應用無人機輔助移動通信基站工程設計的研究

盧如東+曾哲君+徐燦輝

【摘 要】為了改善目前常規的基站數據勘察采集手段在準確性及效率方面的不足，研究通過無人機技術對基站工程參數及周邊環境空間信息進行數據采集。對現場采集的站點數據與實際基站工程參數進行對比，驗證了無人機技術應用于基站工程設計的可行性和有效性。運用無人機采集基站數據的手段與常規基站數據勘采手段相比有明顯的優勢，可推廣應用于基站工程設計。

無人機 數據采集 基站工程設計

1 引言

目前我國通信市場競爭激烈，各大運營商都在積極建網，搶占市場。對4G基站的規劃建設要求精準且高效，但目前在建設過程中仍存在一些問題：

（1）規劃選址階段

規劃人員需到現場收集基站規劃數據，耗費人力及時間較多。同時還可能受各種客觀因素影響而不能全面收集到基站數據，如不能上樓面及山頂或者受周邊環境阻擋等，這就導致采集到的數據缺乏全面性及科學性。

（2）勘察設計階段

對于部分難點，站點天線掛高和方向角等數據沒法根據實際情況確定（受客觀環境因素影響）；還有部分站點的天面情況復雜，現場繪圖耗時過長，影響效率。

（3）基站建設階段

對施工進度的把控，需相關人員到現場了解實際基站建設進程，特別是對于在高山山頂建設基站的情況，導致了耗時長、效率低的問題，拉長了建設周期。

（4）后期驗收維護期

通信桿、鐵塔、高鐵附近的基站發射點和高速路段等站點，因桿塔高度較高或地理環境復雜偏僻等，驗收人員無法判斷天線是否已嚴格按照設計的方向角進行安裝以及天線平臺的現場情況，這或會造成網絡覆蓋質量等出現問題，導致后期需多次優化，效率較低。

綜上可知，目前常規的基站勘察、數據采集手段存在優化提升空間，因此，本文提出一種基于無人機應用的創新方法，運用無人機技術精確獲取基站工程參數及周邊環境空間信息，以輔助基站設計建設。

2 無人機輔助4G基站設計

運用無人機輔助4G基站工程設計具有以下優勢：

（1）利用無人機收集基站數據，能減少人力的投入，有效避免了人員登高登塔作業的危險性，全面提升了工作效率；

（2）解決了人工收集數據受基站周邊環境制約的問題。

（3）采集到的基站工參數據更準確、更可靠。

2.1 數據采集及分析

基站規劃選址及設計所需的基站經緯度、天線掛高、方向角、抱桿資源以及環境照等現場建站數據都能用無人機進行無障礙采集。

（1）現場數據采集

建站位置細節照片：空中航拍建站位置高清照片。

規劃基站經緯度源數據：控制無人機懸停在規劃基站正上方，俯拍采集1張照片，照片可記錄下經緯度信息。

環境照數據：控制無人機在規劃天線同高的位置，調整無人機的相機角度為天線規劃的總下傾角度（機械下傾角+電調下傾角），開始進行正北360°視頻自轉拍攝，采集環境照數據。

天線掛高數據：在覆蓋區域地面采集1張照片（覆蓋區域海拔），控制無人機飛行到與天線同高正面拍攝1張照片（天線位置海拔）。同時，可以在遙控監視器觀測到無人機與地面（用無人機遙控）高度。

天線角度（現有基站）數據：控制無人機與天線同高，開始進行正北360°興趣點環繞視頻采集，后續經過軟件分析在后臺提取數據。

（2）數據分析及輸出

采集到規劃覆蓋環境視頻后，需使用特定的軟件SkyMeasure對數據進行處理，分析提取出如天線掛高、天線角度、天線覆蓋效果等有效數據。

模擬天線視距覆蓋效果：將無人機設置為處于規劃天線的高度，以及天線的總下傾角來拍攝環拍視頻，故能夠模擬建成后的天線視距覆蓋效果。通過環拍視頻附以對應的旋轉角度，可協助設計人員初步判斷天線的覆蓋方向及覆蓋效果。

天線下傾角計算：SkyMeasure軟件通過環拍視頻抽幀，確定天線的側視角度，通過雙線夾角算法計算出下傾角。下傾角計算圖例如圖1所示，采用圖像識別分別識別出天線的A點和B點位置以及抱桿的A點和B點位置，通過兩點組成的直線作為天線和抱桿所處的基線，兩條線的夾角就是天線與抱桿之間的夾角，計算出相應的夾角即可得到天線下傾角。

天線方向角計算：待無人機與天線同高，無人機通過自帶的陀螺儀確定正北位置后，會按照一定線速度自轉開始進行360°環拍（速度如每秒順時針轉動10°）。因此，SkyMeasure軟件確定天線的正面視角后，通過采集到的正北信息以及無人機環拍轉動線速度和圖像記錄時間等參數，就可以計算出對應視角的方向角。

SkyMeasure軟件將以Excel表格的形式輸出經緯度、掛高、天線方向角、機械下傾角等工參數據。

2.2 應用案例

以廣州珠江公園基站作為實例，該站位于廣州市天河區珠江公園內的主干道旁，周邊樹木林立，對勘察人員在桿塔下方測量基站經緯度以及觀察桿塔平臺資源、測量小區方向等工作形成了遮擋，故將采用無人機進行基站參數采集。

