高空超高空無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)傳輸問題研究

鐘華超 王文博

中國(guó)人民解放軍91001部隊(duì) 北京 100000

引言

在無人機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，當(dāng)前在無人機(jī)的種類、技術(shù)水平、功能作用等方面都有了極大提升，并且逐漸應(yīng)用在民用領(lǐng)域，給人們生產(chǎn)生活帶來了巨大便利。但是當(dāng)前的無人機(jī)還存在一些問題，影響著應(yīng)用水平，具體表現(xiàn)在高空和超高空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，為了解決該項(xiàng)問題，研發(fā)人員投入了巨大的時(shí)間精力，希望可以減少高空環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟焕绊?，促進(jìn)無人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 關(guān)于無人機(jī)概述

在對(duì)高空和超高空無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)傳輸問題進(jìn)行研究之前，我們需要對(duì)無人機(jī)的基本情況進(jìn)行了解，具體包括其含義、主要類型、應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特點(diǎn)、工作流程以及飛行控制。

1.1 無人機(jī)的含義及分類

無人機(jī)就是指由無線控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，而非人工駕駛的飛機(jī)，最大特點(diǎn)就是無須人工駕駛和操作，主要的飛行任務(wù)都是由地面站遠(yuǎn)程操控，在無人機(jī)內(nèi)部的設(shè)備接收到地面站的指令之后，才能開展一系列任務(wù)。相較于傳統(tǒng)的人工駕駛飛機(jī)，無人機(jī)具有安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于具備一定危險(xiǎn)程度、不需要復(fù)雜操作的任務(wù)和工作，可以使用性價(jià)比更高的無人機(jī)[1]。將應(yīng)用領(lǐng)域作為分類標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)可以分為軍用和民用兩大類，對(duì)于軍用無人機(jī)來說，具體有靶機(jī)和偵察機(jī)兩種；對(duì)于民用無人機(jī)來說，各行各業(yè)都可以用無人機(jī)來開展工作，當(dāng)前最為常見的就是運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行航拍，將無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)中可以實(shí)現(xiàn)高效播種，與此同時(shí)，在植被保護(hù)、新聞報(bào)道、地質(zhì)測(cè)繪、災(zāi)難救援以及快遞運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)都能看到無人機(jī)的影子，在民用領(lǐng)域，無人機(jī)得到了真正的應(yīng)用和發(fā)展，甚至形成了一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，并且反過來也會(huì)促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)的改進(jìn)。

1.2 無人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與工作流程

無人機(jī)存在三種基本的技術(shù)特征，在其下行鏈路中可以實(shí)現(xiàn)圖像視頻的采集，在采集影像方面最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠保證高分辨率，如果在采集影像時(shí)選用傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感的方式，那么就可能會(huì)受到云層遮擋等方面的影響，無法獲取全面且清晰的影像，無人機(jī)可以有效彌補(bǔ)這一缺陷，同時(shí)也能夠避免衛(wèi)星遙感反應(yīng)過慢、重訪周期較長(zhǎng)的問題[2]。無人戰(zhàn)斗機(jī)是第二種基本技術(shù)特點(diǎn)，可以借助信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的偵察，同時(shí)裝配武器，發(fā)揮戰(zhàn)斗功能，此外，發(fā)射和回收功能是第三種特點(diǎn)，并且這種發(fā)射和回收不局限于一個(gè)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)平臺(tái)上從事發(fā)射和回收工作。

其工作流程主要分為五個(gè)階段，第一階段是開始界面，工作人員對(duì)無人機(jī)的基本任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，通過監(jiān)控保證無人機(jī)的任務(wù)可以自動(dòng)歸檔，保證內(nèi)部設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；第二階段是航前檢查，無人機(jī)開展任務(wù)時(shí)，工作人員首先需要保證安全性，在開展任務(wù)之前利用控制設(shè)備進(jìn)行問題檢測(cè)，確保每一個(gè)設(shè)備都能夠正常運(yùn)行，這樣才可以避免飛行和執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)問題，影響到數(shù)據(jù)傳輸工作；第三階段是規(guī)劃飛行任務(wù)，不同模式下飛行任務(wù)是不同的，工作人員需要對(duì)混合、導(dǎo)航和區(qū)域空照三種狀態(tài)下進(jìn)行規(guī)劃工作；第四階段是飛行的監(jiān)控工作，通過監(jiān)控，地面站工作人員可以對(duì)無人機(jī)狀態(tài)進(jìn)行全面了解，從而準(zhǔn)確判斷其是否具備執(zhí)行后續(xù)任務(wù)的能力，能夠在很大程度上確保任務(wù)的執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸；第五階段是對(duì)影像的拼接，在數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù)執(zhí)行完畢之后，地面站已經(jīng)接收到來自無人機(jī)的數(shù)據(jù)信息，然后可以對(duì)影像進(jìn)行詳細(xì)處理和分析。

