一种基于北斗地理围栏差分定位模块的无人机监管云平台的制作方法
本发明涉及一种北斗地理围栏差分定位模块及由此构架的一种无人机监管云平台，特别是针对基于北斗差分地理围栏定位模块导航控制的民用无人机能对其进行强制性监管的无人机监管云平台。
背景技术：
无人机(unmannedaerialvehicle)就是利用无线遥控或程序控制来执行特定航空任务的飞行器，是不搭载操作人员的一种动力空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导；既能一次性使用也能进行回收；能够携带致命性和非致命性有效负载。
无人机被称为“空中机器人”，从1917年第一架无人机诞生到现在近100年时间，无人机技术持续进步，尤其是微电子、导航、控制、通信等技术，极大地推动了无人机系统的发展，促进了无人机系统在军事和民用领域的应用。
中国民用无人机发展非常迅猛，未来几年将保持50％以上的增长，2014年中国民用无人机销售规模已经达到40亿元。预计受低空空域逐步开放的利好，到2020年中国无人机年销量将达到29万架。
随着无人机产业的发展，带来的是无人机无序飞行的乱象，违规飞行事件呈逐年上升趋势。如2016年无人机逼停成都机场55个航班事件，而事实上，无人机“黑飞”并非只有中国政府感到头疼。
近年来在世界范围内发生多起无人机肇事事件。如：2015年德国汉莎航空一架航班在华沙上空相遇无人机；2015年，无人机私闯白宫；2015年，无人机在日本首相官邸坠落；2015年新西兰无人机逼近消防救火直升机。
无人机“黑飞”事件逐年上升监管已成全球难题。从全球角度来说，无人机肇事事件频发也是颇令各国政府担忧。
在无人机市场呈现井喷式发展的同时，也存在着飞行区域不明确、侵犯隐私、存安全隐患等问题，如何对无人机进行监管已成全球难题。
美国作为航空业发达的国家之一，在无人机的监管方面处于相对领先的地位。faa(美国联邦航空管理局)作为监管责任主体制定了严格的无人机管理办法，针对不同类型的无人机制定了不同的管理政策。
faa细化的管理即规范了无人机使用，同时又没有抑制这个行业的发展。faa2015年12月21日推行无人机注册制度，另一方面鉴于无人机在美国机场出现得如此频繁，faa可能批准一种叫“反无人机防卫系统”(auds)尽快投入使用。由此可见无人机的管理是一个需要主动管理和被动管理结合的行业。通过法律要求无人机进行管理注册，对没有注册的无人机进行民事罚款或刑事处罚。同时faa推出了全新应用程序b4ufly，b4ufly通过使用位置数据为无人机和其他模型飞机用户提供实时的飞行信息服务和注意事项。
面对严峻的无人机“黑飞”事件，中国颁布了《民用航空法》、《通用航空飞行管制条例》、《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》等多部法规。为了进一步解决无人机分类管理、空域管理、适航管理、驾驶员资质管理等问题。
2013年11月，中国民航局下发《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，对无人机及其系统的驾驶员实施了指导性管理。
2015年12月29日中国民用航空局飞行标准司下发《轻小无人机运行规定试行》、咨询通告。
2016年7月11日发布《民用无人机驾驶员管理规定》。对原发布的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》进行了修订。
事实上培训和取得驾照在现有监管技术条件和政策下也不能彻底解决黑飞问题，关键在于没有一套可强制执行的技术监管手段，因此执行难度很大。而另一方面目前的监管重点放在对行业机构的无人机监管上，主要针对15—150公斤(起飞全重)，飞行高度150米以下作业的无人机。要求飞行时进行申报，对于大量的15公斤以下的无人机没有要求。
目前对于飞行高度低、速度慢、体积小的无人机，国内现行的航空管制保障技术手段无法对其进行实时跟踪监视，雷达“看不到”，无线电“联不上”的问题突出。这种现状不仅严重影响了国土防空和飞行安全，还严重制约着低空空域的开放和通用航空的发展。
为了解决无人机监管面临的问题，中国专利申请号：201510107809.9、中国专利申请号：201510222453.3、中国专利申请号：201510242490.0、中国专利申请号：201510448354.7、中国专利申请号：201510512563.3、中国专利申请号：201610075393.1都分别给出了无人机监管的解决方案，这些方案的特点是都要对无人机进行深度改造，以便适应监管，如：在无人机上增加身份识别模块的方案、在无人机上加装跟踪模块的方案、由管理平台控制无人机屏蔽遥控器的方案、无人机自动申请空域的方案等、其解决方案缺乏系统性和操作性，其方案执行的社会成本较高，而且技术路线比较模糊，首先无人机产业发展到今天，其模块化程度已经相当高，不可能因为一个监管方案而改变现有无人机生产企业的无人机结构或增加其它模块，因为无人机对重量的要求是很高的，能改变的就是替代的芯片或模块。因此现有公开的解决方案是无法解决对无人机进行强制性监管的需求。
2016年4月18日，民航局批准的无人机云系统u-cloud(掌上优云)开始上线。这个无人机云系统是由中国航空器拥有者及驾驶者协会(aopa)推动建立的，目的是解决无人机申报程序复杂、监管不便的问题。
