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

高沖

摘 要：在生活中，發(fā)生自然災(zāi)害是無(wú)法避免的，這會(huì)不同程度地影響通信設(shè)施，甚至破壞通信設(shè)施，從而阻礙災(zāi)后救援工作的順利實(shí)施。為了及時(shí)解決災(zāi)區(qū)環(huán)境下的通信問(wèn)題，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、具有較快反應(yīng)速度的應(yīng)急通信系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，借助此應(yīng)急通信系統(tǒng)可以更好地開(kāi)展救援工作。運(yùn)用系留式多旋翼無(wú)人機(jī)搭載微基站進(jìn)行區(qū)域通信組網(wǎng)，可以有效地解決這一問(wèn)題，文章將主要對(duì)系留式多旋翼無(wú)人機(jī)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：系留式;多旋翼無(wú)人機(jī);應(yīng)急通信;應(yīng)用

在自然生態(tài)環(huán)境變化無(wú)常的情況下，地震、水災(zāi)、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生已越發(fā)頻繁，且極具破壞性。在此過(guò)程中，極易遭到破壞的就是地面通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的單一形成通信技術(shù)已經(jīng)不能順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)復(fù)雜多樣的搶險(xiǎn)救災(zāi)需求，也不利于推動(dòng)救援工作順利實(shí)施。所以，需要積極建立起響應(yīng)迅速和穩(wěn)定可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)。系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)較多，主要包括組網(wǎng)快捷、性能穩(wěn)定、自動(dòng)化程度較高等，將其應(yīng)用到應(yīng)急通信中，效果理想。

1? ? 運(yùn)用背景分析

應(yīng)急突發(fā)事件是一種具有不確定性的事件，主要的表現(xiàn)就是時(shí)間不確定、地點(diǎn)不確定、造成的影響不確定等。有效處理應(yīng)急通信的舉措就是無(wú)線通信方式。無(wú)線通信方式是各不相同的，由于無(wú)線通信方式的技術(shù)體制不同、頻段不同、特性不同等情況影響，各種通信方式也會(huì)出現(xiàn)差異性的系統(tǒng)容量、通信距離、構(gòu)建成本以及組網(wǎng)度等。例如，對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，只有具備專(zhuān)門(mén)的通信設(shè)備才可以應(yīng)用，受眾面是相對(duì)較窄的，而以往傳統(tǒng)的公眾移動(dòng)通信網(wǎng)、公眾傳媒網(wǎng)絡(luò)在較短的時(shí)間之內(nèi)，不能達(dá)到迅速有效修復(fù)的目標(biāo)。所以，通過(guò)合理結(jié)合以上兩種方式，把地面通信、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，采取無(wú)人機(jī)空中平臺(tái)，建立起應(yīng)急通信系統(tǒng)，可以產(chǎn)生更好的應(yīng)用效果。

2? ? 無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信方案

救災(zāi)的場(chǎng)景通常都是復(fù)雜多樣的，甚至面臨著各種危險(xiǎn)。為了提供給用戶(hù)更加安全可靠、靈活快捷、具有保障的通信服務(wù)，就需要切實(shí)應(yīng)用好各種各樣的通信手段，諸如有線通信、無(wú)線通信、衛(wèi)星等，可以于空中以最快的速度建立起應(yīng)急通信通道，并且科學(xué)地采取無(wú)人機(jī)搭載通信設(shè)備，讓無(wú)線自組網(wǎng)在抗險(xiǎn)救災(zāi)實(shí)踐中科學(xué)運(yùn)用并發(fā)揮出應(yīng)有的成效。系留式多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信的構(gòu)成部分主要包括5個(gè)方面，即無(wú)人機(jī)、小型ATV、微型基站、線纜、發(fā)電機(jī)等。在出現(xiàn)災(zāi)害的情況下，搶險(xiǎn)人員通過(guò)駕駛小型ATV到達(dá)災(zāi)害發(fā)生地的臨近部位，無(wú)人機(jī)駕駛員通過(guò)控制無(wú)人機(jī)，讓其能夠在車(chē)上進(jìn)行自動(dòng)升起和降落。在設(shè)置成自動(dòng)飛行模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)追隨小型ATV汽車(chē)的目標(biāo)，二者同步進(jìn)行，而且可以靜止懸停，隨時(shí)轉(zhuǎn)變跟隨的姿態(tài)。無(wú)人機(jī)上搭載微型基站，微型基站經(jīng)光纜連接最近的宿主基站，這樣可以讓有線通信信號(hào)靈活地轉(zhuǎn)換到無(wú)線通信信號(hào)，讓信號(hào)涉及更大范圍，擴(kuò)大覆蓋面。在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)并無(wú)宿主基站的情況下，需要運(yùn)用衛(wèi)星通信舉措，對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行接收。無(wú)人機(jī)和搭載設(shè)備的全部所需電源均是通過(guò)地面發(fā)電機(jī)獲得的，連接方式為電力線，全天候、持續(xù)性滯空。

