中繼系統在無人機電力巡視中的應用

宋福根，林 韓，黃俊璞

（1.福建省福州大學，福州 350108；2.國網福建省電力公司，福州 350003；3.福建省電力試驗研究院，福州 350007）

目前，我國110kV以上的電力線路近九十萬公里，人工巡線作業工作量巨大，投入巨大的人力物力對輸電線路進行定期巡視檢查。傳統的人工巡線工作方式效率較低，給安全管理帶來許多隱患，對于保證電網的安全運行極為不利。隨著無人飛行器技術的不斷發展，由于無人機技術具有不受地形環境限制等多種優勢，其搭載的可見光、紅外熱成像設備具有對運行電網準確的隱患發現能力［1］。因此該技術已成為應對各種自然災害以及電網運行巡檢、監控、維護、地理圖實時成像更新的有力工具，并逐步代替傳統的巡線工作方式［2］。

因很多輸電線路分布在崇山峻嶺之間，傳統的“點對點”通信模式（即任務機通過無線鏈路直接與地面車載設備進行數據通信）很容易因為山峰等障礙物而阻隔通信，使得目前無人機只能在可視范圍內飛行，限制了通信距離［3］，并且伴有通信盲點的存在，在山區環境下其影響更為明顯，給無人機巡線的效果和安全性帶來極大挑戰。因此，實現無人機的超視距、大范圍的巡視飛行是無人機能否成功應用于大電網巡視的關鍵，而其關鍵技術就是通信中繼技術的突破。因此，研究無人機的中繼通信系統，實現無人機的超視距、遠程飛行越來越具有重要意義。

國內外很多學者對無線通信中的中繼通信方式的選擇和算法都做了很多研究，特別是近年來隨著無人機技術的不斷進步和廣泛應用，對無人機中繼方式的選擇和應用研究取得很大的成就。文獻［3］提出了一種新的基于多級中繼的無人機多鏈路定位方法，描述了無人機多級中繼的選擇和該方法與捷聯慣導系統的組合。文獻［4-6］對基于跨層機制和協作通信機制的中繼方案選擇做了詳細說明，提出了基于放大重傳和解碼重傳下最佳協作中繼的選擇準則。文獻［7］提出了利用商業或軍用通信衛星作為空中中繼平臺，建立無人機衛星中繼數據鏈，實現我國遠程無人機系統的超視距遙控、遙測和偵察信息實時傳輸的解決方案。文獻［8］提出了應用于無人直升機上的中繼轉發系統的方案，論述了該系統的設計方案、總體結構、工作過程以及實現時遇到的技術難點、解決方案。文獻［9］提出一種以無人機平臺為基礎的超視距多鏈路中繼概念。綜合上述文獻，無人機由于不同的應用場合限制，無法利用某一種中繼方式實現無人機超視距大范圍的飛行，必須對各種中繼方式進行對比分析，根據應用場合選擇適合的中繼方式才具有實際意義。

1 目前主要的無人機中繼方式

無人機中繼方式種類較多，下面主要就其中2類主要的中繼通信方式進行分析。

1.1 基于地面中繼節點的通信方式

基于地面中繼節點的無線通信方式根據地面中繼節點的特點，可細分為兩類：基于公網資源的中繼方式和基于自建地面中繼節點的地面中繼通信方式，下面分別就其通信系統的組成和特點進行討論研究。

（1）基于公網通信中繼方式

基于公網通信（GSM／GPRS／EVDO／WCDMA）中繼方式即利用目前已經架設的3G通信網絡作為信號通道進行雙向信號的傳輸。該中繼方式由于采用現有的公網通信網絡，因而具有覆蓋面廣，運行成本低等優點；但是由于公網的設計要求不同于無人機通信指標的要求，所以也存在如下缺陷：

1）時延問題。采用雙邊撥號，延時3～6s；若采用3G網絡傳輸圖像，延時5～10s。即便是通信暢通的情況下，從發現問題到最終控制命令執行，延時8～16s。

2）安全問題。采用公網撥號，每個撥號端（地面站和任務機）各占用1個IP，都完全沒有防護地暴露在公網，特別是任務機上不太可能安裝一臺專門的防火墻，任何人均可向任務機發送數據，可能造成嚴重后果。