u-cloud的解决方案是在无人机上加装一个u-box，是一个规格为50*35*16mm的、重约35克的盒状物体。它采用独立电池供电，无需外部电源，并可对其进行充电。同时它还支持接入机载电源。只需要用魔术贴将u-box固定在无人机顶部，然后将无人机首先在优云系统进行航空器及运营人注册，注册时选择按u-box设备号注册，同时将u-box正面的设备imei号作为设备号录入优云系统。注册成功后即可以正式接入优云系统。
u-box需gsm网络的支持，它的最大飞行高度取决于飞行区域移动网络的覆盖范围及稳定性。u-cloud类似于sim卡追踪管理平台，无人机上都安装了u-box，根据u-box提供的位置数据就可以对升空的无人机进行监控和执法了。
2016年4月20日中国民用航空局飞行标准司批准u-care无人机云试运行，其目的和u-cloud一样，且技术路线基本一样，也是在无人机上安装了一个u-agent的盒子。用于采集传输无人机飞行数据，目前品牌接入方面只兼容大疆、亿航无人机。
从两者云技术的目的来讲都是为了加强对无人机的监管，其技术方案都是在无人机上外挂位置采集设备，以实现对无人机的监管。也就是说该类解决方案不具备技术强制性，现有解决方案中不加外挂位置采集设备、不注册无人机还是可以飞行。对于监管者来讲无法做到全面有效的强制性监管覆盖。另一方面两者都使用gprs网络作为唯一的通信链路，而在高空的无人机飞行区域位置会存在无gprs网络信号的情况，主要原因是发射塔多采用定向天线，呈一定角度向下发射，因此就会出现gprs信号不稳定的情况，gprs信号的不稳定直接会影响上述方案对无人机监管的效果。另外两者都是外挂位置采集设备，无法和无人机的飞控系统进行数据链接，而是否装有飞控系统是无人机区别于普通航空模型的重要标志，飞控系统是无人机的核心控制装置，主要负责传感器数据采集，gps信息获取，接收机信号获取，舵机控制，与地面站通讯，飞行控制率计算，导航控制，任务控制等工作。其中gps为飞控系统提供的位置数据在无人机的起飞，航行，悬停，返回的任何一个阶段都需要位置数据的支持。由此可见高精准的位置数据对无人机来说及其重要。上述两者解决方案中，不论是u-cloud还是u-care由于都是外挂位置设备，不能直接和飞控系统进行数据交换，也就无法强制无人机在飞行状态上做出任何改变。现阶段只能做到在驾驶者的智能手机终端上进行提醒或告警。如果gprs网络信号中断则无法实现所设想的监管功能。
2016年1月全球领先的无人机生产企业大疆也推出了geo(geospatialenvironmentonline)自我拦截系统可以为美国无人机用户提供实时的禁飞区信息，geo使用地理围栏(geo-fencing)技术，地理围栏是lbs的一种应用，就是用一个虚拟的栅栏围出一个虚拟地理边界，由美国加州的地理空间数据公司airmap提供动态数据支持。目前只为大疆创新无人机产品的用户实时提供有关所在区域的飞行限制和安全提示等信息，使大疆无人机能够自动避让这些禁飞区域。但是有关这一技术目前还有两个重要问题需要解决。其一，并不是所有无人机制造商都会让无人机内置这个功能；其二，大疆无人机的用户有权暂时能为自己开放权限飞至禁飞区的空域。而在中国大疆通过在无人机rom(romimage(只读内存镜像)写入禁飞区数据的办法来实现对敏感区域的避让。但是这种方式对于各地方政府或军方要求禁飞的区域无法实时更新。不论大疆使用那种技术方案，目前只能为大疆自身生产的无人机服务，不具备社会通用性，另一方面geo使用地理围栏技术所使用的动态数据由美国加州的地理空间数据公司airmap提供，其地理围栏数据包含政府、军方的禁飞位置数据，因此在中国使用必然存在这信息安全的问题，所以geo无法为中国管理者提供一个全面有效的监管平台。
综上所述，因此急需要一个配合无人机管理法规执行，从无人机产业的角度具有强制性监管功能的无人机监管平台来解决现有解决方案的不足。这个解决方案必须从无人机产业监管的顶层来设计和架构，否则将会带来监管的混乱。
目前无人机基本上使用美国gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)进行定位，其技术原理是通过接受gps卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位，而随着我国北斗卫星导航系统(beidounavigationsatellitesystem)简称bds系统的全面建成。北斗导航技术应用必将得到极大的发展，未来我国生产的无人机将必然全面使用北斗定位。特别是随着中国利用多个单一北斗基准站rtk技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(continuouslyoperatingreferencestations，缩写为北斗cors)即北斗地基增强系统的全面建设，北斗定位系统将极大提升定位精度，因此无论是从国家北斗产业、无人机产业还是对无人机监管的需要，构建一个以北斗定位为基础的无人机飞控监管云平台极为重要和迫切。我国目前是无人机生产大国，特别是以大疆为代表的中国无人机企业尤为突出。