中繼通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

周興霞，程多祥，趙 楨，廖小露

(四川省測(cè)繪地理信息局測(cè)繪應(yīng)急保障中心，四川 成都 610081)

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中繼通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

周興霞，程多祥，趙 楨，廖小露

(四川省測(cè)繪地理信息局測(cè)繪應(yīng)急保障中心，四川 成都 610081)

近年來，無人機(jī)以機(jī)動(dòng)靈活、快速高效的優(yōu)勢(shì)，在災(zāi)情偵查、災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)后重建等應(yīng)急測(cè)繪保障工作中發(fā)揮了重要作用，已成為國家航空應(yīng)急救援體系的組成部分之一。但通信距離短、通信方式單一、地形環(huán)境影響大等因素已嚴(yán)重限制無人機(jī)在高山區(qū)、遠(yuǎn)距離作業(yè)任務(wù)等復(fù)雜條件下的應(yīng)急測(cè)繪保障應(yīng)用。本文以提高無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障能力為核心，研究了一種結(jié)合中繼通信技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)距離操控技術(shù)。通過開展無線電通信、衛(wèi)星通信及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等多種中繼通信方式研究、集成與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形環(huán)境下的無人機(jī)遠(yuǎn)距離安全操控和災(zāi)情地理信息數(shù)據(jù)快速獲取，能夠有效提升應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)能力。

無人機(jī)；中繼通信；應(yīng)急測(cè)繪保障

近年來，無人機(jī)航攝系統(tǒng)以機(jī)動(dòng)靈活、快速高效、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，在突發(fā)公共事件發(fā)生后“第一時(shí)間”災(zāi)情地理信息快速獲取與共享服務(wù)工作中發(fā)揮了重要作用[1-2]，并成功應(yīng)用于“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震、“6·18”以來系列洪災(zāi)、“4·25”尼泊爾地震西藏重災(zāi)區(qū)域等應(yīng)急測(cè)繪保障工作，為各級(jí)政府和有關(guān)部門開展決策部署、應(yīng)急救援、災(zāi)情評(píng)估和災(zāi)后重建等工作提供了快速、準(zhǔn)確、優(yōu)質(zhì)的多源災(zāi)情地理信息服務(wù)[3-5]。同時(shí)，無人機(jī)航攝系統(tǒng)主要通過地面無線電臺(tái)實(shí)現(xiàn)地面與航攝平臺(tái)的通信，存在易受電磁波干擾、通信方式單一、信號(hào)易受阻擋等問題，對(duì)無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪操控距離與飛行安全造成很大的應(yīng)用局限，難以滿足應(yīng)急時(shí)期“長帶狀”航線飛行及高山峽谷等復(fù)雜條件下多源應(yīng)急影像的快速安全獲取[6]。

中繼通信技術(shù)服務(wù)于遠(yuǎn)距離通信，通過中繼方式對(duì)信號(hào)接收和放大實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的相互傳遞，在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用已較為廣泛且成熟[7]。近年來，國外研制的“捕食者”“全球鷹”等中遠(yuǎn)程無人機(jī)系統(tǒng)，普遍采用同步通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺(tái)，構(gòu)成衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，轉(zhuǎn)發(fā)無人機(jī)的遙控指令和圖像/遙測(cè)信息，并充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的超視距測(cè)控和信息傳輸。但國內(nèi)外面向小型無人機(jī)系統(tǒng)的中繼通信技術(shù)研究相對(duì)較少，無人機(jī)在應(yīng)急測(cè)繪保障領(lǐng)域的中繼通信技術(shù)應(yīng)用更為稀缺，尚缺少多種通信方式相結(jié)合、可應(yīng)用于應(yīng)急測(cè)繪保障實(shí)戰(zhàn)的無人機(jī)中繼通信技術(shù)。

本文通過研究應(yīng)急狀態(tài)下無線電通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等通信方式的工作原理[8-10]，針對(duì)性地解決無人機(jī)在山區(qū)和遠(yuǎn)距離獲取應(yīng)急影像數(shù)據(jù)時(shí)通信信號(hào)易受阻擋的關(guān)鍵技術(shù)，集成了單種和多種中繼通信方式的無人機(jī)航攝系統(tǒng)，并結(jié)合西南地區(qū)應(yīng)急測(cè)繪保障工作實(shí)際，歸納總結(jié)了中繼通信網(wǎng)絡(luò)在提升無人機(jī)航攝操控距離和安全性中的應(yīng)用。最后對(duì)應(yīng)用中存在的技術(shù)問題和難點(diǎn)進(jìn)行討論，提出相應(yīng)的解決途徑。

