一种基于自组网络中继与GSM通信的无人机监控系统的制作方法

本发明涉及无人机监管系统领域，具体涉及一种基于自组网与gsm通信的无人机监控系统。

背景技术：

随着近年来无人机技术飞速发展进步，我国民用无人机市场呈现出蓬勃发展之势，主要应用在涉及航拍、航测、人工降雨、农业作业和监视、遥感探矿、森林防火、气象探测和监视、海岸和边境巡逻、安防和监控、紧急救援、飞行俱乐部、应急减灾、警情监视等，其已经渗透到国民经济的各个领域。但由于无人机的起飞与回收方式多样，机动灵活且个体通常较小，造成无人机监管难度很大。再加上多数无人机用户不办理任何飞行审批手续，或者违反空域管理规定飞行，对航空安全造成严重威胁。

因此，发展一种适用于无人机的监控系统是十分必要的。

技术实现要素：

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种通信距离远、可实时上报无人机信息、天气信息预警、身份识别、空域限制等功能的无人机监控系统。

本发明的一种基于自组网络中继与gsm通信的无人机监控系统，包括监视管理中心(后简称中心)、无人机监控天空端(后简称天空端)、无人机监控地面端(后简称地面端)和无人机监控手机客户端(后简称手机客户端)。

所述监视管理中心应处于固定地点，包括气象信息服务器、空域信息服务器、数据通信服务器、显示指挥终端。其主要功能是汇总通过gsm网络传递来的无人机的信息，汇总当前空域信息、气象信息等，对无人机运行区域进行监控。所述气象信息服务器用于得到目标无人机处实时天气状况，并通过数据通信服务器发送会目标无人机地面端，为无人机驾驶员提供参考。所述空域信息服务器用于为提供目标无人机处飞行情报信息服务，包括禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的范围，临时隔离空域以及民航和军方的临时限制区域等信息，并通过数据通信服务器传递到目标无人机地面端和显示指挥终端，用于无人机驾驶员和中心监控员观察。所述数据通信服务器用于接收处理gsm网络上的所有运行中无人机信息，并提供给显示指挥终端、气象信息服务器和空域信息服务器。所述显示指挥终端用于集成显示当前运行的所有无人机的信息、气象信息、空域信息等，通过人工监控无人机的运行，保证运行安全，并可以向目标无人机地面端发送警示信息。

所述无人机监控天空端，需要安装在无人机上，包括飞行信息模块、通信模块、身份信息模块、数据处理模块、数据存储模块、供电模块，其功能主要是获得当前无人机的飞行信息并定期通过通信模块将信息传递到监视管理中心或其他飞行器。所述飞行信息模块主要用于获得当前无人机的飞行信息，包括但不限于飞行速度、高度、位置经纬度、气压、温度等信息，该信息可以通过安装在天空端上的传感器如gps、气压计、空速计等获取，也可以通过数据接口，从目标无人机飞行控制器中直接获得。所述通信模块包括gsm通信模块和自组网中继通信模块，其中gsm通信可以实现监视管理中心和无人机间的双向通信，自组网中继通信模块可以实现各个通信模块(包括天空端和地面端)之间组网的中继，实现相邻无人机间的双向通信，提高其通信距离。最为重要的是可以实现一架无人机不直接与gsm网络相连，可以通过与另一架无人机中继，利用另一架无人机的gsm网络实现与中心间的数据传递。所述身份信息模块存储有当前无人机的唯一注册编号和基本类型参数，用于身份确认和确定限制区域，其信息由只读存储器(rom)保存，防止用户非法篡改。所述数据处理模块可以认为是一个中央处理器(cpu)，用于处理天空端所需的各种数据信息。所述数据存储模块用于存储一定时间内的飞行参数和飞行轨迹，若定期向外发送该无人机的飞行信息失败，可存入数据存储模块，待通信正常以后继续发送，保证对无人机的监视。所述供电模块用于对天空端内部的所有部件提供电源，保证其正常工作，其具有外部电源接口可以从无人机处获得电能供给，同时也具有内部电池储备，电池可以保证其正常工作2个小时，若无人机发生事故，可以保证有足够的电能向该无人机驾驶员和中心持续发出救援信号，便于搜寻无人机。