其产品销往多个国家和地区。北斗作为国家战略，其应用应该随着无人机走向世界，而另一方面现有无人机都是依据美国gps导航位置信息进行飞行控制，那么如何做到利用位置信息来进行对无人机的强制管理和控制呢，现有解决方案都很难做到。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于北斗地理围栏差分定位模块的无人机监管云平台，为无人机提供一个北斗差分地理围栏定位模块用以替换gps定位模块。并由此为基础提供一个能对无人机执行强制性监管的飞控监管云平台。特别是一种综合了北斗cors差分、lbs(lbs--locationbasedservice，移动位置服务)定位及室内wi-fi、bluetooth(蓝牙)定位功能及地理围栏功能的定位模块构建的无人机飞控监管云平台；一种具有强制性注册监管的无人机监管云平台、一种能为无人机提供动态地理围栏数据并使无人机自动避让禁飞区的监管云平台、一种能为无人机系统驾驶员提供飞行计划申请报批的监管云平台，一种能提供高清地图、地形、气象数据服务的监管云平台，一种能提供行业应用服务的监管云平台。一种能为无人机生产企业提供统一定位模块序列号的监管云平台。
本发明的另一个目的是通过本发明的推广使动态地理围栏技术成为一种无人机管理强制性的标准，对无人机的飞行地点、飞行高度等都做出相应限制，并成为无人机监管平台的标准。从而消除有关飞机与无人机之间的争辩。最终促进中国无人机产业、北斗产业的大发展，并实现对无人机全面有效的监管局面。
本发明的技术解决方案是：一种基于北斗地理围栏差分定位模块的无人机监管云平台，主要由三个部分组成，第一部分北斗差分地理围栏定位模块，第二部分飞控终端，第三部分无人机飞控监管云平台。整个系统工作由上述三个部分互相协作完成。
第一部分主要负责地理围栏信息的执行通信及精确位置数据的提供。
第二部分主要负责强制注册、登录、飞行路径、飞行区域的规划，飞行申请提交等工作以及北斗差分地理围栏定位模块与无人机飞控监管云平台之间的数据通信。
第三部分主要负责强制监管的注册、登录验证的逻辑执行，负责地理围栏数据的生成、保存及向模块下发；负责飞行路径、区域的审核、飞行计划申请审核并向模块下发，另外负责向平台的不同用户提供有针对性的不同类型的数据服务。
以下对本发明的三个部分进行详细描述：
第一部分：北斗差分地理围栏定位模块
北斗差分地理围栏定位模块是一个多功能定位模块，模块组成由处理器，北斗芯片，飞行数据记录芯片，gprs模块，电子围栏存贮器，地磁模块，电源模块，接口模块，蓝牙、wi-fi模块组成。其连接关系为，北斗芯片，飞行数据记录芯片，gprs模块，电子围栏存贮器，地磁模块，电源模块，接口模块，蓝牙、wi-fi模块都与处理器连接。其工作原理是北斗芯片用于接收北斗卫星实时定位信息，其接收到的实时定位信息提供给处理器，处理器结合通过接口模块或gprs模块获取的北斗cors差分数据对实时定位数据进行差分修正，其修正位置数据提供给电子围栏存贮器。
电子围栏存贮器
模块引入了gprs、bluetooth(蓝牙)、wi-fi通信芯片。从而实现了多功能定位功能，北斗差分定位、lbs定位、bluetooth(蓝牙)、wi-fi的定位功能，在户外为无人机提供北斗、lbs定位(lbs--locationbasedservice，移动位置服务)，在室内为无人机提供基于bluetooth(蓝牙)、wi-fi的定位功能。
lbs定位的技术原理是通过移动通信的基站信号差异来计算出gprs模块所在的位置来进行定位，只要计算三个基站的信号差异，就可以判断出gprs模块所在的位置。因此，只要gprs模块处于移动通信网络的有效范围之内，就可以随时进行位置定位，而不受天气、高楼、位置的影响。
lbs定位作为北斗差分定位的备份和补充，因干扰遮挡在北斗信号丢失时为无人机提供基于lbs的定位服务。另外gprs还是一个备份的通信链路，在遥控器和无人机之间数据链中断时，驾驶者仍然可以追踪无人机的位置，现有无人机常发生失联，因为使用了单gps定位和单遥控器(2.4g)数据链，在有外界干扰的情况下很容易发生失联、炸机、坠毁等事故。
北斗差分地理围栏定位模块同时提供了一个飞行数据记录芯片，用以记录无人机的飞行数据，其记录数据可以通过通信链路上传到云平台专属数据记录服务器中，其数据包括航迹、高度、速度、位置、航向及其它传感器获取的飞机参数等，这些数据可以供生产厂家、保险公司、监管者和用户进行查询，分析无人机飞行过程中的故障及事故原因。
北斗差分地理围栏定位模块更重要的功能是提供了一个电子围栏存贮器，用以存放地理围栏控制信息、位置信息及算法。该部分是北斗差分地理围栏定位模块的核心功能。其算法支持北斗差分位置、lbs位置、bluetooth(蓝牙)位置、wi-fi位置。对无人机的位置指令修订由模块依据算法及处理器给出。另外处理器依据算法和控制指令对各功能芯片进行开关管理，以便达到节电的目的。
本发明中北斗差分地理围栏定位模块使用融合定位技术将定位逻辑以及关键定位技术融入到模块中，因此可以将多功能定位能力随模块而植入到无人机中。