一、無人機(jī)中繼通信工作原理

根據(jù)無人機(jī)中繼通信信號(hào)接收來源，中繼通信方式可分為無線電通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等3種手段。無線電中繼主要通過中繼無人直升機(jī)、基于無線分布式系統(tǒng)(WDS)的無線中繼、數(shù)傳電臺(tái)中繼等方式構(gòu)建中繼通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)傳電臺(tái)(radio modem)具有使用成本低、繞射能力強(qiáng)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠(yuǎn)的特點(diǎn)，較為適合機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的小型無人機(jī)系統(tǒng)在地理環(huán)境復(fù)雜和多點(diǎn)協(xié)同應(yīng)急狀態(tài)下使用。銥星移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋全球，軌道低、傳輸速度快、通信質(zhì)量較高，可滿足自然災(zāi)害現(xiàn)場、通信落后的邊遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)傳和定位跟蹤需求。GPRS無線數(shù)傳模塊是一款內(nèi)嵌GSM/GPRS核心單元的無線通信終端，廣泛應(yīng)用于GPRS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多工業(yè)與民用領(lǐng)域。

從應(yīng)急狀態(tài)下快速、高效、安全、遠(yuǎn)距離獲取災(zāi)情地理信息的需求綜合考慮，本文重點(diǎn)研究數(shù)傳電臺(tái)、銥星衛(wèi)星和GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼通信的工作原理。

1. 數(shù)傳電臺(tái)中繼通信工作原理

數(shù)傳電臺(tái)中繼通信主要由兩套地面站、一架任務(wù)機(jī)和一架中繼機(jī)組成，包含5部數(shù)傳電臺(tái)。中繼機(jī)搭載中繼電臺(tái)和自駕儀電臺(tái)共兩部電臺(tái)，其中中繼電臺(tái)與任務(wù)機(jī)自駕儀及任務(wù)機(jī)地面站電臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)任務(wù)機(jī)地面站對(duì)任務(wù)機(jī)的測(cè)控。中繼機(jī)自駕儀數(shù)傳電臺(tái)與中繼機(jī)地面站電臺(tái)進(jìn)行通信。如圖1所示。

圖1 數(shù)傳電臺(tái)中繼通信工作原理

2. 銥星衛(wèi)星中繼通信工作原理

將銥星通信模塊與無人機(jī)(任務(wù)機(jī))運(yùn)載平臺(tái)及自駕儀集成，實(shí)現(xiàn)銥星與自駕儀的遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為解決銥星衛(wèi)星通信人工撥號(hào)操作繁瑣且信號(hào)連接不穩(wěn)定的技術(shù)難題，研發(fā)銥星撥號(hào)模塊，實(shí)現(xiàn)銥星衛(wèi)星通信模塊自動(dòng)撥號(hào)控制。該模塊可自動(dòng)與機(jī)載銥星設(shè)備進(jìn)行撥號(hào)連接，數(shù)據(jù)傳輸過程中如果數(shù)據(jù)鏈中斷，軟件能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)撥號(hào)重新建立鏈路連接以確保銥星通信鏈路的可靠性。如圖2所示。

圖2 銥星衛(wèi)星中繼通信工作原理

3. 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼通信工作原理

在無人機(jī)(任務(wù)機(jī))和地面站分別集成GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊。由于運(yùn)營商分配給每個(gè)模塊的IP地址不固定，每次登錄的IP地址都不相同，將導(dǎo)致兩個(gè)GPRS模塊之間不能直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。因此，需先指定一個(gè)NAT(network address translation)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換服務(wù)器進(jìn)行IP地址靜態(tài)分配，再通過在GPRS模塊的芯片內(nèi)植入通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。機(jī)載GPRS模塊讀取自駕儀輸出的飛行狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，上傳到NAT網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，無人機(jī)地面站同樣通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問到指定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過實(shí)時(shí)上傳和下載無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信的方式控制無人機(jī)航攝作業(yè)。如圖3所示。

圖3 GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼通信工作原理

二、中繼通信技術(shù)在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

1. 單種中繼通信方式在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

(1) 多種通信方式比較

數(shù)傳電臺(tái)中繼通信傳輸頻率高、數(shù)據(jù)傳輸承載量大，可實(shí)現(xiàn)跨越障礙物建立通信鏈路。但該方式受起降場地限制較大，當(dāng)起降場地狹窄、地面不平整或只可單向起降時(shí)，在起降過程中易受場地或風(fēng)向影響導(dǎo)致無人機(jī)受損或墜毀。若連續(xù)起降作業(yè)機(jī)和中繼機(jī)，起降風(fēng)險(xiǎn)倍增。

銥星衛(wèi)星中繼通信傳輸距離遠(yuǎn)，不受地面站和無人機(jī)之間的遮擋干擾，適用遠(yuǎn)距離和跨越障礙物建立通信鏈路。但衛(wèi)星信號(hào)傳輸延時(shí)較長，使用費(fèi)用較高，且地面站架設(shè)需選擇場地開闊、地面衛(wèi)星信號(hào)接收穩(wěn)定的區(qū)域。

