基于桿塔的無人機(jī)巡線通信中繼方案設(shè)計(jì)

吳勁暉，王 彬，時(shí)滿紅，王 前

（1.浙江省電力調(diào)度通信中心，浙江 杭州 310007；2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 311200；3.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

基于桿塔的無人機(jī)巡線通信中繼方案設(shè)計(jì)

吳勁暉1，王 彬2，時(shí)滿紅3，王 前3

（1.浙江省電力調(diào)度通信中心，浙江 杭州 310007；2.國家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 311200；3.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

針對無人機(jī)巡線作業(yè)中通信中繼電臺部署問題，通過對無線信道的衰落特性深入分析，綜合考慮自由空間傳播損耗和多徑衰落，給出一種無線信號復(fù)合衰落模型和中繼電臺覆蓋模型，并就電力線巡檢中常遇到的平地場景和山地場景給出了中繼電臺的部署方案，對其中的兩種場景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對無人機(jī)巡線業(yè)務(wù)的拓展特別是中繼電臺部署具有重要的參考價(jià)值。

電力線巡檢；無人機(jī)；通信；中繼

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)的需求和依賴程度不斷增加，電網(wǎng)安全越來越受到社會大眾的廣泛關(guān)注。輸電線路作為電網(wǎng)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，更需要在安全巡檢上不斷加強(qiáng)。電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，不僅提高了電網(wǎng)事故的發(fā)生概率，而且使得電網(wǎng)巡檢的工作量與難度也隨之增加。而利用無人機(jī)巡檢電力線路，具有不受地形環(huán)境限制、費(fèi)效比低等優(yōu)勢，同時(shí)無需顧慮其意外墜毀可能導(dǎo)致的人員傷亡等問題，因此備受電力行業(yè)的歡迎［1-2］。

無人機(jī)巡檢技術(shù)融合了航空、遙感、電子、電力、飛行控制、通信、圖像識別等多個(gè)高尖技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)起來難度比較大，世界范圍內(nèi)專門研究無人機(jī)電力線巡檢技術(shù)的并不多。在國外，雖然無人機(jī)巡檢技術(shù)研究較早，但利用無人機(jī)巡檢電力線的研究當(dāng)前只側(cè)重在圖像識別和數(shù)據(jù)處理等方面［3-4］。相比之下，國內(nèi)的研究水平還較低。2007年3月，廣西桂能信息公司承接華北電網(wǎng)北京超高壓公司項(xiàng)目，對源霸雙回輸電線路進(jìn)行直升機(jī)巡檢，開創(chuàng)了國內(nèi)直升機(jī)載激光雷達(dá)巡檢的先河。國家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行無人直升機(jī)的巡檢研究，取得了階段性成果［5］。湖南省電力科學(xué)研究院利用四旋翼UAV在冬季導(dǎo)線嚴(yán)重覆冰的情況下進(jìn)行巡檢實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出四旋翼UAV巡檢的一些缺陷，并設(shè)計(jì)了改進(jìn)措施。此外，江西、遼寧、廣東、云南、貴州等省級電網(wǎng)公司也進(jìn)行過UAV巡檢的嘗試，不過大多是購買UAV產(chǎn)品搭載相機(jī)、熱像儀等設(shè)備進(jìn)行巡檢拍攝，技術(shù)上并沒有更進(jìn)一步的提高。

無人機(jī)巡線中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是無線通信技術(shù)，是指對無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸?shù)募夹g(shù)。信息傳輸是指無人機(jī)任務(wù)載荷傳感器觀測信息下傳至控制中心的信息傳輸過程［6］。無線通信系統(tǒng)由機(jī)載模塊、中繼模塊（可選）和地面站模塊3部分組成［7］。其中，中繼模塊可以固定裝設(shè)在線路桿塔上也可通過中繼無人機(jī)搭載。研究表明，中繼模塊的安裝方式將直接影響無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，而中繼模塊的安裝方式受中繼模塊的通信覆蓋性能的嚴(yán)重影響。目前，關(guān)于無人機(jī)巡線中的中繼電臺的通信覆蓋范圍及相應(yīng)的中繼電臺部署方案國內(nèi)外還沒有專門的研究文獻(xiàn)和成果。因此，在綜合考慮傳播路徑損耗和多徑衰落的基礎(chǔ)上，分析了無人機(jī)與中繼電臺之間特定頻段衰落特性，給出一種信道復(fù)合衰落模型，并針對平地場景和典型山地場景提出了中繼電臺的部署方案，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足無人機(jī)超視距通信的實(shí)際需求，驗(yàn)證了研究的中繼電臺部署方案在無人機(jī)巡線中具有重要參考意義。