北斗差分地理围栏定位模块的强制注册功能是本发明的重点，首先模块能通过自带的bluetooth(蓝牙)、wi-fi、无人机遥控器三种通信方式与驾驶者的智能手机中的飞控终端进行通信，用户可以自行选择其中一种通信方式通过飞控终端与北斗无人机飞控监管云平台进行通信。其过程是驾驶者先通过飞控终端在北斗无人机飞控监管云平台进行注册，注册完成后通过终端进行登录北斗无人机飞控监管云平台，并在终端上进行飞行区域规划或飞行路径规划，如果是行业无人机用户，在北斗无人机飞控监管云平台中的行业服务中按需选择行业应用飞控服务，并需提交作业规划申报，需要监管单位批准。在飞行区域规划或飞行路径规划时飞控终端从云平台lbs服务中会自动获取驾驶员所在位置，并推送显示周边禁飞、限高区域。驾驶员在飞行区域规划或飞行路径规划时必须绕开这些禁飞区域或接受限高。如果不绕开禁飞区或不接受限高。则区域或路径规划失败，提示驾驶员请重新规划。如果绕开禁飞区或接受限高则规划完成，监管云平台审核后反馈信息给飞控终端规划完成，下一步通过飞控终端向北斗差分地理围栏定位模块上传规划路径或规划飞行区域数据，上传完成后确定，下一步激活位置服务，点击激活位置服务，则飞控终端给北斗差分地理围栏定位模块发送激活指令，这时位置信息激活，无人机收到位置信息开始响应，随后可以按上传的规划路径或规划飞行区域数据正常起飞。
本发明中北斗差分地理围栏定位模块没有激活的过程是不输出位置信息给无人机飞控系统的。通过这个强制激活的过程实现无人机的强制注册、强制登录、强制按管理要求进行规划无人机飞行路径或飞行区域，从而实现对无人机强制有效的全面科学监管。
北斗差分地理围栏定位模块另外一个主要功能为无人机提供精准的位置服务，由传统的gps接收机直接输出位置给无人机飞控，变为北斗接收机先输入给差分定位模块，由差分定位模块依据地理围栏算法处理判断后输出一个正常位置信息或一个悬停或返航位置信息。从而达到对无人机的强制控制，使其保持航线或在规划的区域内飞行。
北斗差分地理围栏定位模块的差分定位是通过模块自带的gprs或遥控器(2.4g)数据链来接收来自无人机飞控监管云平台的北斗cors差分数据服务提供的差分数据，结合模块自带的北斗接收机数据通过差分位置数据修正，从而实现为无人机提供高精准的位置控制数据。
北斗差分地理围栏定位模块的lbs定位是在室外北斗信号较弱或丢失时。通过模块自带的gprs或遥控器(2.4g)数据链来接收来自无人机飞控监管云平台的北斗cors差分数据服务提供的差分数据及来自平台的lbs服务提供的位置数据来实现定位，以实现为无人机提供精确位置数据。
北斗差分地理围栏定位模块的室内定位是通过模块自带的luetooth(蓝牙)、wi-fi结合平台提供的lbs服务从而达到为无人机提供室内定位的目的。
因此北斗差分地理围栏定位模块透过北斗cors差分数据服务、lbs的服务数据结合自身算法来提供精准的无人机位置信息及室内定位功能。从而确保无人机室外、室内的安全飞行。另外gprs还可以作为追踪无人机位置的备份通信链路，使得无人机与遥控器(2.4g)数据链中断时还能保持对无人机的有效追踪。
北斗差分地理围栏定位模块提供了标准的飞控接口，可以与大多数的无人机飞控进行对接。
北斗差分地理围栏定位模块可以采用自带电源和使用无人机机载电源两种模式，使用自带电源可以降低对无人机机载电源的依赖，延长无人机机载电源的使用寿命。
本发明中提供的北斗差分地理围栏定位模块能够接收飞控云禁飞位置、限高等地理围栏数据信息，在接收到这些数据后能自动修正飞行位置数据和高度数据，并传送给无人机飞控系统，做到自动避让禁飞区，自动降低高度，彻底实现安全飞行。而现有技术只能做到警告或提示。
第二部分:飞控终端
本发明中提供的飞控终端负责与北斗差分地理围栏定位模块、无人机飞控监管云平台进行通信。
另一个主要的功能是作为无人机飞控监管云平台与北斗差分地理围栏定位模块之间数据通信的桥接器。向无人机飞控监管云平台执行强制注册或登录验证信息、向平台提交飞行申请、飞行路径或飞行区域规划、向平台提交无人机的飞行数据。
其次向无人机北斗差分地理围栏定位模块提交平台确认信息，注册登录完成反馈信息、向模块提交平台验证后的飞行路径、飞行区域的规划信息、向模块提供北斗cors差分数据服务、lbs位置服务数据。其中北斗cors差分数据服务、lbs位置服务数据也可是直接由移动基站向模块直接提供。
第三部分：无人机飞控监管云平台
本发明中的无人机飞控监管云平台是一个针对不同类型民用无人机的服务云平台，也是一个强制性监管云平台。无人机飞控监管云平台为无人机用户(个人用户、行业用户、科研用户)无人机监管者(民航空管、空军、公安)、无人机生产企业、无人机检测、无人机保险、无人机服务等众多人员及机构单位提供精细化、精准化的飞控数据服务云平台。
无人机飞控监管云平台由无人机用户注册数据库、飞控气象数据库、gis-二次雷达数据转换服务、生产企业代码注册数据库、北斗cors差分数据服务、行业应用飞控服务、地形数据库、地图数据库、三维城市数据库、地理围栏数据库、飞行活动上报监管服务、飞控终端下载服务、无人机检测认证服务、室内地图数据库、无人机飞行数据记录数据库、lbs位置服务、平台管理维护服务等云数据服务构成。
飞控监管云平台结构模块描述：
⑴无人机用户注册数据库负责记录储存和用户登录管理数据服务。
⑵飞控气象数据库负责为飞控用户提供所在位置气象数据，并负责将信息推送到用户安装的飞控终端中，以便用户确定飞行活动。
