系留多旋翼无人机通信系统在应急救灾通信中的应用

方案，提炼出多旋翼无人机系留和小型化通信基站技术等关键技术，在此基础上展望了系留多旋翼无人机在应急通信领域的发展前景。

【关键词】系留多旋翼无人机 应急通信 天线升高

[Abstract] To achieve fast recovery of communication system in disaster， the paper presented emergency communication solutions using the captive multi-rotor UAV to establish communication network and relay in certain area. The paper introduced several key technologies with captive multi-rotor UAV and small base stations， on which basis， it foresaw development prospects of captive multi-rotor UAV in the field of emergency communication.

[Key words]captive multi-rotor UAV emergency communication antenna elevation

1 引言

天线高度是影响无线通信覆盖范围的主要因素之一，将天线升高可以减小地形对电波传播的影响，甚至可以将超视距通信改变为视距通信，显著改善通信链路质量。利用无人机搭载通信载荷升空来改善受地形、地物和地球曲率影响导致的通信问题在国内外已逐渐成为研究和应用的热点。

系留多旋翼无人机通信系统是一种将天线升高的新兴通信技术。系留多旋翼无人机通信平台具有轻便、灵活、可快速部署、起降环境要求低等特点，可以实现地面几十公里半径的覆盖区内快速、廉价、可靠的宽带通信，在突发自然灾害、通信基础设施受到破坏等环境下，其应急通信能力优势凸显。

2 现有无人机平台比较

无人机中继通信很早就起步了，受限于无人机的飞行搭载能力、滞空时间等因素，无人机中继通信主要选用大中型固定翼无人机和无人直升机作为通信平台，这些平台有如下特点：

（1）载荷能力较强，飞行高度高、距离远，滞空工作时间相对较长，一般为几小时至几十小时；

（2）体积大、地面保障系统复杂、维护保养复杂、维护成本高、训练保障要求高；

（3）固定翼无人机发射回收条件要求高，大型固定翼无人机需要专门的机场跑道起降，无法悬停，转弯半径大，在一定地域连续通信覆盖能力相对较弱；

（4）无人直升机转向、前行动作依靠机械拉杆改变旋桨倾斜方向实现，机械联动操作灵活性不足，滞空时间短；

（5）需协调飞行空域。

大中型固定翼无人机和无人直升机的这些特点决定了其较难在通信应用中广泛推广的现实。

近两三年，随着直流无刷电机、高能锂聚合物、多旋翼协同控制等关键技术的突破，微小型多旋翼无人机日渐成熟，其具有如下特点：

（1）体积小、重量轻、噪声小、便于携行，操作简单、训练保障要求低；

（2）起降环境要求低，超低空应用无需空域协调；

（3）动力系统采用无刷直流电机，故障率低、维护保养简单；

（4）转向、前进、后退等飞行状态改变快速灵活；

（5）可稳定悬停，在利用系留技术后，可长时间滞空悬停在某一保障区域，实现连续通信保障。

微小型多旋翼无人机已在专用、民用市场得到迅速发展，成功应用于航拍、测绘、快递投送、农药喷洒等多个领域。成本低廉、操作简单、轻便携行的特点使其具有了在应急通信领域广泛推广的条件。一般的多旋翼无人机仅能飞行30分钟至1个小时，系留多旋翼无人机可以实现连续不间断飞行，搭载通信载荷后，可有效解决地形对天线的影响，保障一定区域内的连续通信覆盖。

3 系留多旋翼无人机通信系统

3.1 通信天线升高

无线电波可视为直线传播，受地球表面曲率影响，无线电波的传输距离受到视距的影响，则无线通信设备的天线高度是影响无线通信覆盖范围的重要因素，特别是在山地、城市、密林等复杂地形环境下，天线高度直接影响通信覆盖范围。无线传播通视距离示意图如图1所示：

如图1所示，地球半径为R0，两个无线通信设备的高度分别为h1和h2，则可以得出两个无线通信设备通视传输距离d0为：

由此，在不考虑其它因素的影响下，一边无线通信设备天线高度h2保持不变时，随着另一边无线通信设备天线高度h1的增高，两个设备的通信距离得到拓展。

系留多旋翼无人机受飞行载荷能力、供电和发热等因素限制，通常有效飞行高度在0～100 m，理论通视距离为40.1 km。不同天线高度下的通视距离如表1所示：

在实际应用中，通信距离受地形地物条件、通信载荷设计影响，不同频段的通信载荷覆盖能力有所不同，如表2所示。

结合不同频段典型设备指标，对一方升空100 m与双方均处于1.5 m地面的情况在典型地形地物条件下的极限覆盖距离进行对比估算（采用Longley Rice模型），结果表明：