3）高空效應。通信公司的宏基站采用定向天線，基站一般高40m，下傾角為12°～16°，在高層連接不穩定（主要是宏基站折射反射后到高層的信號，導致信號頻繁切換通信掉線）。

4）覆蓋問題。3G網絡覆蓋不完善，山區沒有用戶，并且建設的可能性很小。同時在高山上架設基站干擾范圍大且易產生谷底“塔下黑”現象。

（2）基于自建地面中繼節點的中繼方式

這種方式存在通信延時較大、中繼節點不一定在線路走廊等問題，可采用基于自建地面中繼節點的中繼方式來加以改善。該中繼方式即在制高點上的輸電桿塔安裝中繼轉發設備，多方位布點，實現巡視范圍的全覆蓋。并且可以利用輸電桿塔作為中繼設備的搭載平臺，電力供應可以采用微型風光互補供電系統或感應取電方式實現免維護；利用電網GIS系統進行中繼站的規劃選址。

基于自建地面中繼的無人機通信系統示意圖如圖1所示。

圖1 基于自建地面中繼的無人機通信系統

基于地面中繼的無人機通信系統由無人機載寬帶無線圖傳設備、電力塔以及變電站接收中繼設備、測控車接收中繼設備、指揮中心接收和管理軟件等幾部分組成。測控車與無人機鏈路為雙向鏈路，支持反向飛控數據鏈路。同時，測控車與指揮中心間也可實現音視頻雙向鏈路。前方無人直升機設備采集的視頻可以通過變電站中繼后傳輸到測控車，也可以傳送到指揮中心，同時無人直升機可通過電力鐵塔端的上行數據鏈路接收來自于測控車的飛控指令。

從其通信鏈路系統的組成可以看出，該中繼方式具有可沿線路走廊布置地面中繼節點，同時可利用電力系統自身桿塔等設備作為中繼設備安裝支點等優勢。但是也存在地面自建中繼節點較多，點多面廣且戶外安裝的中繼站工作環境惡劣，將來面臨著設備老舊、維護更新等工作，并且維護成本較高。受鐵塔高度的限制，通信中繼覆蓋范圍仍然有限，無法突破100km以上的測控距離。

1.2 基于空中中繼節點的無線通信方式

針對地面中繼通信方式存在的布點過多、造價偏高以及靈活性較差等方面的不足，可采用基于空中中繼節點的無線通信方式來完善［5-6］。基于空中中繼節點的無線通信方式根據中繼節點的特點，可細分為基于衛星中繼方式和基于機載空中中繼平臺的無線通信方式兩類。

（1）衛星中繼方式

衛星中繼方式主要通過通信衛星作為信號中繼節點，由任務機發送圖形、圖像數據到通信衛星，之后再由中繼衛星轉發信號到地面控制站接收；同時地面控制站也可以通過向中繼衛星發送控制信號等再中繼轉發至任務機，從而實現超視距飛行。

衛星中繼方式具有全天候、全覆蓋、通信靈活可靠等優點。但是按衛星通信來設計，每次飛行需專門申請衛星通道，除申請費用外，每分鐘通道占用費用約10元，一次飛行費用（含申請費用）約上萬元。通常衛星中繼方式傳輸延時一般在3s以上，目前還不能完全滿足無人機長時間貼近輸電線路飛行的高精度、實時飛控要求。此外，衛星接收天線在無人機上的安裝、定向、旋翼的影響等問題也尚未完全解決并取得試驗成果，因此該中繼方式在無人機電力線路巡檢中的實際應用還有諸多技術問題有待解決。