⑶gis-二次雷达数据转换服务负责将无人机的飞行轨迹数据(gis格式数据)转换为二次雷达数据格式，方便民航空管、空军等监管单位将信息直接接入到空管自动化系统，从而实现在雷达atc中监视无人机的飞行活动。
⑷生产企业代码注册数据库负责向使用北斗差分地理围栏定位模块的生产企业提供统一的模块代码，并为生产企业交付市场的无人机提供注册服务，生产企业依据模块代码提交相应产品的序列号，方便监管，同时方便用户在使用时直接判断无人机的载荷、类型等数据。
⑸北斗cors差分数据服务是从北斗地基增强网络中获得北斗cors差分数据并通过飞控监管云平台、公共移动网络向无人机上安装的北斗差分地理围栏定位模块提供北斗cors差分数据，可以透过无人机驾驶员的智能手机中安装的飞控终端也可直接透过北斗差分地理围栏定位模块中的gprs来直接从无人机飞控监管云平台获取北斗cors差分数据服务。
⑹行业应用飞控服务负责为不同行业的用户提供针对性的飞控数据服务，如：测绘、植保、森林防火、城市巡逻、交通执法、空中救援等。
其包括针对性的地图数据、飞行路径算法等、禁飞区及限高区开放等。
⑺地形数据库负责提供能够表示地表高低起伏状态的数据，即具有高程信息的数据。数字高程模型(dem)是一种对空间起伏变化的连续表示方法，是一种特殊的datasetgrid数据模型。这些数据能够协助无人机完成一些特殊行业飞行。为无人机提供地形辅助导航数据，其工作原理是无人机利用地形数据和高度数据作为辅助手段来修正惯导系统的误差。
⑻地图数据库负责为用户提供一个高精度、高清晰的数字地图。
⑼三维城市数据库负责向用户提供城市的三维空间地图数据。
⑽地理围栏数据库负责围栏的设立、保存，向用户推送围栏数据服务，其包含禁飞区围栏数据、限高围栏数据。
⑾飞行活动上报监管服务负责对行业用户的飞行计划审批上报，并负责对审批结果的反馈。
⑿飞控终端下载服务负责为用户提供android、ios不同系统的pad、智能手机、pc的不同类型的飞控终端下载服务。
⒀无人机检测认证服务负责为使用飞控监管云平台的所有用户提供在线无人机检测的服务，其检测结果可在平台上查询。
⒁室内地图数据库负责为室内飞行的用户提供建筑物内部的数字地图，结合bluetooth(蓝牙)、wi-fi定位及lbs位置服务为室内无人机提供位置支持。
⒂无人机飞行数据记录数据库负责采集记录用户的飞行数据，飞行数据包含飞机各系统的飞行参数及轨迹，可给用户及无人机生产企业用于评估飞机故障及缺陷。
⒃lbs位置服务负责为用户提供基于移动通信网络和卫星定位系统结合的位置服务，在本发明中主要负责对驾驶员智能手机位置的定位，另外因为无人机上安装有北斗差分地理围栏定位模块，其模块自带gprs，因此lbs定位也可定位无人机的位置。
⒄平台管理维护服务负责对整个飞控监管云平台的管理、升级和维护。
⒅航图数据库负责航路、航线、机场、军事禁飞区等数据。
⒆用户管理服务负责对用户的管理及对服务数据的管理，根据不同的用户类型为其调用不同的数据服务。
本发明主要提供了一种能够基于北斗差分地理围栏定位模块(第一部分)及飞控终端(第二部分)实现对无人机进行强制监管的无人机飞控监管云平台(第三部分)，本发明在实现强制监管的同时实现了对无人机不同的用户及监管者提供多样化的数据服务。其中重要的强制监管功能是由第一部分、第二部分、第三部分共同协作来完成的。其主要由基于第二部分、第三部分的强制注册、强制飞行路径规划或飞行区域规划审核以及基于第一部分、第二部分、第三部分的强制激活、登录反馈以及第一部分的围栏算法自动执行来共同实现的。
本发明另一个主要作用是为无人机提供了一个多样化的定位途径，改变了无人机单一的gps定位模式。为无人机提供了一个多功能的定位模块，北斗差分地理围栏定位模块，该模块不仅提供了地理围栏的功能，也使无人机实现了使用北斗cors差分定位、lbs定位、室内bluetooth(蓝牙)及wi-fi的定位。
本发明的实施步骤如下：
一、无人机生产时安装北斗差分地理围栏定位模块，用以替换传统的gps，这个过程需要国家政策(如针对生产企业的监管标准)及商业活动的配合，其最终目的是在中国使用的民用无人机全部安装北斗差分地理围栏定位模块。
同时使用北斗差分地理围栏定位模块的生产企业按照模块的代码给出对应的无人机序列号，并提交到无人机飞控监管云平台上，对同一机型使用同一类序列号，无人机飞控监管云平台上填写机型的载荷、名称、类型、用途、性能参数等信息，这些数据将被保存在生产企业产品序列号注册数据库中。
二、无人机用户或驾驶员获得这些使用北斗差分地理围栏定位模块的无人机后，在使用前需从北斗飞控云平台上通过飞控终端下载服务下载相应版本的飞控终端软件并在智能手机上安装。
安装好飞控终端软件后，就可以通过软件设置智能手机与北斗差分地理围栏定位模块的通信方式，可选蓝牙、wi-fi、遥控器usb接口，通信链路的建立主要是用于上传规划好的飞行路径、飞行区域数据，其中包含动态的所在区域的地理围栏数据，通信链路的另一个作用就是用来激活北斗差分地理围栏定位模块。
其中蓝牙、wi-fi通信链路在激活工作完成后会自动关闭，其通信链路由遥控器usb接口或gprs链路接管。
