無(wú)人機(jī)技術(shù)在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

保山市無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 朱自林

計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展為無(wú)線電技術(shù)帶來了更多的發(fā)展可能，進(jìn)入信息時(shí)代后無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大，雖陸續(xù)出現(xiàn)了諸多新技術(shù)，但存在頻譜資源短缺、電磁環(huán)境惡化等問題。隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，無(wú)線電監(jiān)測(cè)成為了行業(yè)內(nèi)的核心議題。無(wú)人機(jī)技術(shù)在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的優(yōu)越性明顯，在當(dāng)前及未來的發(fā)展中，相關(guān)人員需加大在無(wú)人機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)投入?；诖?，本文重點(diǎn)分析了無(wú)線電監(jiān)測(cè)中無(wú)人機(jī)技術(shù)的具體應(yīng)用，對(duì)推廣無(wú)人機(jī)技術(shù)、提高無(wú)線電技術(shù)水平具有指導(dǎo)價(jià)值。

長(zhǎng)期的通信行業(yè)發(fā)展中，相關(guān)單位和個(gè)人在無(wú)線電監(jiān)測(cè)方面投入了較大的資源，展開了一系列的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，但結(jié)合實(shí)際的工作情況，查找信號(hào)的常用手段為固定監(jiān)測(cè)站側(cè)向定位，監(jiān)測(cè)車無(wú)限接近被監(jiān)測(cè)對(duì)象，最后由移動(dòng)設(shè)備來精準(zhǔn)定位。這一方式對(duì)監(jiān)測(cè)無(wú)線電雖有一定的作用，但受到建筑物阻擋等的干擾較大，無(wú)法保障監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。為改變這一局面，無(wú)人機(jī)技術(shù)受到了高度關(guān)注與認(rèn)可，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的靈活性高、可靠性強(qiáng)，有利于提高無(wú)線電監(jiān)測(cè)水平，指導(dǎo)實(shí)際工作。

1 無(wú)人機(jī)的分類

1.1 固定翼無(wú)人機(jī)

固定翼無(wú)人機(jī)的飛行中升力由機(jī)體上固定的機(jī)翼提供，其結(jié)構(gòu)體系中包含發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落架等，通過這些部分之間的相互配合，可促進(jìn)機(jī)體的穩(wěn)定、安全飛行，機(jī)翼由內(nèi)側(cè)襟翼、外側(cè)副翼構(gòu)成，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)襟翼、副翼分別負(fù)責(zé)提升飛機(jī)升力、控制飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。無(wú)人機(jī)尾翼能使飛機(jī)飛行姿態(tài)更為平穩(wěn)，包含水平、垂直尾翼，分別負(fù)責(zé)縱向、橫向運(yùn)動(dòng)管理，可使飛機(jī)飛行時(shí)免受其他因素的干擾[1]。

1.2 旋翼無(wú)人機(jī)

1.2.1 直升機(jī)

直升機(jī)為一種典型的旋翼無(wú)人機(jī)，其一般有一個(gè)或多個(gè)旋翼，這些旋翼能使無(wú)人機(jī)飛行時(shí)獲得足夠的升力、推力，進(jìn)而保障飛機(jī)良好的飛行狀態(tài)。直升機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相對(duì)比，前者的優(yōu)越性明顯，具體表現(xiàn)為：能小幅度千戶慢速飛行、懸停與垂直升降都具有操作的靈活性，但即使如此，直升機(jī)也存在諸多不足，飛行速度相對(duì)緩慢，且在長(zhǎng)航程下不適用。直升機(jī)升力由旋翼供給，在此過程中存在反扭矩影響，如以反扭矩為劃分基準(zhǔn)，直升機(jī)又包含單旋翼帶尾槳式、多軸飛行器、雙軸雙槳式幾種，實(shí)際的工作中，相關(guān)人員需考慮現(xiàn)實(shí)情況來選擇特定類型的直升機(jī)[2]。

1.2.2 自旋翼無(wú)人機(jī)

自旋翼無(wú)人機(jī)的特殊性就在于此飛機(jī)無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，依賴前進(jìn)中的相對(duì)氣流吹動(dòng)旋翼形成自轉(zhuǎn)，在持續(xù)的自轉(zhuǎn)作用下為飛機(jī)提供了較大升力，促進(jìn)了飛機(jī)的正常起飛。結(jié)合自旋翼飛行機(jī)的這一原理，其在最初飛行時(shí)需在跑道內(nèi)滑跑，當(dāng)達(dá)到特定要求后再加大速度，促進(jìn)其順利起飛。自旋翼無(wú)人機(jī)有機(jī)身、旋翼、起落架、尾翼等關(guān)鍵部分，其構(gòu)成如圖1 所示，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本投入低較低。

