系留式多旋翼無(wú)人機(jī)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

吳鵬 王黎陽(yáng)

一、應(yīng)用背景

隨著自然生態(tài)的變化，世界各地破壞性自然災(zāi)害頻發(fā)，泥石流、雪災(zāi)、地震、洪水等災(zāi)害覆蓋面廣，地面通信基礎(chǔ)設(shè)施很容易遭到嚴(yán)重破壞，單一的通信技術(shù)手段已無(wú)法滿足復(fù)雜多樣的搶險(xiǎn)救災(zāi)需求，給救援工作帶來(lái)諸多的困難。建立響應(yīng)迅速、可靠穩(wěn)定的應(yīng)急通信系統(tǒng)將為救援工作鋪設(shè)一條生命的通道。

應(yīng)急突發(fā)事件具有地點(diǎn)、時(shí)間不確定性，因此無(wú)線通信方式是解決應(yīng)急通信的主要手段，各種無(wú)線通信方式由于技術(shù)體制、頻段不同而有各自特性，導(dǎo)致不同的通訊方式在通訊距離、系統(tǒng)容量、建設(shè)成本、組網(wǎng)難度等方面有很大的差異。如衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要專屬的通信設(shè)備，使用群體面不夠廣，受眾面較窄，而傳統(tǒng)的公眾移動(dòng)通信網(wǎng)和公眾傳媒網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速的修復(fù)。結(jié)合以上兩種方式，在兼顧地面通信和衛(wèi)星通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用無(wú)人機(jī)空中平臺(tái)搭建一套應(yīng)急通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

二、無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信方案

面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的救災(zāi)場(chǎng)景，為用戶提供快速、靈活、可靠的通信服務(wù)保障的要求，必須充分利用無(wú)線、有線、衛(wèi)星等通信手段，在空中快速組建應(yīng)急通信通道，利用無(wú)人機(jī)搭載通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)已在抗險(xiǎn)救災(zāi)實(shí)踐中運(yùn)用得到充分的驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信方案主要由5部分組成，它們分別是小型ATV、無(wú)人機(jī)、微型基站、發(fā)電機(jī)和線纜。

災(zāi)害發(fā)生時(shí)，搶險(xiǎn)人員駕駛小型ATV接近災(zāi)害發(fā)生地，無(wú)人機(jī)駕駛員可一鍵使無(wú)人機(jī)在車上自動(dòng)起降，設(shè)定自動(dòng)飛行模式時(shí)，無(wú)人機(jī)可與小型ATV汽車實(shí)現(xiàn)同步跟隨，實(shí)現(xiàn)靜止懸停，運(yùn)動(dòng)跟隨的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。無(wú)人機(jī)上搭載微型基站，微型基站與就近的宿主基站通過(guò)光纜相連，實(shí)現(xiàn)有線通信信號(hào)到無(wú)線通信信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使信號(hào)能夠覆蓋到更廣的范圍。當(dāng)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)附近沒(méi)有宿主基站的時(shí)候，也可以選擇衛(wèi)星通信的方式來(lái)接收通信信號(hào)。整個(gè)無(wú)人機(jī)及其搭載設(shè)備電源都來(lái)自地面發(fā)電機(jī)，它們之間通過(guò)電力線相連，24小時(shí)不間斷滯空。

系留式多旋翼無(wú)人機(jī)具有組網(wǎng)快捷、自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。機(jī)身采用碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，翼展軸距1550mm，最大起飛重量28公斤，抗風(fēng)等級(jí)5級(jí)，定點(diǎn)懸停精度0.5米，支持全自動(dòng)導(dǎo)航駕駛飛行。無(wú)人機(jī)飛行高度40米至210米。采用LTE800M組網(wǎng)時(shí)，由于800MHz信號(hào)繞射能力強(qiáng)、覆蓋性能突出，微基站最大可覆蓋25公里，在系統(tǒng)帶寬10M組網(wǎng)時(shí)可同時(shí)為5000多個(gè)手機(jī)用戶提供即時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)大容量、廣覆蓋的應(yīng)急通信需求。為什么選擇系留式多旋翼無(wú)人機(jī)，主要具有以下三項(xiàng)技術(shù)特征：

（一）具有穩(wěn)定懸停的能力。多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)慣性測(cè)量元件對(duì)三維速度、三維加速度和三維角速度的狀態(tài)測(cè)量使多旋翼飛行器保持穩(wěn)定飛行，這是多旋翼無(wú)人機(jī)飛行具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。穩(wěn)定的懸停能力也會(huì)受到外無(wú)人機(jī)本身供電系統(tǒng)的重量、負(fù)荷及系留纜的張力因素的影響，無(wú)人機(jī)懸停高度不超過(guò)100米。

（二）具有長(zhǎng)時(shí)間滯留空中的能力。采取系留供電方式，由地面發(fā)電機(jī)通過(guò)系留電纜進(jìn)行持續(xù)供電，不但可以減輕蓄電池重量，同時(shí)也保證無(wú)人機(jī)不間斷、長(zhǎng)時(shí)間處于飛行懸停狀態(tài)。

（三）具有電磁兼容能力。多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、系留供電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，可利用利用屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、布線技術(shù)、濾波技術(shù)、磁環(huán)材料等降低電磁輻射對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，在飛行過(guò)程中不能影響微基站的性能。

在無(wú)人機(jī)高空基站系統(tǒng)通信系統(tǒng)中，由于受無(wú)人機(jī)載荷和安裝空間限制，對(duì)通信天線要求體積小，重量輕，功耗低，可以實(shí)現(xiàn)全方位的覆蓋輻射，目前應(yīng)急通信系統(tǒng)中有二種常見(jiàn)的天線類型，全向天線和定向天線。全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性。一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用距離近，覆蓋范圍大，價(jià)格便宜，增益一般在9dB以下。定向天線，在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說(shuō)的有方向性。同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍小，目標(biāo)密度大，頻率利用率高的環(huán)境。由于無(wú)人機(jī)本身具有移動(dòng)能力強(qiáng)，可以迅速的在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行部署，同時(shí)險(xiǎn)情區(qū)域的用戶的分布不確定性的特點(diǎn)，因此該應(yīng)用系統(tǒng)選擇全向天線，向各個(gè)角度輻射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各位方位用戶同等接入能力。

另外，無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)的應(yīng)用，需要突破超輕型光電復(fù)合系留纜技術(shù)、輕型化大功率通信載荷技術(shù)、系留供電條件下飛行安全保障等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

三、總結(jié)

本論文對(duì)無(wú)人機(jī)在應(yīng)急通信領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值做了探討，詳細(xì)介紹整個(gè)系統(tǒng)的組成及工作流程，選擇系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的因素，并且針對(duì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的環(huán)境特點(diǎn)，給出了機(jī)載天線選擇意見(jiàn)。系留無(wú)人機(jī)作為應(yīng)急通信平臺(tái)可以完全解決災(zāi)害時(shí)移動(dòng)通訊基站癱瘓的問(wèn)題，它可以通過(guò)系留多旋翼無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)搭載自組網(wǎng)電臺(tái)、集群微型基站、微型基站等多種通信載荷，形成多種靈活的通信應(yīng)用配置方式，在災(zāi)區(qū)核心區(qū)域快速開(kāi)通通信服務(wù)。