三、无人机用户或驾驶员在设置好智能手机与北斗差分地理围栏定位模块的通信方式后，在使用前需要被强制注册、强制登录，同时需要提交飞行路径规划或飞行区域规划，通过无人机飞控监管云平台的审核，所规划区域符合规划要求并上传给北斗差分地理围栏定位模块后才能允许激活北斗差分地理围栏定位模块。激活后的模块才能输出位置数据给无人机飞控系统，而无人机飞控系统收到位置数据后才能正常响应启动。也就是说没有注册、登录、激活前，无人机无法启动。据此过程实现了对无人机的强制注册、对飞行路径或飞行区域的强制审核，从而达到强制监管的目的。
四、飞行路径或飞行区域的强制审核的依据是基于无人机飞控监管云平台上的地理围栏数据库，地理围栏由各级监管单位制定，地理围栏有永久性的围栏，也有临时性的围栏，地理围栏数据保持持续动态的更新。制定的围栏数据被保存在地理围栏数据库中。这些数据可直接推送到登录的驾驶员智能手机中的飞控终端中，同时推送给北斗差分地理围栏定位模块。
五、规划阶段的地理围栏数据随地图、地形数据推送给飞控终端用于驾驶员规划飞行路径或飞行区域时参照避让。如果规划没有避让这些地理围栏则驾驶员提交的规划不被批准，要求重新规划。其无人机飞控监管云平台推送的数据是驾驶员所在位置周边数据，也就是飞行视距范围内的数据。
六、无人机起飞后推送给北斗差分地理围栏定位模块中的数据包含规划数据及地理围栏数据，用于无人机在飞行过程中强制无人机在接近地理围栏时做出避让，通过返航或悬停的方法主动避让禁飞区域或限高区域，从而实现对无人机的强制监管和为无人机提供安全飞行的保障服务。
七、其它飞服数据的提供是飞控监管云平台的另一重要功能，可为各类用户提供多样化的数据服务，满足整个无人机产业链各类型用户的飞服数据需求。
附图说明
图1为北斗飞控无人机定位监管云平台工作原理示意图。
图2为北斗飞控无人机定位监管云平台架构示意图。
图3为北斗差分地理围栏定位模块通信工作原理图。
图4为飞控终端登录注册界面示意图。
图5为飞控终端通信设置界面示意图。
图6为飞控终端驾驶员注册界面示意图。
图7为飞控终端激活北斗差分地理围栏定位模块界面示意图。
图8为飞控终端飞行路径规划及飞行区域规划示意图。
图9为北斗差分地理围栏定位模块飞行路径围栏工作原理示意图。
图10为北斗差分地理围栏定位模块飞行限高围栏工作原理示意图。
图11为北斗差分地理围栏定位模块飞行区域围栏工作原理示意图。
图12为飞控终端飞行路径规划审核示意图。
图13为监管者pc显示器界面示意图。
图14为动态地理围栏生产工作原理示意图。
图15为驾驶员注册流程图。
图16为北斗差分地理围栏定位模块构成图。
图17为北斗差分地理围栏定位模块路径围栏逻辑判断工作流程图。
图18为北斗飞控无人机定位监管云平台强制监管工作流程图。
图19为北斗差分地理围栏定位模块区域围栏逻辑判断工作流程图。
图中1-北斗卫星，2-无人机，3-无人机遥控器，4-飞控终端，5-北斗飞控云平台，6-单一北斗基准站rtk，7-北斗地基增强系统网络，8-互联网，9-电信运营商2g/4g/5g网络，10-移动监管者，11-生产企业产品序列号注册者，12-遥控器(2.4g数据链)，13-移动数据链，14-usb数据线，15-监管机构16-驾驶员智能手机
201-处理器，202-北斗芯片，203-飞行数据记录芯片，204-gprs模块，205-电子围栏存贮器，206-地磁，207-电源，208-接口，209蓝牙、wi-fi模块。
301-无人机用户注册数据库，302-飞控气象数据库，303-gis-二次雷达数据格式转换服务，304-生产企业产品序列号注册数据库，305-北斗cors差分数据服务，306-行业应用飞控服务，307-地形数据库，308-地图数据库，309-三维城市数据库，310-地理围栏数据库，311-飞行活动上报监管服务，312-飞控终端下载服务，313-无人机检测认证服务，314-室内地图数据库，315-无人机飞行数据记录数据库，316-lbs位置服务，317-平台管理维护服务，318-航图数据库，319-用户管理服务。
401-地理围栏数据编辑器，402-地理围栏表单，505-北斗差分地理围栏定位模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
装置实施例：参照附图1、附图3，无人机2上安装有北斗差分地理围栏定位模块505，其主要定位数据由北斗卫星1及北斗地基增强系统网络7及附图2中的斗cors差分数据服务305配合完成，其辅助lbs定位由附图16中的204模块配合附图1、附图3中的电信运营商2g/4g/5g网络9及附图2中lbs位置服务316来完成。
参照附图1、附图3无人机2置于北斗卫星1的空间环境下，无人机2上安装有北斗差分地理围栏定位模块505，无人机2通过遥控器(2.4g数据链)12进行操作控制。遥控器(2.4g数据链)3无人机遥控器与驾驶员智能手机16链接，可进行双向通信。
参照附图1、附图3驾驶员智能手机16中安装的飞控终端4可以通过usb数据线14及遥控器(2.4g数据链)3构建的通信链路
参照附图1、附图3、附图5中、附图16，北斗差分地理围栏定位模块505可以通过自带的蓝牙、wi-fi模块209模块与驾驶员智能手机16中安装的飞控终端4进行直接通信，可以通过飞控终端4中的通信设置功能来管理附图3中的
参照附图1、附图3、附图5、附图16，gprs模块204通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8构建了一条直接与北斗飞控云平台5之间的数据链路gprs链路