所述无人机监控地面端包括位置信息模块、通信模块、民航ads-b信号接收模块、显示器、数据处理模块、数据存储模块和供电模块，其主要功能是接收天空端发送来无人机信息、附近民航飞机信息和中心发送来的空域信息、气象信息、警示信息、附近无人机飞行信息等，为无人机驾驶员提供飞行所需信息参考。其所述位置信息模块用于获取地面端所处的位置经纬度和高度，可以通过地面端内部安装的gps模块获得。所述通信模块包括gsm通信模块、wifi通信模块和自组网中继通信模块，其中gsm通信可以实现监视管理中心和地面端间的双向通信，自组网中继通信模块可以实现各个通信模块(包括天空端和地面端)之间组网的中继，提高其通信距离。该中继通信的特点是：所有加入某一中继通信网络的天空端和地面端，只要其中有任一通信模块中的gsm模块接入gsm网络，都可以保证所有的天空端与地面端与中心之间建立双向通信连接，进行数据传递。该功能可以大大提升无人机在gsm网络信号不佳的地区作业时的实时监控能力。其中wifi通信模块用于建立地面端和驾驶员手机客户端之间的数据联系。所述民航ads-b信号接收模块用于接收附近的民航飞机飞行信息，并在地面端显示，若无人机距民航飞机过于接近，则对驾驶员发出警告，并上报中心。所述显示器用于显示信息，包括但不限于相应无人机的飞行信息、附近空域信息、附近民航飞机飞行信息、无人机的飞行信息以及气象信息等，为无人机驾驶员提供参考。数据处理模块可以认为是一个中央处理器(cpu)，用于处理地面端所需的各种数据信息。所述数据存储模块用于存储一定时期内当前无人机飞行信息、气象信息和空域信息，用于后期查看。所述供电模块用于对地面端内部的所有部件提供电源，保证其正常工作，其具有外部电源接口同时也具有内部电池储备。

所述无人机监控手机客户端是一个手机软件系统，无人机驾驶员手机利用wifi与地面端连接，通过客户端对无人机驾驶员进行身份验证，只有验证通过，无人机天空端和地面端才被解锁，若发现非法起飞，则上报中心。无人机驾驶员验证方式包括但不限于用户名密码、人像识别、指纹验证、飞行密码验证等，记录飞行过程，计入飞行履历。中心也可以通过客户端或者拨打手机对无人机驾驶员的危险行为进行制止。无人机驾驶员也可以通过手机客户端完成飞行任务的报备工作，便于中心的管理。

本发明的无人机监控系统在某次无人机飞行时的典型工作过程如下：先开启该无人机电源和地面端电源，确定当前起飞点的位置，接收中心传来的数据，完成无人机信息的认证和空域限制的确定。无人机驾驶员利用手机wifi连接地面端，通过手机客户端完成无人机驾驶员的身份认证，确定当前无人机驾驶员准许驾驶当前无人机。验证完成后，无人机驾驶员通过手机客户端上传飞行计划、飞行任务，报备完成后即可起飞。在飞行中，天空端采集到的飞行信息通过中继网络或gsm网络不断向外发送，中心和附件无人机监控地面端均可以收到并显示，同时天空端会不断记录当前飞行轨迹。地面端则不断接收中心传递来的空域信息和气象信息，以及自身收到的民航ads-b信息，若发现无人机靠近限制空域、民航飞机或者其他无人机，则会通过地面端或手机客户端对无人机驾驶员进行警告，并上报中心。无人机执行完任务，安全降落，关闭无人机电源，关闭地面端电源，天空端对当前位置进行判断，若符合降落地点，则自行关闭。本次飞行任务结束。