1.3 無人機(jī)的飛行控制工作

無人機(jī)和地面站是完成任務(wù)的重要組成部分，與此同時(shí)，數(shù)傳電臺(tái)對(duì)于連接無人機(jī)和地面站具有重要作用，數(shù)傳電臺(tái)通常采用一些接口來發(fā)揮功能，基本的接口類型有RS485和TTL等，不同的接口產(chǎn)生的頻率也不同，最為常見的頻率是433MHZ，其具備了波長(zhǎng)較長(zhǎng)、開放性和較強(qiáng)穿透力等方面優(yōu)勢(shì)[3]。在飛行控制工作中，首先需要地面站進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)工作，對(duì)航線進(jìn)行事先規(guī)劃，然后開啟飛行控制設(shè)備，再對(duì)具體的飛行速度、爬升坡度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，檢查設(shè)備，確保所有設(shè)備都處于正常狀態(tài)后，就可以進(jìn)行飛行工作，執(zhí)行完任務(wù)之后就可以進(jìn)行降落，選擇降落方式和降落地點(diǎn)，盡可能在空曠地區(qū)，防止對(duì)行人等造成傷害。

2 無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ妴栴}

在對(duì)無人機(jī)的狀況有了基本了解之后，我們可以深入分析高空和超高空狀態(tài)下無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的問題，具體包括傳感器、飛行狀態(tài)以及機(jī)體遮擋、氣候環(huán)境等，這樣才能夠針對(duì)問題制定解決措施。

2.1 無人機(jī)傳感器影響數(shù)據(jù)傳輸

隨著無人機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟，對(duì)其的應(yīng)用已經(jīng)不僅局限于軍事領(lǐng)域，當(dāng)前的無人機(jī)還被廣泛應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)和生活中，發(fā)揮著重要作用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高空超高空無人機(jī)的精準(zhǔn)控制，在設(shè)計(jì)過程中需要運(yùn)用到多種傳感器，常見的傳感器有陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓和磁羅盤四種，不同的傳感器發(fā)揮著不同的功能，目的就是更好地控制高空無人機(jī)，使其精準(zhǔn)、安全和高效率工作。

設(shè)計(jì)者用陀螺儀傳感器對(duì)三軸角速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)角度信息的監(jiān)測(cè)，無人機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況維持自身的飛行穩(wěn)定，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)和前提。磁羅盤傳感器是專門為無人機(jī)提供方向的裝置，其會(huì)收集到磁場(chǎng)內(nèi)部的全部數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行運(yùn)算，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)地理位置的偵測(cè)[4]。

除了上述基礎(chǔ)傳感器之外，還有一些功能性的傳感裝置，如濕度傳感器的應(yīng)用可以準(zhǔn)確檢測(cè)氣候狀況，在傳感器采集到了數(shù)據(jù)之后，必須要將傳統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲?，從而?duì)信息進(jìn)行有效處理和利用，這個(gè)傳輸過程中軟件數(shù)據(jù)庫(kù)具有重要作用。然而上述這些傳感器在應(yīng)用過程中都會(huì)受到各種因素的影響，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 無人機(jī)飛行狀態(tài)影像數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)前，越來越多的國(guó)家注重對(duì)于無人機(jī)的研發(fā)，期望其在作戰(zhàn)過程中充分發(fā)揮靈活、高效、機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)這些特點(diǎn)，就必須建設(shè)一個(gè)安全可靠且高效的通信系統(tǒng)，只有依靠這個(gè)系統(tǒng)，各種數(shù)據(jù)、影像和信息才能夠得到安全傳輸，無人機(jī)才可以接收到確切的指令，從而展開后續(xù)工作[5]。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，信道特征具有重要影響，在無人機(jī)的不同飛行狀態(tài)下，信道呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，從而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，所以我們需要對(duì)無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行研究。

在無人機(jī)飛行的過程中，其和地面控制站之間的距離越遠(yuǎn)，就會(huì)使得直視分量不斷減少，多徑分量不斷增大，從而加劇多徑效應(yīng)，導(dǎo)致誤碼率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性受到影響，事實(shí)證明，在高空和超高空飛行的無人機(jī)，如果不對(duì)其采取控制技術(shù)，那么就會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)重失真。在高空和超高空飛行的無人機(jī)，必須要保證此種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，具體可以從減少多徑效應(yīng)來解決，現(xiàn)有的均衡技術(shù)和分集技術(shù)就可以在很大程度上降低多徑效應(yīng)對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響。