圖1 自旋翼無(wú)人機(jī)Fig.1 Spin wing UAV

1.2.3 變模態(tài)旋翼無(wú)人機(jī)

變模態(tài)旋翼無(wú)人機(jī)屬于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的特殊類型，其旋翼位置特殊，位于固定翼結(jié)構(gòu)的機(jī)翼上，飛機(jī)起降、低速狀態(tài)下依賴旋翼飛行，而高速狀態(tài)下為固定翼模式，其構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 變模態(tài)旋翼機(jī)Fig.2 Variable mode gyrocopter

2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

無(wú)線電監(jiān)測(cè)中應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)時(shí)，關(guān)鍵需引入現(xiàn)代化技術(shù)配備無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)內(nèi)可根據(jù)需求配備多種型號(hào)的無(wú)人機(jī)，后續(xù)無(wú)線電監(jiān)測(cè)任務(wù)中平臺(tái)需自動(dòng)對(duì)比不同類型無(wú)人機(jī)在續(xù)航時(shí)間、抗風(fēng)能力、起降方式、懸停等方面的情況，自動(dòng)調(diào)取符合要求的無(wú)人機(jī)。一般情況下，在無(wú)線電監(jiān)測(cè)方面可選擇工業(yè)級(jí)無(wú)人固定翼機(jī)、直升機(jī)或者無(wú)人多旋翼機(jī)。為有效保障無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作的順利進(jìn)行，該平臺(tái)兼具數(shù)據(jù)整合、分析能力，能自動(dòng)接收無(wú)人機(jī)采集的信息并分析，得到可靠結(jié)論。

2.2 無(wú)人機(jī)飛行控制

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)線電的狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)需引入遠(yuǎn)程遙控方式，精準(zhǔn)控制無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，使無(wú)人機(jī)能發(fā)揮其功能優(yōu)勢(shì)。市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)種類繁多，這些無(wú)人機(jī)在操控方式方面各有特點(diǎn)，但遙控方式下比較常見的操控方式為：（1）舵面遙控，直接在控制站內(nèi)控制操縱桿，通過控制舵面來更改無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)；（2）姿態(tài)遙控，在無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行姿態(tài)的前提下由操縱桿綜合諸多因素調(diào)整俯仰角、滾轉(zhuǎn)角；（3）指令遙控，由上行鏈路的指令完成自動(dòng)控制，無(wú)人機(jī)計(jì)算機(jī)接收到由上行鏈路發(fā)送的指令后執(zhí)行動(dòng)作[3]。

2.3 監(jiān)測(cè)任務(wù)控制

用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)無(wú)線電時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和平臺(tái)需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)任務(wù)管理，整個(gè)監(jiān)測(cè)工作中的任務(wù)控制由地面任務(wù)站、無(wú)人機(jī)控制單元協(xié)同完成，地面任務(wù)站的相關(guān)人員綜合諸多因素，合理發(fā)送控制指令，無(wú)人機(jī)控制單元接收指令后自動(dòng)執(zhí)行，由這一控制過程自動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線電傳輸過程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，如監(jiān)測(cè)中存在異常情況，及時(shí)反饋信息并發(fā)送預(yù)警信號(hào)。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

3.1 “黑廣播”查找和取證

近年來的無(wú)線電通信領(lǐng)域，雖通信技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，但“黑廣播”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因?yàn)槠渚哂懈叨入[秘性，要實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)查找面臨諸多技術(shù)難題，通常由固定監(jiān)測(cè)站或移動(dòng)監(jiān)測(cè)車根據(jù)采集的無(wú)線電信號(hào)，確定“黑廣播”范圍，再由專人配備PR100 便攜式設(shè)備等鎖定最終區(qū)域，如接收信號(hào)電平值呈增大趨勢(shì)，說明此時(shí)所處區(qū)域與“黑廣播”區(qū)域相接近。但是，“黑廣播”發(fā)射天線一般布設(shè)在樓頂或者建筑物高層，采取了一定的偽裝措施，單純通過人眼目測(cè)的方式很難精準(zhǔn)分析。

面對(duì)上述情況，相關(guān)單位在查找“黑廣播”時(shí)可配備四旋翼無(wú)人機(jī)，這種無(wú)人機(jī)的體積小、攜帶方便，能克服不利地形條件的限制，在垂直空域120m 高度飛行的特點(diǎn)決定了其在飛行的同時(shí)能準(zhǔn)確獲取被測(cè)區(qū)域內(nèi)的高清影像，后續(xù)相關(guān)人員通過分析這些影像即可判定是否存在“黑廣播”，或者“黑廣播”所處區(qū)域內(nèi)的周邊環(huán)境，如有異常情況可及時(shí)安排專人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)或者配備專業(yè)化設(shè)備來核查。