本发明的优点在于：

(1)实现了监视管理中心对无人机飞行的实时监控；

(2)采用中继通信网络和gsm网络，提高了实时监控的范围和能力；

(3)可接收民航ads-b信息，引导驾驶员避开相关空域，保证航空运行的安全；

(4)可接收空域限制信息和气象信息，保证无人机运行的安全；

(5)可实现无人机和驾驶员的身份信息验证，保证驾驶员的匹配；

(6)可以实现飞行轨迹的记录，作为数据黑匣子便于后期分析；

(7)监视管理中心可以对无人机驾驶员的危险行为进行制止。

附图说明

图1是本发明无人机监控系统典型数据通信结构示意图；

图2是本发明监视管理中心组成示意图；

图3是本发明无人机监控天空端组成示意图；

图4是本发明无人机监控地面端组成示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明无人机监控系统由监视管理中心、无人机监控天空端、无人机监控地面端和无人机监控手机客户端组成，其典型通信方式如图1所示。所述中心接入公共gsm网络，地面端、天空端和手机客户端均可以通过gsm网络连接到中心的各个服务器，并与之进行相应的数据交换。所述天空端的通信方式包括两种：gsm通信和自组网中继通信。gsm通信可以满足附近有gsm信号塔时各天空端与中心的数据交换，如图1中，天空端b可以通过gsm网络连接中心的服务器，但天空端a由于距离太远无法通过gsm网络连接。自组网中继通信可以实现相邻天空端a和天空端b之间的数据通信，也可以实现天空端b与地面端b之间的数据通信，天空端b或者地面端b只要有一个连接到了gsm网络，天空端a可以通过中继网络，然后通过gsm网络与中心建立数据传输通道。所述地面端包括4种通信方式：gsm通信、自组网中继通信、wifi通信和民航ads-b信号接收。图1中，地面端b可以接收到附件民航飞机的ads-b信号，并处理相关信息，在地面端b上显示。同时，地面端b通过自组网中继信号与天空端b建立连接，通过gsm网络与中心建立连接。地面端b与手机客户端b通过wifi连接。所述手机客户端b通过手机wifi模块与地面端b建立数据连接，通过gsm网络与中心建立数据连接。本说明仅为描述2个天空端、1个地面端和1个手机客户端间的通信连接方式，本发明可以容纳更多的天空端、地面端和手机客户端，其通信连接方式可以参考图1继续延伸。

本发明监视管理中心组成如图2所示，包括气象信息服务器、空域信息服务器、数据通信服务器、显示指挥终端。其中气象信息服务器、空域信息服务器和显示指挥终端通过局域网与数据通信服务器连接，数据通信服务器与gsm网络和广域网连接。所述气象信息服务器用于得到目标无人机处实时天气状况。所述空域信息服务器用于为提供目标无人机处飞行情报信息服务，包括禁飞区、危险区、限制区以及民航净空区的范围，临时隔离空域以及民航和军方的临时限制区域等信息。所述数据通信服务器用于接收处理gsm网络上的所有运行中无人机信息，并提供给显示指挥终端、气象信息服务器和空域信息服务器，数据通信服务器同时可以建立各服务器和显示指挥终端之间的数据联系。所述显示指挥终端用于集成显示当前运行的所有无人机的信息、气象信息、空域信息等，监控员通过显示终端可以实时监控无人机的运行，保证运行安全，发现不安全因素可以通过指挥系统对驾驶员进行发出警示信息。