1 通信鏈路中的中繼模式

在進(jìn)行電力線路巡視的過程中，無人機(jī)采用直通和中繼兩種模式與地面控制中心通信。直通模式只用在無人機(jī)距離地面控制中心較近且沒有任何障礙物的情況下。中繼模式中，無人機(jī)通過中繼電臺向地面控制中心下傳數(shù)據(jù)，并接收控制中心的控制指令。

在具體的線路巡視中，要解決山體阻擋及輸電線路電磁干擾，擴(kuò)展無人機(jī)巡視的距離，必須采用中繼模式進(jìn)行信息傳輸。無人機(jī)的中繼模式有地面中繼和空中中繼2種。地面中繼模式是將中繼設(shè)備安裝在某個(gè)線路塔上，其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、成本較低。而空中中繼模式是通過增加一定數(shù)量的中繼飛機(jī)擴(kuò)大無人機(jī)的巡視范圍，由于無人機(jī)數(shù)量的增加，必定會使系統(tǒng)復(fù)雜度提高、降低系統(tǒng)的可靠性，并提高系統(tǒng)成本。相比空中中繼模式，地面中繼模式是未來無人機(jī)巡線中繼模式的一個(gè)很好選擇。因此，研究無人機(jī)巡線的中繼電臺部署方案，對拓展無人機(jī)巡線作業(yè)范圍，最大限度地發(fā)揮無人機(jī)在巡線作業(yè)中的優(yōu)勢具有重要意義。無人機(jī)巡線地面中繼模式的通信鏈路模型如圖1所示，無人機(jī)與中繼電臺之間通過無線實(shí)現(xiàn)通信，各中繼電臺與地面控制中心通過光纖連接實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 地面中繼模式模型

2 信道衰落模型

無線信號傳播過程中通常受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落3種因素影響，導(dǎo)致中繼鏈路的最大傳輸距離不確定。路徑損耗表示大尺度范圍內(nèi)無線信號傳播損耗的均值，地空通信環(huán)境下可近似等于自由空間傳播損耗。陰影衰落是由于在電波傳播過程中，遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，造成信號場強(qiáng)中值的緩慢變化。多徑衰落是由于接收端收到的信號是經(jīng)過折射、反射和直射等不同路徑傳播來的多個(gè)信號的疊加，從而造成接收信號起伏急劇變化，誤碼率增加。

根據(jù)無線電頻譜的劃分規(guī)定，2.4GHz頻段為免費(fèi)頻段，該頻段的使用不需向無線電委員會申請，因此，幾乎所有的民用無人機(jī)通信、藍(lán)牙、WiFi等都使用該頻段。所以，研究中所用的地面中繼電臺與無人機(jī)通信電臺的中心頻率均設(shè)為2.45GHz。該頻段通信的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通信頻率高、通信設(shè)備之間是視距通信，多徑衰落和自由空間傳播損耗是影響電波傳播距離的主要因素。

電波自由空間傳播損耗為

式中：d為傳播距離，m；λ為無線電波波長，m。使用對數(shù)表達(dá)方式，自由空間傳播損耗可表示為

式中：f為載波頻率，MHz；d為傳播距離，km。

多徑衰落表示在慢衰落基礎(chǔ)上接收信號幅值的快速起伏，目前廣泛采用Nakagami模型，Nakagami分布可表示為

式中：l為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相對距離，m；Ls為多徑隨機(jī)衰落平均功率，dBm，Ls此處取自由空間傳播損耗的衰落功率；m≥0表示衰落因子，用于描述信道衰落的惡劣程度，值越小信道越惡劣，實(shí)測m=1.2～10；Γ（·）是Gamma函數(shù)。

結(jié)合多徑衰落和自由空間傳輸損耗，將（1）式代入（3）式可得信道復(fù)合衰落分布為

3 中繼電臺覆蓋模型

借鑒文獻(xiàn)［8］覆蓋半徑計(jì)算思路，通過計(jì)算不同傳播距離時(shí)的通信中斷概率，確定中繼電臺覆蓋半徑。

中繼電臺發(fā)射信號功率為PT，dBm；無人機(jī)接收靈敏度為RS，dBm；中繼電臺天線增益為，dBi；無人機(jī)機(jī)載天線增益為GT，dBi；系統(tǒng)增益為GP，dB；系統(tǒng)裕量為SFM，dB。若系統(tǒng)能夠正常通信，信道衰落L必須滿足：

