5G无人机应用白皮书.pdf
<p>目录P1P2P12P17P24P26P36P39P45P47引言无人机应用场景和通信需求4G网络能力5G网络能力网联无人机终端通信能力5G应用案例无人机安全飞行标准进展趋势，总结和展望贡献单位IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。1IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书引言无人驾驶航空器（ Unmanned Aerial Vehicle,以下简称 U AV）简称为无人机，其全球市场在过去十年中大幅增长，现在已经成为商业、政府和消费应用的重要工具。无人机能够支持诸多领域的解决方案，可以广泛应用于建筑、石油、天然气、能源、公用事业和农业等领域。当前，无人机技术正在朝军民融合的方向高速发展，无人机产业已经是国际航空航天最具活力的新兴市场，成了各国经济增长的亮点。无线通信在过去 20 年经历了突飞猛进的发展，从以话音为主的 2G 时代，发展到以数据为主的 3G 和 4G 时代，目前正在步入万物互联的 5G 时代。移动网络在继续丰富人们的沟通和生活的同时，也向全行业数字化转型提供能力，提高各行业的运作效率和服务质量。 5G 以全新的网络架构，提供 10Gbps 以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升。 ITU 定义了 5G 三大场景：增强移动带宽（ Enhanced Mobile Broadband,以下简称 eMBB）、超高可靠低时延通信（ Ultra-Reliable Low-latency Communications，以下简称 uRLLC）、大规模机器类通信（ Massive Machine-Type Communications，以下简称 mMTC）。无人机行业高速发展的同时，也对无人机通信链路提出了新需求，呈现出与蜂窝移动通信技术紧密结合的发展趋势，形成 “网联无人机 ”。业界预测，无人机与移动通信的结合，将给产业界带来 10倍的商业机会。移动运营商经过几十年的发展覆盖了全球 70%的陆地及 90%的人口。以往无线信号主要覆盖地面的人和物，没有专门为无人机设计空中覆盖，低空数字化是一块有待开发的宝藏。在即将到来的 5G时代， 5G蜂窝移动通信技术与无人机的结合使得这些原本难以想象的想法成为可能。本文将给出网联无人机应用场景和通信需求、 4G现网及未来 5G网络对无人机需求的满足度， 5G网络下网联无人机的应用案例，无人机终端通信能力，安全飞行相关法规与通信需求，标准进展，并对网联无人机的未来进行展望。注：无人机有多种分类方法(飞行高度、重量、用途、动力、活动半径)本文中的无人机是作业高度300m以下民用无人机2IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书1.应用场景综述无人机是利用无线遥控和程序控制的不载人飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人类完成空中作业。目前以消费类无人机占据更多的市场份额，但行业无人机也正在被看好。今年6月结束的 2018世界无人机大会预测，未来 5年，全球行业无人机行业将保持迅猛发展，到 2022年市场总值将达到 150亿美元，为 2016年的近 12倍；其出货量将突破 62万架，是 2016年的 6倍。目前，在中国乃至世界各地，诸多领域已显现出 “无人机 +行业应用 ”的蓬勃发展势头。无人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通信、气象监视、农林作业、海洋水纹监测、矿产勘探等领域应用的技术效果和经济效益非常显著。此外，无人机在灾害评估、生化探测及污染无人机应用场景和通信需求图 2-1 数字网联天空采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐、野生动物保护等方面也有着广阔的应用前景。深圳市无人机行业协会提供的统计数字显示，截至 2017年 12月 31日， 2017年中国国内民用无人机产量达到 290万架，同比增长 67%；其中深圳的民用无人机产值已达 300亿元人民币，占据全球民用无人机市场份额的 70%。接入低空移动通信网络的网联无人机，可以实现设备的监视和管理、航线的规范、效率的提升，促进空域的合理利用，从而极大延展无人机的应用领域，产生巨大经济价值。