以大疆Mavic Pro 和大疆精靈Pantom 4 Pro+展開分析，對(duì)比這兩種無(wú)人機(jī)的信號(hào)接收范圍情況。將無(wú)人機(jī)和操作者之間的圖傳/遙控鏈路斷開飛機(jī)返航水平飛行距離當(dāng)做信號(hào)接收范圍，如表1 所示。

表1 信號(hào)接收范圍測(cè)試Tab.1 Test of signal receiving range

結(jié)合上述一系列分析，在操作無(wú)人機(jī)查找“黑廣播”時(shí)，為得到可靠結(jié)果，主要的注意事項(xiàng)為：（1）將四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行起點(diǎn)定在目標(biāo)地點(diǎn)周圍某一點(diǎn)，考慮到其他建筑物、樹木等的遮擋、飛行安全因素，覆蓋范圍應(yīng)以起飛點(diǎn)為圓心，高度、半徑分別為120m、400m，呈近圓形。（2）四旋翼無(wú)人機(jī)在目標(biāo)地點(diǎn)垂直起飛，當(dāng)達(dá)到指定高度后再重新向目標(biāo)地點(diǎn)飛行，在此飛行模式下監(jiān)控目標(biāo)區(qū)域及其附近。無(wú)人機(jī)飛行的過程也是其采集信息的過程，通過無(wú)人機(jī)返回的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像等，相關(guān)人員調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，選定最佳位置拍攝高清圖像。無(wú)人機(jī)飛行過程中雖具有高度的靈活性，但為得到高清圖片，有關(guān)人員需密切關(guān)注飛行區(qū)域內(nèi)的高層建筑物、大型樹木等分布，與這些建筑物保持安全距離，促進(jìn)無(wú)人機(jī)的安全、平穩(wěn)飛行。（3）無(wú)人機(jī)飛行中也需關(guān)注電池續(xù)航時(shí)間，當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)指定位置立即返回，以無(wú)人機(jī)飛行速度展開分析，當(dāng)電池容量還有富余，則可懸停觀測(cè)。在飛行過程中應(yīng)合理地把控飛行時(shí)間與距離，避免無(wú)人機(jī)飛行距離過長(zhǎng)或者電池沒電。

3.2 空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)

當(dāng)前城市化進(jìn)程顯著加快，在城市內(nèi)分布有各種類型和規(guī)模的高層建筑，再加上城市內(nèi)配備的金屬設(shè)施多、機(jī)械設(shè)備噪音大，都干擾了監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)無(wú)線電的監(jiān)測(cè)，使設(shè)備在監(jiān)測(cè)時(shí)接收到了很多干擾信號(hào)，后續(xù)辨別和處理信號(hào)時(shí)相對(duì)困難。目前，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)下，城市呈現(xiàn)向外發(fā)展的態(tài)勢(shì)，部分固定監(jiān)測(cè)站周圍的噪聲干擾多，影響了實(shí)際的監(jiān)測(cè)工作，得到的無(wú)線電監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性不足。

一般的移動(dòng)監(jiān)測(cè)車在當(dāng)前的無(wú)線電監(jiān)測(cè)方面暴露了諸多問題，在當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步的過程中，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)越發(fā)受到了人們的關(guān)注，基于空中平臺(tái)的無(wú)線電監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)立體化、三維性監(jiān)測(cè)，減少不利地形條件等對(duì)監(jiān)測(cè)的干擾，不僅能提高監(jiān)測(cè)效率，還能保障監(jiān)測(cè)精度。與地面監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)比，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)有更為優(yōu)越的電磁傳播環(huán)境，且監(jiān)測(cè)范圍廣，整個(gè)操作過程的靈活度更高，兼具聯(lián)合側(cè)向、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、精確定位等功能，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果更為可靠與有效。

我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，在空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)方面的起步較晚，最早的研究始于2007 年，通過驗(yàn)證空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)的可行性，國(guó)家在這一方面給予了巨大的資金、技術(shù)等投入。2010 年上海世博會(huì)、2011 年深圳大運(yùn)會(huì)，分別配備車載系留氣球、警用載人直升機(jī)搭載無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)造了空中、地面相結(jié)合的監(jiān)測(cè)模式[4]。隨后進(jìn)入信息時(shí)代下，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，在無(wú)線電監(jiān)測(cè)方面該技術(shù)應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大，特別是空中監(jiān)測(cè)平臺(tái)的無(wú)人機(jī)操作者定位系統(tǒng)，無(wú)論在當(dāng)前還是未來都有巨大的應(yīng)用空間。