除在山地环境外，通信载荷或天线升空对通信覆盖能力有改善；

由于系留多旋翼无人机升空高度有限，对克服山区地形遮挡的能力不足；

100 MHz和400 MHz频段的工作频率较低，绕射能力较强，覆盖性能都比较突出，由于400 MHz频段设备的工作频段很窄，容易实现较高的天线增益，因此覆盖性能最好；

2.4 GHz频段覆盖能力较差。

极限通信距离估算图如图2所示：

3.2 系留多旋翼无人机

多旋翼无人机采用电动飞行，成本较低、性能稳定、使用方便，拥有几公斤的任务载荷，具有较强的抗风能力、优秀的姿态控制能力。目前比较成熟的自由飞行多旋翼无人机采用全碳纤维机身结构，安装有飞控导航电路、无刷电机、结合三维磁力计的GPS/INS导航系统，支持2.0B CAN总线，支持全自动导航自动驾驶飞行，留空时间约几十分钟。但要作为升空通信系统的载体支持“天线升高”，多旋翼无人机仍有几个方面需要突破：

（1）必须具备长时间滞空的能力。多旋翼无人机的动力来自于无刷电机，这使其具备了由外部提供能源的较好条件，采用系留供电的方式由地面给多旋翼无人机提供电力，可以保证其获得持续动力，从而实现不间断、长时间持久飞行。

（2）稳定悬停的能力，这是多旋翼无人机自身具备的独特优势。由于需综合考虑载荷、系留供电系统的重量以及系留电缆的张力对多旋翼无人机的影响，目前多旋翼无人机多选择有效飞行高度在0～100 m。

（3）可搭载一定通信载荷的能力。在搭载通信载荷和系留供电系统等载荷后，多旋翼无人机应仍能维持在其最恶劣允许飞行条件下的安全飞行。

（4）电磁兼容性能力。多旋翼无人机的动力系统、航电系统、系留供电系统以及通信载荷都会产生电磁辐射，电磁兼容性是其要作为“天线升高”必须解决的重要问题。

（5）安全降落能力。要求多旋翼无人机在遭遇系留供电系统突然断电等故障时可以依靠备用电池自主降落回地面。

系留多旋翼无人机通信系统的组成如图3所示：

要实现系留多旋翼无人机通信系统的应用，需要突破适用于微型电缆的大功率电源高效输送技术、超轻型光电复合系留缆技术、机载超轻型高效功率电源技术、系留供电条件下的飞行安全保障技术、轻型化大功率通信载荷技术、天线共形技术等一系列关键技术。

4 系留多旋翼无人机通信系统应急通信应用

我国是一个自然灾害频发的国家，在灾区核心区域内的公共通信网服务在几天内一般会全面中断且难以恢复；而应急卫星通信系统（国际海事卫星）因抢险现场的抢险单位和人员通信过多而负荷过重不能保证实时通信；北斗卫星系统现阶段还只能提供通信简语服务。许多抢险队伍因无抢险应急通信系统支持，使得抢险现场的信息不能实时送至抢险现场指挥部和后方应急中心。抢险队伍在进入灾区核心区域和进入后的工作过程中，与抢险现场指挥部和后方应急中心基本处于通信失联状态。

系留多旋翼无人机通信系统可以搭载自组网电台、集群微型基站、LTE微型基站等多种通信载荷，形成多种灵活的通信应用配置方式，在灾区核心区域快速开通通信服务，在后方应急中心、现场指挥部与抢险队伍间形成超短波通信达40 km、宽带视频通信达10 km的大区域覆盖应急通信网络。系留多旋翼无人机通信系统应急救灾通信应用图如图4所示。

5 结束语

系留多旋翼无人机通信系统是随着多旋翼无人机技术发展起来的一种新兴通信技术，提高了人们应对各种自然灾害的能力，减少了灾害所造成的损失。在如洪水暴发、地震、泥石流、火灾、雪灾、大风沙等自然灾害中，在有线通信网络被破坏的情况下，利用系留多旋翼无人机通信系统，可以迅速建立起新的通信系统，以最快的速度与灾区取得联系，保障救援工作的顺利进行。系留多旋翼无人机通信系统不仅仅在抢险救灾、应急通信中可发挥巨大的作用，未来在生活的各个领域也将得到积极应用。

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