通信暢通（滿足接收信號最小功率要求）的概率為

若假設(shè)接收機(jī)中斷通信的概率 Pout不超過 rmax（系統(tǒng)正常通信允許的最大中斷概率）時(shí)系統(tǒng)就能正常工作，則此時(shí)的中繼通信電臺的覆蓋模型（最大覆蓋半徑）為

式中：

4 中繼電臺布置方案

4.1 仿真分析

為了便于后續(xù)中繼電臺部署方案的研究分析，參考某預(yù)研的無人機(jī)巡線項(xiàng)目的參數(shù)，按照前面的分析得到的中繼電臺覆蓋模型通過數(shù)值仿真給出典型系統(tǒng)的通信覆蓋范圍。

假設(shè)中繼電臺發(fā)射信號功率PT＝27 dBm；中繼電臺天線增益為GT=3 dBi；無人機(jī)機(jī)載天線增益為GR=3 dBi；系統(tǒng)增益GP=1；系統(tǒng)裕量SFM大于15 dB；衰落因子m=10。根據(jù)中繼電臺覆蓋模型仿真可得無人機(jī)接收靈敏度分別為RS=－95 dBm，－90 dBm，－85 dBm，－80 dBm，－75 dBm，－70 dBm時(shí)，系統(tǒng)能夠正常通信的時(shí)間概率隨通信距離的變化曲線，如圖2所示。

圖2 正常通信的時(shí)間概率隨通信距離的變化曲線

假設(shè)正常通信概率大于0.9時(shí)系統(tǒng)就能夠正常通信 （假設(shè)后續(xù)所選用的信道編碼及其他處理措施可以保證系統(tǒng)在中斷概率小于0.1時(shí)可以正常通信），不同無人機(jī)接收靈敏度條件下的通信距離的典型值如表1所示。由仿真結(jié)論可以看出，當(dāng)接收機(jī)靈敏度只有－90 dBm時(shí)，中繼電臺的最大覆蓋半徑只有1 860m。

表1 不同接收靈敏度下通信距離

4.2 中繼點(diǎn)部署方案

按照50 km巡線范圍，假設(shè)：相鄰兩個(gè)電力線鐵塔之間距離為600m，無人機(jī)巡線通信設(shè)備參數(shù)與4.1節(jié)仿真參數(shù)相同，系統(tǒng)在中斷概率小于0.1時(shí)可以正常通信，接收機(jī)靈敏度為-90 dBm，考慮多徑衰落。則根據(jù)4.1節(jié)仿真結(jié)果，單個(gè)中繼電臺覆蓋半徑不超過1 860m，即最長可以覆蓋3.72 km的傳輸線路。設(shè)置平地、山地兩種場景，分析中繼點(diǎn)部署方案。

4.2.1 平地場景中繼點(diǎn)部署方案

相鄰兩個(gè)鐵塔之間距離為600m，為保證中繼電臺對整個(gè)電力線路的無縫覆蓋，在相鄰中繼節(jié)點(diǎn)之間的信號有120m重疊區(qū)域條件下，中繼點(diǎn)部署方案為：每隔5個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺（每6個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺），50km巡線范圍至少需要部署14個(gè)中繼電臺。

4.2.2 山地場景中繼點(diǎn)部署方案

由于山區(qū)場景下的山體具體情況復(fù)雜，衰落更為嚴(yán)重，中繼電臺的信號覆蓋范圍較平原地帶應(yīng)該有所縮小，中繼點(diǎn)部署方案只有在確定輸電線路鐵塔安裝地點(diǎn)和周邊山體自然情況后，通過實(shí)際測量才能確定，否則極有可能出現(xiàn)中繼信號的覆蓋盲區(qū)。因此，在山地部署中繼電臺應(yīng)該適當(dāng)增加相鄰中繼電臺的信號重疊范圍，并將中繼點(diǎn)盡量部署在待覆蓋區(qū)域的最高點(diǎn)處，從而最大化中繼點(diǎn)的覆蓋范圍。下面給出3種情況下的山地場景中繼點(diǎn)部署方案。

1）輸電線路連續(xù)跨越兩個(gè)以上山體時(shí)，且相鄰山體最高點(diǎn)距離小于3.7 km時(shí)，在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺。輸電線跨越近距離山體中繼電臺部署方案如圖3所示。

圖3 輸電線跨越近距離山體中繼電臺部署方案

2）輸電線路連續(xù)跨越兩個(gè)以上山體時(shí)，且相鄰山體最高點(diǎn)距離大于3.7 km時(shí)，在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺，兩山體中間輸電線路鐵塔應(yīng)視情況架設(shè)1個(gè)或多個(gè)中繼電臺。輸電線跨越遠(yuǎn)距離山體中繼電臺部署方案如圖4所示。