本发明无人机监控天空端组成如图3所示，包括飞行信息模块、通信模块、身份信息模块、数据处理模块、数据存储模块、供电模块。所述飞行信息模块可以获得当前无人机的飞行信息，如飞行速度、高度、位置等，其内置gps、气压计、空速计、陀螺仪、加速度计、磁力计等，测得相关信息在飞行信息模块内处理得到当前的飞行信息，同时，具有飞行信息接口，可以从载机的飞控系统中获得当前飞行信息，所有飞行信息将通过数据处理模块处理后，再通过通信模块传递出去。所述通信模块包括gsm通信模块和自组网中继通信模块，通过该两种模块与外部网络相连，内部通过总线与数据处理单元相连，数据处理单元控制其发送信息内容。其中gsm通信可以实现监视管理中心和无人机间的双向通信，自组网中继通信模块可以实现各个通信模块(包括天空端和地面端)之间组网的中继，实现相邻无人机间的双向通信，提高其通信距离。所述身份信息模块用于存储当前无人机的唯一注册编号和基本类型参数，用于身份确认和确定限制区域，所得身份信息由数据处理模块处理后，通过通信模块传递出去，其信息由只读存储器(rom)保存，防止用户非法篡改。所述数据处理模块可以认为是一个中央处理器(cpu)，通过内部总线与飞行信息模块、通信模块、存储模块和身份信息模块相连，并处理各模块产生的各种数据和信息，控制天空端的运行。所述数据存储模块用于存储一定时间内的飞行参数和飞行轨迹，数据存储模块通过内部高速线与数据处理模块相连，数据处理模块可以随时调取、存入信息，例如定期向外发送该无人机的飞行信息失败，则可存入数据存储模块，待通信正常以后继续发送，保证对无人机的监视。所述供电模块内置电池和转换模块，可以从载机取电也可以使用电池，对天空端内所有的模块进电量供给和分配，其内置电池可以保证天空端正常工作2个小时，若无人机发生事故，可以有足够的电能向该无人机驾驶员和中心持续发出救援信号，便于搜寻无人机。

本发明无人机监控地面端组成如图4所示，包括位置信息模块、通信模块、民航ads-b信号接收模块、数据处理模块、数据存储模块、显示器和供电模块。所述位置信息模块通过内置gps天线，处理获得地面端的位置信息，并通过内部总线传递到数据处理模块，结合天空端的位置信息，可以获得天空端相对于地面端的方位，便于设置定向接收天线的指向，同时其位置信息也会通过通信模块发送到中心。所述通信模块包括gsm通信模块、自组网中继通信模块和wifi模块，通过该三种模块与外部网络相连，内部通过总线与数据处理模块相连。其中gsm通信可以实现监视管理中心和地面端间的双向通信，自组网中继通信模块可以实现各个通信模块(包括天空端和地面端)之间组网的中继，实现相邻通信模块间的双向通信，提高其通信距离，wifi模块用于建立与手机客户端间的联系。所述民航ads-b信号接收模块用于接收附件民航飞机发出的ads-b信号，并通过内部总线连接到数据处理模块。所述数据处理模块可以认为是一个中央处理器(cpu)，通过内部总线与位置信息模块、通信模块、数据存储模块、ads-b信号接收器和显示器相连，负责处理各模块产生的各种数据和信息，控制整个地面端的运行。所述数据存储模块用于存储一定时间内由天空端传递来的飞行参数和飞行轨迹、气象信息、空域信息、民航ads-b信息等数据，数据存储模块通过内部高速线与数据处理模块相连，数据处理模块可以随时调取、存入信息。所述显示器用于显示各种所需的信息，如相应无人机的飞行信息、附近空域信息、附近民航飞机飞行信息、无人机的飞行信息以及气象信息等，为无人机驾驶员提供参考，其内部通过总线与数据处理模块相连。所述供电模块内置电池和转换模块，可以从外部取电也可以使用电池，对地面端内所有的模块进电量供给和分配。

本发明无人机监控手机客户端是一个手机软件系统，无人机驾驶员利用手机wifi与地面端建立连接，通过客户端对无人机驾驶员进行身份验证，记录飞行过程，计入飞行履历。中心也可以通过客户端或者拨打手机对无人机驾驶员的危险行为进行制止。无人机驾驶员也可以通过手机客户端完成飞行任务的报备工作，便于中心的管理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。