在附图3中gprs链路
在附图3、附图5中当设置启用gprs链路
在附图3、附图5当设置启用遥控器(2.4g数据链)
参照附图1、附图3、其无人机飞控监管云平台5的监管功能是通过安装在无人机2上的北斗差分地理围栏定位模块505经驶员智能手机16、飞控终端4及电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8、北斗地基增强系统网络7配合共同来实现的。
参照附图1、附图2、生产企业产品序列号注册者11、监管机构15都是通过互联网8从北斗飞控云平台5上获取相应的数据服务。其中移动监管者10驾驶员智能手机16、北斗差分地理围栏定位模块505都可通过电信运营商2g/4g/5g网络9、互联网8从北斗飞控云平台5上获取相应的数据服务。
参照附图2从北斗飞控云平台5上设有无人机用户注册数据库301、飞控气象数据库302、gis-二次雷达数据格式转换服务303、生产企业产品序列号注册数据库304、北斗cors差分数据服务305、行业应用飞控服务306、地形数据库307、地图数据库308，三维城市数据库309、地理围栏数据库310、飞行活动上报监管服务311、飞控终端下载服务312、无人机检测认证服务313、室内地图数据库314、无人机飞行数据记录数据库315、lbs位置服务316、平台管理维护服务317、航图数据库318、用户管理服务319等数据服务构成。
参照附图16北斗差分地理围栏定位模块505由处理器201、北斗芯片202、飞行数据记录芯片203、gprs模块204、电子围栏存贮器205、地磁206、电源207、接口208、蓝牙、wi-fi模块209等部分组成。
参照附图1、附图2、附图3、附图4、附图6、附图15强制注册的过程是这样实现的，首先驾驶员通过自身的智能手机16通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8从设在北斗飞控云平台5上的飞控终端下载服务312上下载飞控终端4并安装，在附图4中的注册界面选择注册，进入附图6所示的注册界面进行注册。参照附图15，注册完成后提交注册信息，注册信息被通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8提交到设在北斗飞控云平台5上的用户管理服务319由用户管理服务319进行判断，如果注册信息完整则用户管理服务319向无人机用户注册数据库301发起保存指令，由无人机用户注册数据库301对注册数据进行保存，同时用户管理服务319反馈注册完成信息在飞控终端4中。如果不完整则被反馈提示重新注册。
参照附图1、附图2、附图3、附图4、附图7、附图8、附图9、附图18具体怎样实现强制激活北斗差分地理围栏定位模块505，由此激活无人机2。具体是这样来实现的。在上述注册完成之后，首先驾驶员通过自身的智能手机16上安装的飞控终端4,进入附图4中的登录界面，填写注册时提交的驾驶员姓名、密码进行登录，通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8登录到设在北斗飞控云平台5上的用户管理服务319，由用户管理服务319发起向无人机用户注册数据库301查询，经用户管理服务319查询登录填写信息与无人机用户注册数据库301中保存的注册信息一致则由用户管理服务319向飞控终端4反馈登录成功，同时开启设在北斗飞控云平台5上的lbs位置服务316，确定驾驶员智能手机16的位置，并触发lbs位置服务316、地理围栏数据库310、地图数据库308、飞控气象数据库302、北斗cors差分数据服务305，向驾驶员智能手机16中的飞控终端4推送。如果用户是一个行业用户，根据用户注册时登记的用户类型，用户管理服务319则向行业用户推送上述数据外，还推送相应行业应用数据，如行业应用飞控服务306、地形数据库307、三维城市数据库309的数据，具体数据由行业应用类型确定。
如果用户是室内飞行，则推送室内地图数据库314的数据。
驾驶员智能手机16中的飞控终端4收到通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8推送的数据后，会在飞控终端中呈现这些数据。如气象数据、地图数据、地理围栏数据、位置数据等，这时驾驶员就可以进行飞行路径或飞行区域的规划了。
参照附图8、附图9、附图10、附图11、附图12、附图18，驾驶员可以选择在飞控终端4中进行飞行路径规划或飞行区域规划。其规划方法是先查看飞控气象数据库302推送的气象信息，看所在位置是否满足飞行气象条件，然后查看所在位置周边地图，并查看周边地图中的地理围栏。如果没有地理围栏则直接进行规划，如果有地理围栏则在规划时避开地理围栏。规划完后需向北斗飞控云平台5上的用户管理服务319提交，提交的规划信息需由用户管理服务319发起向地理围栏数据库310、地图数据库308进行比对审核。