（2）基于機載空中中繼平臺的無線通信方式

由于基于衛星中繼的無人機電力線路巡檢通信方式目前還未達到實用階段，當前可采用基于機載空中中繼平臺的無線通信方式來對空中中繼技術進行完善，該無線通信方式由前端無人機載發射端站、中繼無人機站和地面站3部分組成。機載空中中繼模式即在數據鏈路上增加一臺中繼飛機，任務機采集到的圖像和遙測信號首先通過無線鏈路發送給中繼機，通過中繼機轉發給地面測控車載終端，相反，地面測控車的控制指令也通過中繼機轉發給任務機終端，控制任務機的工作狀態。在執行任務前，需在“無人機電力線路綜合巡檢控制系統”中預先規劃好中繼飛機的中繼空域和巡檢飛機的起飛點，中繼飛機就位后無人直升機起飛執行巡視任務。基于機載空中中繼的無人機通信系統示意圖如圖2所示。

該系統由于采用無人機作為中繼平臺，所以可以通過控制中繼無人機的飛行高度實現超大范圍的數據鏈路雙向通信，同時其通信延時一般在200ms以內，而且可支持高速大流量的雙向數據傳輸［10］。但是由于其引入了一臺無人機作為中繼，所以操作人員需同時操作至少兩臺無人機（任務機和中繼機），操作控制較復雜，同時整個系統在前期設計和成本投入等都較大。

圖2 基于機載空中中繼的無人機通信系統示意圖

2 電力系統無人機中繼方式應用研究

基于地面自建中繼的無人機中繼測控鏈路穩定可靠，如條件允許可在變電站附近設中繼站，利用光纖將測控車的數據傳回指揮中心。所以地面中繼方式具有鏈路穩定可靠，同時可以利用現有電力設備實現中繼通信的優點［8］。

基于機載空中中繼平臺的無線通信方式通過增設一架中繼無人機，搭載小型中繼轉發設備實現空中中繼。中繼飛機快速靈活，可任意機動到所需工作的空域，不受地型限制，同時中繼轉發設備僅需一套，維護及采購成本較固定。無人機可長時間在海拔數千米高空盤旋，執行中繼通信任務，能夠在很大范圍內創造“地面站-中繼無人機-巡檢無人機”之間的通視條件，可以大大降低中繼設備和前端發射機的功率，減輕設備重量和功耗。能夠實現2W前端發射，5W中繼，100km的通信測控能力，通信時延能夠控制在200ms以內。這是其他幾種方案所無法比擬的優勢［11］。

針對地面中繼和空中中繼各自存在的局限，可結合兩者優勢，取長補短，同時通信光纜已在電網中廣泛應用，可以采用光纖加無線混合中繼模式，該通信系統如圖3所示。

圖3 基于光纖加無線混合中繼的無人機通信系統

該通信方式不僅可以利用電力系統自身的設備資源，大大減少前期的成本投入和地面中繼節點的數目，同時由于光纖具有通信“零”延時的優勢，則可以大大加大空中中繼方式的巡視范圍，同時又可以克服通信延時這一頸項，因此是電力系統無人機巡檢的主流中繼通信技術。

3 結論

無人機作為電力系統電力線路巡檢及防災減災的重要應用，為了實現超視距大范圍的飛行，中繼系統至關重要。由于基于自建地面中繼和機載空中中繼各自的優點，其在無人機中繼中的應用越來越受到歡迎。

針對某些固定線路的定期巡檢作業及平原地帶的電網巡檢應用，可通過在地面制高點安裝中繼，實現大范圍的通信覆蓋，這樣既能大大減少地面中繼的安裝數量，同時成本投入也較少而且操作較簡便。而對于一些突發的防災減災等巡視工作，則可利用基于機載空中中繼的通信方式，利用中繼飛機在數千米高空飛行實現其遠距離通信的優越性，實現在特殊狀況下的無人機巡視。因此，在無人機巡檢中，可以采用以機載空中中繼為主，地面自建中繼為輔的綜合巡檢方式，實現大范圍超視距巡檢。為了減少前期成本投入，充分利用電力系統自身資源，采用基于光纖加無線混合中繼的無人機通信方式將越來越受到歡迎。因此基于光纖加無線混合中繼的無人機通信方式已經成為電力系統無人飛行器超視距巡視的一個重要發展研究方向，具有重要的實際應用意義。

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