基于新一代蜂窝移动通信网络 5G为网联无人机赋予的实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，全球将形成一个数以千万计的无人机智能网络， 7x24小时不间断地提供航拍、送货、勘探等各种各样的个人及行业服务，进而构成一个全新的、丰富多彩的 “网联天空 ”。3IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书1.1 物流1.1.1 业务场景描述对比传统物流行业，无人机物流优势明显。规避拥堵，运输快速高效：相对于地面运输，无人机物流具有方便快速的优点，在山区较多的省份，陆路运输所耗费的时间和成本较平原地区高很多，采用无人机则可能以同样的成本实现更高的物流效率。在拥堵的城市和偏远的山区运送急需物品，则可能比陆运节省 80%的时间，而且按照发达国家经验，高层建筑势必会越来越多地配备直升机停机坪，也能够方便无人机起降。应对小批量任务，解放人力：无人机物流可以有效节省人力资源的消耗，将复杂环境下和大批量的投递任务交给人和地面车辆，而将简单场景下的小批量的投递任务交给无人机，则可以更充分地发挥人力的灵活应变能力，减少体力消耗。摆脱地形限制，应对极端条件：在极端条件下，无人机可以轻松抵达地面车辆无法到达的区域，例如在应急救援物资的投送任务中，无人机配合直升机可以大大提高投送效率。1.1.2 发展趋势和特点物流配送进入无人机时代，打开了国内、外物流运输的新战场。物流快递是极具潜力的无人机应用领域之一。 2017全球智慧物流峰会数据显示， 2016年智慧物流市场规模达到 2000亿元，到 2025年将超过10000亿元。近年来，我国逐渐重视并鼓励无人机在物流等专业领域的应用。 2018 年 1月，国务院出台关于推进电子商务与快递物流协同发展的意见，明确指出要提高科技应用水平，鼓励快递物流企业采用先进适用技术和设备，提升快递物流装备自动化、专业化水平。今年全国邮政管理工作会议还提出，要促进科技创新，推广应用无人机、无人车、无人仓库等技术。1.1.3 通信能力需求实现无人机物流配送包括运营调度中心、无人机配送站、物流终端（即无人机）三个实体。4IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书表 2-1 无人机物流场景网络指标在配送过程中涉及配送任务的下发、配送任务执行、无人机状态上报等环节，无人机物流当前对通信的需求包括：飞行状态上报以及 RTK高精度定位信息的下发，出于飞行安全和紧急情况处理考虑，物流无人机也需要具备视频回传实时操控能力，在必要的时候由人工接管。2.3 农业植保2.3.1 业务场景描述植保机械化是实现农业种植机械化、现代化的关键一环。相对于有人驾驶飞机喷洒而言，无人机植保具有作业效率高、单位面积施药液量小、无需专用起降机场、机动性好等优点，其在日本等国家发展已十分成熟。无人机植保包括喷洒农药种子、巡逻监视、病虫监察等应用。无人机植保作业与传统人工植保相比，具有精准高效、安全环保、智能化、操作简单等特点，在农业领域，植保无人机在不断证明着它的突出优势。一是提高植保效率，节约资源成本。无人机植保作业强度高，可同时代替多人的劳动力;采用喷雾喷洒方式至少可以节约50%的农药使用量，节约90%的用水量，这将很大程度地降低资源成5IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书本;与传统植保机械相比，植保无人机还具有折旧率低、单位作业人工成本低、易保养等特点。二是防治效果好，减少污染并提高产量。无人机植保具有作业高度低、飘移少、可空中悬停等特点，喷洒农药时旋翼产生的向下气流有助于增加气流对农作物的穿透性，减少农药损失，且其覆盖率优于人工操作，防治效果好，可有效减少农药对土壤的污染并助产增收。三是作业安全性高，降低中毒风险。无人机操作规范，远距离操控避免了作业人员暴露于农药下的危险，提高了作业的安全性。解决了传统人工植保方式中经常出现的中毒、中暑以及踩踏作物等问题。2.3.2 发展趋势和特点近10多年来，农业植保无人机在我国迅猛发展。至2017年9月，不完全统计，全国植保无人机装机量达到近万架，已经在包括水稻、小麦、玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病虫害防治作业，实际效果证明已经达到实用水表 2-2 无人机农业植保场景网络指标平，正处于迅速发展阶段。无人机测绘先行，测绘除了土地信息外，也包括气候采集如风速、天气，温度、湿度以及大气压力的数据实时观测。