無人機(jī)電力線路巡檢機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器研制

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 易 琳 錢金菊

中國人民解放軍總參謀部第六十研究所 包令聰 韓正偉

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡作業(yè)中心 蒙華偉 汪 勇

無人機(jī)電力線路巡檢機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器研制

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 易 琳 錢金菊

中國人民解放軍總參謀部第六十研究所 包令聰 韓正偉

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡作業(yè)中心 蒙華偉 汪 勇

本文研究了一種在電力巡線領(lǐng)域應(yīng)用的無人機(jī)機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器，該機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器由調(diào)制解調(diào)單元、綜合業(yè)務(wù)處理單元、保密單元、電源組成，解決無人機(jī)電力巡線中調(diào)制解調(diào)器不僅需要滿足衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸鏈路的要求，還需要滿足無人機(jī)環(huán)境的使用要求，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)通信和圖像、視頻在載機(jī)和指揮所之間的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，具有總體傳輸效率高、解調(diào)門限低、頻偏捕獲能力強(qiáng)、系統(tǒng)的通信速率與可用率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用突發(fā)模式的通信信號(hào)有效地抗旋翼遮擋。該機(jī)載通信調(diào)制解調(diào)器對(duì)于衛(wèi)星通信無人機(jī)電力巡檢有著重要意義，具有很好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

寬帶衛(wèi)星；衛(wèi)星通信；無人直升機(jī)；電力巡線；調(diào)制調(diào)解器

1.引言

機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器在無人機(jī)電力巡線領(lǐng)域的應(yīng)用在國內(nèi)外具有廣泛的研究[1-6]。無人機(jī)電力巡線在電力系統(tǒng)執(zhí)行多樣化任務(wù)時(shí)，載機(jī)與指揮所之間的通信是保障無人機(jī)效能發(fā)揮的重要因素。機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器在高效遠(yuǎn)程的通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，以保證在全天候條件下的語音、數(shù)據(jù)通信和圖像、視頻的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，也提高載機(jī)在復(fù)雜地形和氣象條件下的廣域通信保障能力。

機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器不僅需要滿足衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸鏈路的要求，還需要滿足無人機(jī)環(huán)境的使用要求。這就需要機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器在保證總體傳輸效率高、解調(diào)門限低、頻偏捕獲能力強(qiáng)、系統(tǒng)的通信速率與可用率高的前提下，滿足溫濕度、振動(dòng)沖擊、防鹽霧霉菌及尺寸重量等設(shè)計(jì)要求[7-10]。

在這些思想的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一種新的無人機(jī)電力巡線的機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器，介紹了該調(diào)制解調(diào)器的組成以及功能。該調(diào)制解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電力巡線中多業(yè)務(wù)遠(yuǎn)程通信的需求，并可適用于全天候的復(fù)雜地形及氣象條件。

2.電力巡線中機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作原理

針對(duì)與導(dǎo)線安全距離的控制及實(shí)時(shí)監(jiān)控等環(huán)境使用要求問題，機(jī)載寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有極大優(yōu)勢(shì)，本節(jié)對(duì)該系統(tǒng)做出來詳細(xì)的闡述。

2.1 通信體制

軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中主要采用FDMA和TDMA體制。TDMA體制除去必要的同步和糾錯(cuò)外，通過增加報(bào)頭開銷實(shí)現(xiàn)多址，主要用于多個(gè)大型地球站同時(shí)對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行通信。信道速率比用戶業(yè)務(wù)速率要高得多（多個(gè)用戶共享同一信道速率），假設(shè)用戶速率為64Kbps時(shí)，空間信道速率就要在384Kbps以上，這樣對(duì)于地面站的天線和功放要求都很高。FDMA體制通過不同頻帶實(shí)現(xiàn)多址，分配給用戶的本頻帶資源除去必要的同步和糾錯(cuò)外可全部用于用戶業(yè)務(wù)開銷。FDMA體制在一個(gè)時(shí)刻只向一個(gè)方向進(jìn)行傳輸（可以多個(gè)站接收，同一時(shí)刻可以有一個(gè)站回傳），所以用戶速率和空間信道速率一致。由于直升機(jī)機(jī)載站的體積和重量受限，而導(dǎo)致天線和功放增益受限，同時(shí)結(jié)合我國衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器受限的EIRP和G/T值特點(diǎn)，決定了有限的資源必須全部用于用戶信息的傳輸，所以機(jī)載衛(wèi)星通信一般都使用FDMA體制。

2.2 系統(tǒng)組成

衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器用于實(shí)現(xiàn)載機(jī)與指揮所之間，在全天候條件下的語音、數(shù)據(jù)通信和圖像、視頻的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。該機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器由調(diào)制解調(diào)單元、綜合業(yè)務(wù)處理單元、保密單元、電源組成。對(duì)外接口包括視頻接口、音頻接口和數(shù)據(jù)接口。

本系統(tǒng)采用中國衛(wèi)星公司的Ku 頻段的衛(wèi)星資源進(jìn)行衛(wèi)星通信[11]。下行頻率為12.25GHz～12.75GHz，上行頻率在14GHz～14.5GHz之間。

2.3 主要功能

衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：a)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)：包括編碼、變頻、調(diào)制和解調(diào)、解碼等過程；b)音、視頻編解碼；c)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚與調(diào)度；d)信息加解密；e)與直升機(jī)的管理系統(tǒng)之間的接口監(jiān)視和管理：通過接口與直升機(jī)管理系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)對(duì)信道設(shè)備的控制和管理。

3.技術(shù)方案設(shè)計(jì)

考慮到傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器無法滿足日益復(fù)雜的電力巡線任務(wù)，本文提出了一種新的用于無人機(jī)電力巡線的機(jī)載衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器，本機(jī)載衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器的改進(jìn)，采用了高速突發(fā)調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，克服了傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器發(fā)出與接收信號(hào)受旋翼遮擋的不足，能夠更準(zhǔn)確高效地進(jìn)行無人機(jī)電力巡線，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)突發(fā)通信。

3.1 系統(tǒng)總體性能要求和指標(biāo)

首先必須對(duì)通信調(diào)制解調(diào)器的總體參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)無人機(jī)電力巡線的基本要求，基本參數(shù)設(shè)計(jì)如下[12]：

1）誤碼率

Pb＜1E-7（BPSK調(diào)制，1/2編碼，Eb/N0為 2.8dB時(shí)，突發(fā))

Pb＜1E-7（QPSK調(diào)制，2/3編碼，Eb/N0為 3.8dB時(shí)，突發(fā)）

2）通信速率

速率不低于1024Kbps。

3）數(shù)據(jù)接口

RS422接口、以太網(wǎng)口

4）音頻編碼

模擬音頻輸入，8Kbps/2.4Kbps編碼速率

5）視頻編碼

PAL或XGA接口，H.264編碼，可變速率編碼

6）外形尺寸

315mm×194mm×57.2mm

7）其他要求

重量不得超過3Kg，使用高度在0～5000m之間。

3.2 方案設(shè)計(jì)

一個(gè)機(jī)載調(diào)制解調(diào)器包括信道單元和音頻、視頻信道單元，可以同時(shí)工作。頻信道單元可支持8Kbps/2.4Kbps編碼速率，視頻信道采用H.264編碼，可變速率編碼。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 機(jī)載調(diào)制調(diào)解器原理圖