GPRS移動(dòng)通信中繼通信適用于無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的遠(yuǎn)距離和跨越障礙物建立通信鏈路。但受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度限制較大，在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域無法使用，且無線網(wǎng)信號(hào)覆蓋主要針對(duì)地面，在空中衰減較大。當(dāng)?shù)孛嫘盘?hào)強(qiáng)度不夠時(shí)，由于空中信號(hào)較弱，通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，不推薦采用該通信模式。

基于以上對(duì)3種中繼通信方式的比較，需要根據(jù)災(zāi)區(qū)位置、起降場地條件及起降場地相對(duì)于災(zāi)區(qū)的地理位置等因素，合理選擇通信方式。以起降場地與災(zāi)區(qū)間有無遮擋、起降場地困難程度、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度作為判斷依據(jù)，按照數(shù)傳電臺(tái)中繼通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼通信和衛(wèi)星中繼通信的優(yōu)先級(jí)別，設(shè)置首選和備份通信方式。當(dāng)首選通信方式中斷后，依據(jù)優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行切換選擇。

3種通信方式對(duì)比情況見表1。

表1 3種中繼通信方式對(duì)比

(2) 數(shù)傳電臺(tái)中繼通信方式工作流程

基于數(shù)傳電臺(tái)中繼通信方式在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，單種中繼通信方式在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用將以數(shù)傳電臺(tái)中繼通信為例。應(yīng)急隊(duì)伍到達(dá)選擇起降場地后，根據(jù)應(yīng)急指令完成中繼機(jī)和無人機(jī)(任務(wù)機(jī))任務(wù)航線規(guī)劃、組裝、調(diào)試等準(zhǔn)備工作，測(cè)算中繼機(jī)最低制式高度，操控起飛中繼機(jī)。待中繼機(jī)爬升至預(yù)設(shè)空域平穩(wěn)飛行且任務(wù)機(jī)中繼通信鏈路穩(wěn)定后，起飛任務(wù)機(jī)執(zhí)行應(yīng)急航攝任務(wù)。同時(shí)，應(yīng)急航攝任務(wù)執(zhí)行完畢后，應(yīng)先降落任務(wù)機(jī)，再降落中繼機(jī)。此工作流程的優(yōu)點(diǎn)是一旦中繼通信信號(hào)不穩(wěn)定或中斷時(shí)，地面操控人員可先降落中繼機(jī)，查找原因并解決問題后重新起飛，這樣可以大大提高任務(wù)機(jī)飛行安全性。

同時(shí)，中繼機(jī)的航線設(shè)計(jì)為單點(diǎn)按制式圈盤旋，制式圈位置應(yīng)盡量靠近起飛場地，避開任務(wù)航線；制式高度根據(jù)起降點(diǎn)位置和高度、測(cè)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離和高度、遮擋物方位和高度等因素共同決定。如圖4、圖5所示，可通過航攝分辨率要求和相機(jī)參數(shù)計(jì)算出飛行高度H2(H2=相機(jī)焦距×地面分辨率÷像元尺寸)，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)量測(cè)山體高度H1、起飛點(diǎn)到山體的距離L1及航線最遠(yuǎn)點(diǎn)距離起飛點(diǎn)的距離L2；中繼機(jī)距離起飛點(diǎn)距離近，可將起飛點(diǎn)作為中繼機(jī)位置計(jì)算。中繼機(jī)最低制式高度h可根據(jù)公式：L1÷L2=(H1-h)÷(H2-h)計(jì)算得出。

2. 多種中繼通信方式在應(yīng)急測(cè)繪保障中的集成應(yīng)用

在通用掛載接口改造、機(jī)艙布局調(diào)整的基礎(chǔ)上，升級(jí)地面站軟件，集成開發(fā)的通信協(xié)議，擴(kuò)展通信接口，實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)中繼通信、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)通信等多種中繼通信技術(shù)與無人機(jī)航攝系統(tǒng)的無縫集成。其中，地面站軟件增加了通信鏈路監(jiān)測(cè)和控制工具欄，并進(jìn)行鏈路監(jiān)控、信號(hào)切換等程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各種通信模式的監(jiān)測(cè)、選擇和智能切換，解決了應(yīng)急狀態(tài)下信號(hào)極易中斷的突發(fā)情況，有效增強(qiáng)了無人機(jī)的適應(yīng)性。同時(shí)，開展銥星模塊自動(dòng)撥號(hào)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)研發(fā)了銥星自動(dòng)撥號(hào)硬件模塊，并進(jìn)行了撥號(hào)軟件研發(fā)與嵌入，解決了銥星通信過程中鏈路易掉線、通信不穩(wěn)定、不連貫的問題，實(shí)現(xiàn)了連通銥星鏈路或鏈路中斷后自動(dòng)撥號(hào)，保障了銥星通信鏈路的穩(wěn)定、連貫。