高效、快捷的测绘可用于路径规划和精准作业，即测即洒是未来植保无人机发展的方向。未来无人机农业植保将成为一种服务，互联网农业服务平台公司一端连接种植户，一端连接专门提供无人机喷洒农药服务的队伍，搭建了一套农业生产服务平台，种植户无需购买无人机，只需要订购农事服务。2.3.3 通信能力需求植保无人机当前经营模式通常由植保队操作，飞行状态数据实时通过蜂窝网络上报云端用于计费和管理，高精度定位信息通过短距通信或蜂窝网络下发给无人机。土地勘测图片数据量大，目前以存在SD卡上为主，未来希望网络提供实时传输。6IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书2.4 巡检、安防、救援2.4.1 业务场景描述无人机在公共安全领域应用众多，如边防监控、消防监控、环境保护、刑侦反恐、治安巡逻等。突发事件中，无人机可以代替警力及时赶往现场，利用可见光视频及热成像设备等，把实时情况回传给地面设备，为指挥人员决策提供依据。在公共安全作业中，无人机典型网络需求包括：实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位我国领土由于地理环境和气候的多样性，各种自然灾害时有发生，每年因自然灾害、事故灾害造成的经济损失高达数千亿，灾后救援工作尤为重要。无人机在展开救援作业中可实现快速响应，在第一时间到达现场，迅速展开作业；采集现场数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者进行评估和决策；能够实现通信中继功能，快速恢复现场局部通信；跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理。基础设施巡检是指对输电线路、输油管道、基站塔台、桥梁、风力发电机等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。传统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人身安全风险。无人机以成本低、灵活性强、安全性高、受自然环境及地形影响较小、视角更优等特点，越来越广泛地应用于基础设施巡检领域。电力设备中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、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。从作业安全、作业效率、作业质量等多个方面出发，无人机逐渐替代人工巡视，是电力行业解决老大难问题，推行智能巡检技术的必然选择。随着电网快速发展，电力行业机巡作业市场规模不断增加，除输电线路巡检外，在规划设计、基建工程、物资配送、安全监督等领域也提出了无人机作业需求，同时在风电发电、光伏发电、铁塔公司等其它能源行业市场，潜在需求量巨大。2.4.2 发展趋势和特点公共安全监控市场需求巨大。根据预测，美国公共安全领域的无人机约占商业无人机总量的10%，预计到 2020年市场规模约为 51 亿元；按照中美未来公共安全支出比例估算，保守预计 2020 年中国国内公共安全市场空间约 70 亿元。而无人机因为零人员伤亡、恶劣环境作业、强机动、易操作等突出优点，使其成为公共安全监控领域的7IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书新星，市场潜力巨大。通过智能无人机飞行平台以及 5G蜂窝网络能力的有效引入，促进了传统安防产业向天地一体化协同作战的方向转型以及多场景安防能力的智慧升级，必将作为一种新型的安防解决方案模式得到更加广泛的应用，从而促进传统安防服务商的智慧升级，带动整个产业的发展。无人机应用在基础设施巡检领域包括：建筑外墙巡检、电力巡检、基站巡检、石油管线巡检以及河道巡检等。电力塔、通信基站、石油管线等公共设施往往架设在郊区或城区楼顶等区域且分布较为分散，挂载变焦摄像头的网联无人机，可按照指定的任务点执行诸如，检测螺丝松动、标签等动作，结合图像识别还可完成天线挂高、倾角的计算等工作，并生成巡检记录和巡检报告。未来随着无人机续航能力的增强，以及 5G 通信模组的成熟，结合边缘计算（ Mobile Edge Computing,以下简称 MEC）的应用， 5G 综合承载无人机飞控、图像、视频等信息将成为可能。无人机与控制台均与就近的 5G 基站连接，在 5G 基站侧部署边缘计算服务，实现视频、图片、控制信息的本地卸载，直接回传至控制台，保障通信时延迟在毫秒级，通信带宽在 10Mbps 以上。