2仿真结果与讨论
5.5本章小结
6无人机预警算法与通信方案研究
6.1无人机禁飞空域预警
6.1.1临时禁飞空域建模
6.1.2临时禁飞空域拓扑关系逻辑构建
6.1.3无人机禁飞空域预警算法
6.2无人机近地预警
6.2.1数字高程模型
6.2.2高程插值算法
6.2.3无人机近地预警算法
6.3飞行监控子系统与无人机云系统的通信方案设计
6.3.1通信方案介绍
6.3.2系统通信协议
6.3.3系统间通信流程
6.4本章小结
结论
近年来，无人机"黑飞"事件频发，对社会安全和公共安全造成了很大的威胁。本文针对国内无人机监管系统的不足以及实际公安工作中对无人机等"低、小、慢"航空器空中管控的难点，以国际国内大型会议、展览等重特大活动中公安部门对于无人机管控的实际需求为导向，应用成熟的计算机软硬件开发技术及航天控制、自动化、计算机网络通信等相关理论，完成了公安民用无人机管控系统及无人机监管相关技术的研究，可用于实现管制空域一定范围内受控无人机的有效监管。本文完成的主要工作如下：
（1）设计并实现了无人机实名登记与飞行计划申报系统。根据航空管理部门相关规定以及公安部门实际应用需求，以Vue.js前端开发框架、JavaEE企业应用级SSM后端开发框架为基础，结合HTML、JavaScript、jQuery、百度地图API、Java等前后端开发技术，完成了系统用户管理、实名登记信息管理、政策新闻发布管理、无人机登记信息管理、无人机机型管理、飞行计划申报管理及临时禁飞区管理等七个功能模块，实现了无人机实名登记、飞行计划申报及临时禁飞区的规范化和数据化管理。
（2）设计并实现了无人机飞行监控系统。基于ArduPilot开源项目的全功能自动驾驶仪MP地面站以及Mavlink开源通信协议，结合C#语言及WinForm桌面应用开发技术，完成了无人机定位与监视、无人机运行状态显示及控制以及临时禁飞区管理等三个功能模块，实现了对管制空域内受控无人机的实时定位监控（3）针对传统无人机跟踪定位算法的不足以及无人机高机动、运动轨迹复杂等特点，提出了基于改进的CV模型、CS模型、CSCTR模型的三维空间双滤波算法的交互式多模型算法（IMM-DKF），其中改进的CV模型及CS模型附加了KF算法，CSCTR模型附加了UKF算法。通过与传统单一复杂模型KF算法及UKF算法100次MonteCarlo仿真实验对比分析可知，本文提出的算法具有更好的鲁棒性和跟踪性能，并具有一定的实际工程应用价值。
（4）为保证管控空域安全，本文通过分析空域类型，根据现有航空管理条例进行临时禁飞空域建模及空域拓扑关系的逻辑构建，利用基于位置与速度方向的航点矢量约束方法，研究了无人机禁飞空域预警算法；为保证无人机运行安全，本文基于DEM模型，利用双线性内插算法获得连续的地形高程数据，通过模拟生成最小离地高程曲面获得地形高程数值并与无人机当前位置进行实时匹配，进行了无人机近地预警算法研究。
（5）基于Mavlink协议，提出了无人机飞行监控子系统与无人机云系统之间的通信方案，该方案可使无人云系统实时获取由无人机飞行监控子系统发来的临时禁飞区信息及受控无人机的实时运行信息（GPS位置）；同时，无人机厂商也可从无人机实名登记与飞行计划申报子系统中获取临时禁飞区信息。通过在无人机云系统及无人机厂商地面站软件中及时融合补充临时禁飞区，并根据需求向受控无人机发送控制指令，避免违规飞行无人机侵入管控空域。该方案的提出可使临时禁飞区信息在无人机厂商、无人机用户、航空管理部门及公安管制部门之间互通，形成对重点空中管制空域一定范围内无人机管控的三重保障。
本文虽然完成了预期目标，但仍有需要改进的地方：
（1）目前无人机实名登记系统与飞行计划申报子系统的高并发能力还有待提高，在今后的开发中可以采用数据库集群和库列散表、硬软件负载均衡、镜像等技术手段提高系统并发请求处理能力。
（2）无人机飞行监控子系统是以二维地图的方式组织数据和功能，还可以向三维地图的方向开发，三维地图可以加载地形、天气等更为丰富的信息，可为系统进一步实时危险预警功能模块的开发提供数据基础。
参考文献
分析国内外无人机监管平台发展现状及措施 来源：网络整理
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