3? ? 系留式多旋翼無(wú)人機(jī)特點(diǎn)及其應(yīng)用于應(yīng)急通信中的方法

系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)較多，主要表現(xiàn)是其具有更加快捷的組網(wǎng)速度、穩(wěn)定可靠的性能以及較高的現(xiàn)代化自動(dòng)化程度，具備先進(jìn)的技術(shù)手段等。系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)身材料主要是碳纖維復(fù)合材料，翼展軸距是1 550 mm，可以進(jìn)行全自動(dòng)形式的導(dǎo)航駕駛飛行，其飛行高度最低是40 m左右，最高是210 m左右。其最大起飛重量是28 kg，能夠抵抗五級(jí)大風(fēng)，定點(diǎn)懸停精度是0.5 m。系留式多旋翼無(wú)人機(jī)以LTE800M組網(wǎng)的過(guò)程中，因800 MHz信號(hào)具有較高的繞射能力，同時(shí)存在典型的覆蓋性能，微基站能夠產(chǎn)生較大的覆蓋面積，最大是25 km，所以，系統(tǒng)帶寬10 M組網(wǎng)時(shí)，能夠同時(shí)為超過(guò)5 000個(gè)手機(jī)用戶(hù)提供相應(yīng)的即時(shí)通信服務(wù)，這樣就能滿(mǎn)足覆蓋面更廣闊的、容量更大的應(yīng)急通信需求。

選用系留式多旋翼無(wú)人機(jī)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，主要是通過(guò)3個(gè)重要的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選用。首先，系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的懸停能力是相對(duì)穩(wěn)定的。多旋翼無(wú)人機(jī)可以經(jīng)其具有的慣性測(cè)量元件，合理地測(cè)量掌控三維速度、三維加速度、三維角速度的狀態(tài)，讓多旋翼飛行器處在一種穩(wěn)定的飛行環(huán)境下，而且這一特征屬于多旋翼無(wú)人機(jī)飛行中特殊的優(yōu)點(diǎn)部分。其擁有的懸停能力是非常穩(wěn)定可靠的，但是，也會(huì)因無(wú)人機(jī)自身的因素產(chǎn)生影響，諸如供電系統(tǒng)的重量、負(fù)荷、系留纜等，所以，無(wú)人機(jī)懸停高度一般是在100 m之內(nèi)為宜。其次，系留式多旋翼無(wú)人機(jī)可以在空中較長(zhǎng)時(shí)間的滯留。系留式多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)用到系留供電舉措，通過(guò)地面發(fā)電機(jī)，經(jīng)系留電纜展開(kāi)持續(xù)性的供電，一方面能夠?qū)⑿铍姵氐闹亓拷档停硪环矫婵梢允沟脽o(wú)人機(jī)處于飛行懸停的環(huán)境中，而且是長(zhǎng)時(shí)間、不間斷地維持該狀態(tài)。最后，系留式多旋翼無(wú)人機(jī)的電磁兼容能力較強(qiáng)。多旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、系留供電系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)能形成電磁輻射，可以采取相應(yīng)的技術(shù)手段，諸如屏蔽技術(shù)、布線技術(shù)、接地技術(shù)和濾波技術(shù)等，將電磁輻射對(duì)通信系統(tǒng)的干擾進(jìn)行削弱，而且使得飛行環(huán)節(jié)不會(huì)對(duì)微基站的性能構(gòu)成負(fù)面影響。

無(wú)人機(jī)高空基站系統(tǒng)通信系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)載荷以及安裝空間因素的限制問(wèn)題需要通信天線盡可能地降低體重與功耗，能夠全面覆蓋輻射。當(dāng)前應(yīng)急通信系統(tǒng)內(nèi)，天線的類(lèi)型主要就有兩種，一種是全向天線，另一種就是定向天線。全向天線為水平方向圖上，360°均是均勻的輻射狀態(tài)，即無(wú)方向性，通常波瓣寬度越小，則產(chǎn)生的增益越大。全向天線應(yīng)用距離近，具有較大的覆蓋范圍，而且價(jià)格便宜，具有低于9 dB的增益。定向天線于水平方向圖上是有角度范圍輻射的，即有方向性，其波瓣寬度越小，會(huì)產(chǎn)生的增益越大。定向天線在具有較遠(yuǎn)的通信距離、較小的覆蓋范圍以及較高頻率利用率的環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用。因無(wú)人機(jī)自身具有良好的移動(dòng)能力，能夠在目標(biāo)區(qū)域快速實(shí)施部署，加之險(xiǎn)情區(qū)域的用戶(hù)分布存在不確定性，所以，此應(yīng)用系統(tǒng)采用全向天線，將信號(hào)朝著很多角度進(jìn)行輻射，達(dá)到各方位用戶(hù)同等接入能力。在應(yīng)用無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)運(yùn)用好關(guān)鍵技術(shù)，主要包括超輕型光電復(fù)合系留纜技術(shù)、系留供電條件下飛行安全保障技術(shù)以及輕型大功率通信載荷技術(shù)等。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

文章主要分析了系留式多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)用到應(yīng)急通信領(lǐng)域中的意義，闡述系統(tǒng)的建立和工作流程，探究了系留式多旋翼無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)，提出機(jī)載天線選擇的建議。系留無(wú)人機(jī)是一種應(yīng)急通信平臺(tái)，能夠很好地解決災(zāi)害期間移動(dòng)通信基站出現(xiàn)癱瘓時(shí)的通信問(wèn)題。其經(jīng)系留多旋翼無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)，搭載很多的通信載荷，包括微型基站、集群微型基站以及自組網(wǎng)電臺(tái)，建立起具有靈活性的通信應(yīng)用配置方式，進(jìn)而迅速為災(zāi)區(qū)核心區(qū)域提供通信服務(wù)。

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