圖4 電臺(tái)中繼通信工作流程

注：L1為中繼機(jī)與山體之間的距離；H1為山體相對(duì)高度；L2為中繼機(jī)與航線最遠(yuǎn)點(diǎn)距離；H2為任務(wù)機(jī)相對(duì)飛行高度。圖5 電臺(tái)中繼通信示意圖

在應(yīng)急狀態(tài)下，需根據(jù)不同的地形條件、飛行環(huán)境選擇合適的通信方式，并通過其他方式進(jìn)行鏈路備份。以上3種中繼通信方式集成應(yīng)用時(shí)，優(yōu)先級(jí)依次為數(shù)傳電臺(tái)、GPRS和衛(wèi)星設(shè)計(jì)算法。通過應(yīng)急測(cè)繪保障實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用驗(yàn)證，集成了無線電通信、衛(wèi)星通信及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等通信方式的小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多架無人機(jī)在我國西南地區(qū)高山峽谷地區(qū)不低于114 km的協(xié)同應(yīng)急、遠(yuǎn)距離操控和實(shí)時(shí)監(jiān)控。突破了復(fù)雜地形導(dǎo)致的通信信號(hào)阻擋等問題，有效提高了低空航空應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。如圖6所示。

圖6 多種中繼通信方式在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用流程

三、結(jié)束語

本文針對(duì)應(yīng)急測(cè)繪保障中無人機(jī)遠(yuǎn)距離航攝通信問題，采用信道編碼技術(shù)、信道均衡技術(shù)、快速捕獲技術(shù)及多鏈路冗余備份等關(guān)鍵技術(shù)，首次研究了集無線電通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信等多種中繼通信方式于一體的無人機(jī)航攝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型無人機(jī)在不小于114 km的遠(yuǎn)距離應(yīng)急測(cè)繪保障中繼通信應(yīng)用。無人機(jī)中繼通信能力的大幅提升，有效解決了在山區(qū)和遠(yuǎn)距離獲取應(yīng)急影像數(shù)據(jù)時(shí)通信信號(hào)易受阻擋的問題，增強(qiáng)了無人機(jī)應(yīng)對(duì)重大突發(fā)公共事件應(yīng)急測(cè)繪保障的能力，為在復(fù)雜條件下開展航空應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了極大的便利。同時(shí)，進(jìn)一步拓寬了通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障和低空攝影測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

[1] 崔紅霞,林宗堅(jiān),孫杰. 無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 測(cè)繪通報(bào),2005(5):11-14.

[2] 林宗堅(jiān). UAV低空航測(cè)技術(shù)研究[J]. 測(cè)繪科學(xué),2011(1):5-9.

[3] 李德仁,李明. 無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014(5):505-513.

[4] 湯建國,胡傳文,王玲,等. 省級(jí)應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)體系研究[J]. 測(cè)繪通報(bào),2012(7):94-96.

[5] 尹杰,萬遠(yuǎn),楊玉忠,等. 測(cè)繪地理信息在應(yīng)急測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 中國應(yīng)急管理,2015(10):48-51.

[6] 王憲倫. 關(guān)于無人機(jī)應(yīng)用安全問題的一點(diǎn)探討[J]. 測(cè)繪與空間地理信息,2011(1):87-88.

[7] 康文崢,王海濱. 無人機(jī)通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015(2):42-43.

[8] 徐贊新,袁堅(jiān),王鉞，等.一種支持移動(dòng)自組網(wǎng)通信的多無人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(2):150-155.

[9] 符小衛(wèi),程思敏,高曉光. 無人機(jī)協(xié)同中繼過程中的路徑規(guī)劃與通信優(yōu)化[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2014(5):890-894.

[10] 袁征,武毅. 微小型無人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子世界,2015(20):80-81.

Application Research of the Relay Communication Technology in UAV Emergency Surveying and Mapping

ZHOU Xingxia，CHENG Duoxiang，ZHAO Zhen，LIAO Xiaolu

2016-04-07

2016年國家基礎(chǔ)測(cè)繪科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016KJ0301)；四川省測(cè)繪地理信息局科技支撐項(xiàng)目(J2014ZC10)

周興霞(1986—)，女，碩士生，工程師，主要研究方向?yàn)閼?yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)、無人機(jī)系統(tǒng)集成與應(yīng)用。E-mail：99268265@qq.com

周興霞，程多祥，趙楨，等.中繼通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(11)：47-50.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0363.

P23

B

0494-0911(2016)11-0047-04