圖4 輸電線跨越遠(yuǎn)距離山體中繼電臺部署方案

3）輸電線路沿山脈走勢架設(shè)（輸電線與山脈走勢基本平行）。此時(shí)輸電線不需要跨越山體，鐵塔之間沒有高達(dá)障礙物，中繼點(diǎn)部署方案與平原地區(qū)的中繼點(diǎn)部署方案相同即每隔5個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺，50 km巡線范圍至少需要部署14個(gè)中繼電臺。輸電線沿山脈架設(shè)中繼電臺部署方案如圖5所示。

圖5 輸電線沿山脈架設(shè)中繼電臺部署方案

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依托現(xiàn)有條件對中繼電臺部署的部分方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)1：平地場景中繼點(diǎn)部署方案驗(yàn)證。

根據(jù)平地場景中繼點(diǎn)部署方案要求，在某機(jī)場構(gòu)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境，每間隔3 km的地面上部署1個(gè)中繼電臺，在沿跑道方向上共部署4個(gè)中繼電臺，覆蓋距離約12 km。實(shí)驗(yàn)中無人機(jī)沿跑道直線方向最遠(yuǎn)飛行距離11 km，實(shí)現(xiàn)了超視距飛行，飛行過程中保持了通信的連續(xù)、暢通，視頻信息回傳正常。

實(shí)驗(yàn)2：山地場景中繼點(diǎn)部署方案驗(yàn)證。

在浙江紹興一段實(shí)驗(yàn)線路開展實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)線路共有6級桿塔，跨越2個(gè)山體，相鄰山體最高點(diǎn)距離為2.8 km，該實(shí)驗(yàn)線路符合4.2中方案1的環(huán)境特征。采取在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺的方案。實(shí)驗(yàn)中無人機(jī)在有遮蔽的情況下，跨越山體飛行20min，飛行距離3.2 km，飛行過程中能夠保持通信的連續(xù)、暢通，視頻信息回傳正常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通信中繼方案是合理、可行的。

6 結(jié)語

無人機(jī)作為一種新技術(shù)，其巡檢電力線路具有不受地形環(huán)境限制、可靠性和安全性高、費(fèi)效比低等優(yōu)勢。然而，無人機(jī)巡線中的中繼電臺的安裝方式受中繼電臺通信覆蓋性能的嚴(yán)重影響。假設(shè)所研究的無人機(jī)巡線的中繼電臺安裝在電力線鐵塔上，對無線信道的衰落特性進(jìn)行了深入分析，給出無線信號復(fù)合衰落模型和中繼電臺覆蓋模型。隨后，就電力線巡檢中常遇到的平地場景和山地場景給出了中繼電臺的部署方案，并對平地場景中繼點(diǎn)部署方案和山地場景中繼點(diǎn)部署的第1種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對無人機(jī)巡線通信中繼建設(shè)具有重要參考價(jià)值。

［1］于德明，武藝，陳方東，等.直升機(jī)在特高壓交流輸電線路巡視中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（2）：29-32.

［2］邵允臨，曹晉恩，尚大偉.直升機(jī)巡檢華北電網(wǎng)超高壓輸電線路［J］.中國電力，2003，36（7）：35-38.

［3］李力.無人機(jī)輸電線路巡線技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

［4］成剛，楊隨虎.無人機(jī)機(jī)載光電系統(tǒng)綜述［J］.應(yīng)用光學(xué)，2005，26（4）：1-4.

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Design of Relay Scheme for UAV Line Patrol Communication Based on Tower

WU Jinhui1，WANG Bin2，SHIManhong3，WANG Qian3
（1.Zhejiang Electric Power Dispatching and Communication Center，Hangzhou 310007，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 311200，China；3.Air Force EarlyWarning Academy，Wuhan 430019，China）

Aiming at solving the problem of deploying and distributing the communication relay stations for operating UAVs for power-line inspection，amodel ofwireless signal decay and relay coverage is developed and presented in this paper.Thismodel is derived through in-depth analysis of the characteristic of attenuation of the wireless signals，taking the free space propagation loss and multipath fading into consideration.The deployment strategies of the relay station are discussed for the plat ground and mountainous situation respectively as they are the most frequent situation during the power-line inspection.The model are verified by experiments for two specific sites.Research and experimental results provides valuable data for the future developmentof the UAV-patrol-operation，especially on the relay station deployment.

power line inspection；UAV；communication；relay

TM755

A

1007－9904（2017）06－0049－04

2016-12-06

吳勁暉（1971），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化研究工作。