多旋翼無(wú)人機(jī)的體積小，載重負(fù)荷偏低，靈活性強(qiáng)，操作便捷，在各種條件下都能取得良好的應(yīng)用效果，即使現(xiàn)場(chǎng)條件相對(duì)惡劣，多旋翼無(wú)人機(jī)可克服不利條件的限制，在規(guī)范操作下得到相對(duì)可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果。如將多旋翼無(wú)人機(jī)作為載體平臺(tái)負(fù)責(zé)空中監(jiān)測(cè)，后續(xù)工作中具備智能化、精確化操作特點(diǎn)，不僅能懸停監(jiān)測(cè)、路徑規(guī)劃，更能聯(lián)合側(cè)向、重點(diǎn)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)中遇到突發(fā)情況時(shí)多旋翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可根據(jù)其采集的信息進(jìn)行調(diào)整與控制。當(dāng)多旋翼無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)工作時(shí)，為促進(jìn)有關(guān)工作的高效實(shí)施，重點(diǎn)需關(guān)注以下部分：（1）日常監(jiān)測(cè)中合理投放旋翼無(wú)人機(jī)，以地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)為基準(zhǔn)，由無(wú)人機(jī)對(duì)這些盲點(diǎn)實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，完成空中、懸停監(jiān)測(cè)；（2）突發(fā)應(yīng)急事件的處理中，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)往往無(wú)法起到應(yīng)有的作用，需保持空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的融合，各自發(fā)揮其在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

3.3 固定監(jiān)測(cè)站巡檢

固定監(jiān)測(cè)站對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)也相對(duì)有效，如在實(shí)際的工作中采用固定監(jiān)測(cè)站這一方式，許多因素都會(huì)干擾設(shè)備接收信號(hào)，不利于監(jiān)測(cè)工作的高效實(shí)施。為此，針對(duì)這一情況，相關(guān)人員必須在日常的工作中定期維護(hù)、檢修與校準(zhǔn)設(shè)備，及時(shí)處理設(shè)備問題。

如超短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為在實(shí)際的工作中完成30 ～3000MHz 全頻段監(jiān)測(cè)目標(biāo)，常規(guī)的固定監(jiān)測(cè)站一般有4組傘狀全向監(jiān)測(cè)天線、8 組45°間隔垂直極化對(duì)數(shù)周期天線、4 組雙極化對(duì)數(shù)周期天線，不同天線經(jīng)由開關(guān)矩陣、天線共用器與監(jiān)測(cè)測(cè)向接收機(jī)保持可靠連接[5]。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)線電監(jiān)測(cè)中可能發(fā)生設(shè)備磨損等異常，相關(guān)單位需安排專人負(fù)責(zé)處理設(shè)備問題。

多旋翼無(wú)人機(jī)在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)際的工作中高山、高樓固定監(jiān)測(cè)站的天線高架塔桿塔本體的巡視任務(wù)，就可配備特定型號(hào)的多旋翼無(wú)人機(jī)，通過合理設(shè)置該無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，如飛行高度、速度等，就可通過無(wú)人機(jī)飛行來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的天線、桿塔等運(yùn)行情況。多旋翼無(wú)人機(jī)用于巡視工作時(shí)主要為超低空飛行模式，其懸停于天線桿塔每一層進(jìn)行拍照，經(jīng)由圖像識(shí)別有關(guān)人員掌握天線桿塔的工作情況。實(shí)際的操作過程中主要需注意以下幾個(gè)方面：（1）通過智能化調(diào)節(jié)與控制使多旋翼無(wú)人機(jī)飛行到天線塔以上，將機(jī)載攝像頭向下調(diào)整，擴(kuò)大攝像機(jī)的拍攝范圍；（2）拍攝得到塔頭圖像后，由系統(tǒng)原位調(diào)整攝像頭角度，進(jìn)入俯拍環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)天線塔基礎(chǔ)運(yùn)行情況和工作狀態(tài)；（3）規(guī)范操作多旋翼無(wú)人機(jī)，拍攝并檢測(cè)每個(gè)天線的具體情況，依據(jù)無(wú)人機(jī)采集到的天線數(shù)據(jù)，分析天線是否處于正常工作狀態(tài)下，如存在異常，再依據(jù)數(shù)據(jù)分析故障類型、原因、位置等，制定有效的解決措施。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前通信行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的過程中，為營(yíng)造良好的無(wú)線電通信環(huán)境與條件，相關(guān)人員在具體的工作中需立足當(dāng)下的技術(shù)發(fā)展情況，重視無(wú)線電監(jiān)測(cè)，使用無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)。