2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸信道的衰落

在無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)內(nèi)部，分為上行和下行兩種鏈路完成信息的傳輸工作，其中上行主要包括任務(wù)裝訂數(shù)據(jù)和飛行控制，下行主要包括影視圖像等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為了保證遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，上行鏈路需要采用擴(kuò)頻體制，并且對(duì)抗干擾性有著很高要求，由于下行鏈路本身傳輸?shù)男畔⒕哂兄貜?fù)性，所以傳輸中斷也不會(huì)影響信息的可用性，隨著實(shí)際應(yīng)用水平不斷提升，人們對(duì)無人機(jī)有了更高要求，它將承擔(dān)起傳遞信息、進(jìn)行指揮和加強(qiáng)控制等更多方面的任務(wù)，這就對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵в辛烁咭?，不斷加深多徑效?yīng)導(dǎo)致的信道衰落現(xiàn)象。

除了上述提到的多徑效應(yīng)導(dǎo)致信道衰落之外，還有其他因素也會(huì)導(dǎo)致信道衰落，影響數(shù)據(jù)傳輸，在研究過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)機(jī)體遮擋也會(huì)導(dǎo)致信道衰落，具體來看，無人機(jī)腹部位置配有天線，這個(gè)天線與地面站的天線保持通視狀態(tài)，無人機(jī)的飛行方向和動(dòng)作會(huì)對(duì)通視狀態(tài)產(chǎn)生影響，例如呈水平狀態(tài)飛行時(shí)通視狀態(tài)最好，但是當(dāng)機(jī)體爬升、旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)影響機(jī)載天線和地面站天線之間的連接的穩(wěn)定性，這種爬升和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越久，對(duì)信道衰落的影響就越大[6]。

此外，機(jī)體進(jìn)行反射吸收也會(huì)對(duì)信道衰落產(chǎn)生影響，在早期無人機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)制作中，碳纖維和玻璃鋼等是主要的制作材料，當(dāng)前越來越多的有人機(jī)開始應(yīng)用無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，也有對(duì)有人機(jī)進(jìn)行改造使其能夠發(fā)揮無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能，在這種環(huán)境下，由于有人機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)制作主要采用金屬材料，金屬會(huì)對(duì)機(jī)載天線的信號(hào)造成干擾，同時(shí)也會(huì)影響地面站的反射干擾信號(hào)，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_可靠[7]。在高空和超高空飛行的無人機(jī)，其機(jī)載數(shù)據(jù)采集、接收和傳輸?shù)脑O(shè)備也處于高速高空運(yùn)動(dòng)的過程，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)受到多普勒效應(yīng)的影響出現(xiàn)失真問題，同時(shí)，氣象條件也會(huì)對(duì)高空信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響，周圍環(huán)境中的無線電波也會(huì)影響信號(hào)傳輸效果?？傊?，高空和超高空的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸會(huì)受到各方面限制，相關(guān)人員需要對(duì)無人機(jī)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，盡可能降低不利影響。

3 改善高空無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸問題的關(guān)鍵技術(shù)

在改善無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸問題的眾多技術(shù)中，大體上可以分為兩種，一種是傳統(tǒng)的改善技術(shù)，例如擴(kuò)頻與RAKE接受技術(shù)，其屬于路徑分集技術(shù)，在高空飛行中的無人機(jī)出現(xiàn)的多徑反應(yīng)中不會(huì)起到改善作用，除此之外，還包括顯分集技術(shù)和前向糾錯(cuò)技術(shù)，但是這兩種技術(shù)由于存在一定缺陷，在適用性上存在問題。因此，工作人員需要研究新型改善技術(shù)，在實(shí)踐過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種斷鏈重傳技術(shù)，首先運(yùn)用該技術(shù)可以在發(fā)送階段就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這些編碼具備強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，通過前向渠道傳輸?shù)浇邮斩耍诖谁h(huán)節(jié)完成糾錯(cuò)工作，無錯(cuò)就會(huì)直接傳遞給地面站，有錯(cuò)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出重傳指令，重復(fù)這個(gè)流程，直至錯(cuò)誤被糾正。借助斷鏈重傳技術(shù)，數(shù)據(jù)可以被有效傳輸，并且也可以最大限度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，減少數(shù)據(jù)真實(shí)的可能性[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在高空和超高空環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的提升，是無人機(jī)發(fā)展必須要克服的問題，數(shù)據(jù)傳輸功能作為無人機(jī)的核心目標(biāo)任務(wù)，其安全性和可靠性必須要得到保證，事實(shí)證明，借助斷鏈重傳技術(shù)，能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽砍潭?。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也不會(huì)止步于此，必然會(huì)朝著更高水平的方向前進(jìn)，為軍事和民用領(lǐng)域帶來巨大效益。