在图12中规划路径或区域110穿越了禁飞区109及限高区107，规划飞行路径、飞行区域没有避让所在位置地理围栏的禁飞区域、限高区域，则审核不通过，并提示驾驶员避让。反之则通过审核。审核通过后用户管理服务319将发起指令保存规划数据并向驾驶员智能手机16中的飞控终端4反馈。驾驶员在飞控终端4中确认，同时终端4发起向北斗差分地理围栏定位模块505中的电子围栏存贮器205上传规划数据及所在位置周边地理围栏数据。数据上传完成后驾驶员就可以在飞控终端4中点击激活指令来激活北斗差分地理围栏定位模块505，模块激活后则输出位置信息给无人机飞控，这时无人机2就可以进入工作状态，可以正常飞行了。一次飞行结束后需要重新登录、规划飞行路径或飞行区域、激活的过程进行下一次飞行。
无人机2在飞行过程的数据会被保存在北斗差分地理围栏定位模块505中的飞行数据记录芯片203中，这些数据包含飞行时的飞机各系统的飞行参数，这些数据在飞行结束后可上传到北斗飞控云平台5上无人机飞行数据记录数据库315中进行保存。
参照附图1、附图2、附图3、附图13用户的无人机2的飞行轨迹数据(包括位置、高度数据)会实时上传到北斗飞控云平台5上的用户管理服务319，并通过其保存在无人机飞行数据记录数据库315中，移动监管者10、监管机构15、通过电信运营商2g/4g/5g网络9及互联网8登录到设在北斗飞控云平台5上的飞行活动上报监管服务311进行监管监视。
参照附图8、附图9、附图10、附图11、附图12无人机驾驶员可直接在飞控终端中监视无人机2的飞行轨迹、飞行参数，
参照附图1、附图13监管机构15在监管者pc显示器界面上可以看到无人机的数量、驾驶员、行业用户、用途分类统计、飞行轨迹等详细信息。
参照附图2、附图14各级监管机构可以根据本地区情况制定地理围栏，地理围栏可分为禁飞区域、限高区域，图14中jx001区域、xx001区域，监管机构15通过互联网8登录到设在北斗飞控云平台5上的飞行活动上报监管服务311上进行任何形状的地理围栏的设定，这些地理围栏包含永久地理围栏和临时地理围栏，是一个动态的地理围栏系统，监管机构15可随时通过地理围栏编辑器401进行制定。在地理围栏编辑器401中设好的地理围栏会以地理围栏表单402形式被保存在地理围栏数据库中310中。
参照附图8、驾驶员可以在飞控终端上进行飞行路径规划如飞行路径101，也可进行飞行区域规划如飞行区域102，飞行路径指无人机2沿着规划的闭合路线进行飞行，飞行区域指无人机在一个闭合线内部区域进行飞行。
参照附图3、附图9、附图10、附图16、附图19，北斗差分地理围栏定位模块505安装在无人机2上，北斗差分地理围栏定位模块505上的接口208与无人机2上的飞控相接，北斗差分地理围栏定位模块505上的电子围栏存贮器205接收到审核后的规划飞行路径103数据后，通过预先植入的围栏算法会在规划的飞行路径内外侧自动生成与路径平行的拦截虚拟地理围栏，在图9中无人机2沿着规划路径103飞行时有可能会在a点起沿着①路径与外侧虚拟地理围栏104相撞，也可能沿着②路径与内侧虚拟地理围栏105相撞，其中内外侧虚拟地理围栏104、105与路径103间的距离由植入的数值决定。在图10中无人机2沿着规划路径106飞行在c点进入限高区域107，从c点开始北斗差分地理围栏定位模块505发出悬停位置数据，并提醒降低高度飞行，在c点到d点的路径④为限高飞行路径。无人机2执行规划路径飞行模式时则北斗差分地理围栏定位模块505执行图19的逻辑判断流程，由此做到强制无人机2按规划飞行路径飞行的目的，并实现自动限高飞行。
参照附图3、附图11、附图16、附图17北斗差分地理围栏定位模块505上的电子围栏存贮器205接收到审核后的规划飞行区域108数据后，通过预先植入的围栏算法会在规划的飞行区域内侧自动生成与飞行区域边界平行的虚拟地理围栏，在图11中无人机2在规划的飞行区域108进行飞行，在某个时刻其沿着路径③飞行，会在b点飞出规划区域108。无人机2执行规划区域飞行模式时则北斗差分地理围栏定位模块505执行图17的逻辑判断流程，由此做到强制无人机2在规划飞行区域内进行飞行的目的，同时也能实现自动限高飞行。
无人机2第一次越过规划区域围栏边界，北斗差分地理围栏定位模块505启动自动返航飞行模式。
如果无人机2第一次越过规划区域边界时候没能返航或者降落还是一直飞的话，北斗差分地理围栏定位模块505会建立一个新的与原规划区域边界或规划路径平行的和高度增加10米的新的虚拟地理围栏。无人机2一旦越过这个新的虚拟地理围栏，则北斗差分地理围栏定位模块505再一次启动自动返航飞行模式。
每次越过虚拟地理围栏边界但返航失败时候，都会在上一个虚拟地理围栏基础上建立一个新虚拟地理围栏(间隔和高度增加10米)，如果最后建立的新虚拟地理围栏已经比初始规划的区域平行间隔或者高度大50米，北斗差分地理围栏定位模块505就直接切换到降落。本发明中北斗差分地理围栏定位模块505对地理围栏的执行是依据算法不可见的执行。通过北斗差分地理围栏定位模块505对地理围栏算法的执行，是实现了对无人机2的强制监管的方法之一。
综上实施例所述，本发明通过在无人机上安装北斗差分地理围栏定位模块及驾驶员手机中的飞控终端，结合无人机飞控监管云平台实现了对无人机的强制监管，同时为不同用户提供了多样化的数据服务。从而解决了无人机无法被强制监管的目的，同时为无人机及无人机用户提供了全新的定位技术及增值的数据服务。
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