同时还可利用 5G 高速移动切换的特性，使无人机在相邻基站快速切换时保障业务的连续性，从而扩大巡线范围到数公里范围以外，极大提升巡线效率。2.4.3 通信能力需求在巡检，安防，救援场景中，无人机需要具有优良的飞行稳定性、较快的反应能力、不间断地进行现场的实时跟踪，同时可以实时回传高清视频用于人眼或计算机 AI的分析识别。具体来说，无人机此类业务的典型网络需求包括：实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位。表 2-3 无人机巡检、安防、救援场景网络指标8IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书2.5 测绘2.5.1 业务场景描述无人机测绘领域中，通过无人机抓取数据制作实时实景地图的技术方案，可以实现在不同的应用场景基于地图的数据挖掘，在抢险、科研、教育、智慧农业、智慧城市、勘察、场景巡检等领域，提供强大的扩展空间，让行业应用人员根据需求定制理想的飞行平台。无人机倾斜摄影技术的诞生，颠覆了传统测绘的作业方式，该技术通过无人机低空多位镜头摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取，具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用等特点，满足测绘行业的不同需求。极大有助于测绘行业内、外的协同工作，解决了由于天气等外因造成的工作延误，把原本大量的业外工作转变成业内工作，极大的解放了测绘人员的劳动时间和减少劳动强度。2.5.2 发展趋势和特点网联无人机可以毫秒级速度制作实景矢量地图，相对传统做一张地图需要数天、数周甚至数月的更新时间，无人机完成了从地图数据的抓取、传输、拼接、纠偏、上传至云端更新最新地图的完整流程，并提高了数百倍效率。2.5.3 通信能力需求测绘场景下，除了典型的飞行状态监控、远程操控以及网络定位业务需求，在需要实时构建测绘模型场景下，实时图像传输、图像处理对网络大带宽需求尤为迫切。表 2-4 无人机测绘场景网络指标2.6 直播2.6.1 业务场景描述无人机可以将视野带入高空，以上帝视角俯瞰。无人机全景虚拟现实 VR(Virtual Reality，以下简称 VR)直播将带来更为震撼的身临其境的直播感受。通过无人机挂载 360度全景镜头进行视频拍摄，全景相机完成视频采集、拼接处理与视频流处理，通过连入 5G网络上行链路将 4K/8K全景视频传输到核心网侧视频服务器，再通过下行链路传输给多位用户。而用户只要戴上 VR眼镜，就都可以随时随地无延迟的体验激动人心的现场。9IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用 白皮书5G无人机 VR直播在未来将会广泛用于体育赛事、演艺活动等大型活动极致体验直播以及广告、新闻、电影等商业活动拍摄中。随时随地都能通过 VR全景直播获取比现场更好的体验，将指日可待。2.6.2 发展趋势和特点2017年我国网络表演（直播）市场营收达到304.5亿元，相比 2016年的 218.5亿元，同比增长39%。网络表演（直播）已经成为网络文化内容供应、技术创新、商业模式创新的代表，成为网络文化市场重要组成部分。航拍娱乐是大众对无人机最熟悉的应用领域，未来无人机在该领域的市场规模将有望到达 300亿。目前主流直播平台清晰度以 1080P为主，最高为 2K，随着在线直播业务的兴起与终端设备的更新换代，直播玩家对体验要求不断升级，催生大量 4K/8K视频影像实时直播业务需求。2.6.3 通信能力需求在直播业务中，无人机需要网络稳定高速保障实现高清实时视频传输，当前业界能力可以实现 4K实时直播，未来为获得更清晰的画面更好体验，需要升级到 8K视频回传。同时直播场景也需要飞行状态监控、远程操控、网络定位能力，具体网络指标如下：表 2-5 无人机直播业务网络指标2.7 编队飞行2.7.1 业务场景描述目前无人机除了单机应用外，多机编队也开始出现，当前多机编队主要应用于表演领域。无人机编队表演需要解决授时、导航、抗干扰、路径协调等多个难题，多架无人机协同运动需要精确的定位也需要精确同步的时间，酷炫的编队还需要规划合理的路线，同时要应对相互间的干扰。多无人机协同编队飞行可以扩大任务范围、提高任务执行效率和完成质量。其中涉及的多无人机状态感知和数据融合、任务分配和航迹规</p>