（1）數據采集

本次無人機輔助提取TD系統基站工參，站點位于美化路燈桿2層平臺，按照上文介紹的方法對該站點進行工參數據采集，現場拍攝圖片如圖2所示。

（2）實際工參與無人機采集數據對比

相關數據采集完成后，使用特定的軟件SkyMeasure對其進行處理，分析提取出該站點經緯度、天線掛高、天線方向角、天線機械下傾角等工參數據，并將站點的實際工參與無人機采集到的工參數據進行對比，其結果如表1所示。

（3）誤差分析

從以上實例可看出，在用無人機方式采集到的工參數據中，經緯度基本與手持GPS測量數據吻合，掛高誤差不超過1 m，天線方向角與現網數據誤差在5°以內，機械下傾角誤差在1°以內，誤差在工程設計允許范圍內，相比傳統的人工采集數據的方式準確性和時效性更高。

3 無人機應用效果對比分析

（1）節約工具成本

分析常規的設計工具與無人機在單套硬件上成本的對比，如表2所示。

（2）規劃效能提升

無人機具有飛行速度快、障礙少、采集效率高等特點，現以1天8個工作小時的規劃站點數為基準，對比傳統人工方式與無人機規劃選址方式的時間效率。

從表3數據可見，無人機在效率方面比人工方式提升約1倍，則相應規劃進度可提升約1倍。

（3）工參提取效能提升

無人機具有飛行速度快、障礙少、采集效率高等特點，現以1天8個工作小時規劃站點數為基準，對比傳統人工方式與無人機輔助方式的工參提取效率，如表4所示。

從表4可見，無人機在工程參數采集方面可提升效率約50%，省去了人工上塔的時間，降低了安全風險。

（4）采集數據更全面更準確

對比現有人工采集手段，通過無人機技術可獲得更全面更準確的規劃設計數據。人工與無人機數據采集手段對比，如表5所示。

（5）實際應用情況

目前廣西某運營商已將無人機應用于基站選址及巡檢。從實際使用效果來看，利用無人機進行勘察，可實現10分鐘完成一個高度達100 m的高山的站點勘察，比傳統方式節約了85%的時間。并且選址和巡檢數據的準確性和安全性都有了質的提高，采集數據的準確率從原來的95%提升到了99%。

4 結論

通過對無人機采集方式進行分析，以及對實際案例中現場采集基站數據精確度的研究和無人機應用效果的對比，驗證了無人機技術應用于基站工程設計的可行性和有效性。相比過去常規的數據采集手段，運用無人機采集數據具有精確性、效率更高以及費用更低等優勢。基站建設從前期規劃到后期維護優化的整個過程都需要對現場數據資料進行收集分析，只有精確的現場數據才能有效指導基站建設。因此，將無人機應用于基站建設市場前景廣闊。目前市場上的無人機存在續航時間短，飛行環境要求嚴格，使用公共頻段容易遭受干擾等不足，未來對于無人機的研究將聚焦于對這些問題的改進，改進后的無人機技術預計將會在基站建設方面有更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 李英成，葉冬梅，薛艷麗，等. GPS輔助空中三角測量技術在無人機海島測圖中的應用[J]. 測繪科學， 2012（5）： 55-57.

[2] 李英成，趙繼成，丁曉波. 超輕型飛機低空數碼遙感系統用于土地資源信息獲取[J]. 遙感信息， 2005（4）： 49-52.

[3] 李冰，劉镕源，劉素紅，等. 基于低空無人機遙感的冬小麥覆蓋度變化監測[J]. 農業工程學報， 2012（13）： 160-165.

[4] 黃克明，王國成，汪陽. 基于DSP的多源圖像融合系統[J]. 兵工自動化， 2012（2）： 61-63.

[5] 陳貽國，潘日敏，申燊. 基于無人機的圖像和GPS數據采集系統的研究與實現[J]. 微型機與應用， 2012，31（1）： 40-42.

[6] 尹杰，楊魁. 基于無人機低空遙感系統的快速處理技術研究[J]. 測繪通報， 2011（12）： 15-17.

[7] 何敬，李永樹，魯恒. 無人機影像拼接誤差實驗研究[J]. 激光與光電子學進展， 2011（12）： 60-64.

[8] 胡開全，張俊前. 固定翼無人機低空遙感系統在山地區域影像獲取研究[J]. 北京測繪， 2011（3）： 35-37.

[9] 張園，陶萍，梁世祥，等. 無人機遙感在森林資源調查中的應用[J]. 西南林業大學學報， 2011（3）： 49-53.

[10] 陳世平. 關于航天遙感的若干問題[J]. 航天返回與遙感， 2011（3）： 1-8.

[11] 董培，石繁槐. 基于小型無人機航拍圖像的道路檢測方法[J]. 計算機工程， 2015（12）： 36-39.

[12] 徐晶，韓軍，童志剛，等. 一種無人機圖像的鐵塔上鳥巢檢測方法[J]. 計算機工程與應用， 2017（6）： 231-235.

[13] 遲曉鵬，羅衛兵，劉廣斌. 微型無人機變焦攝像機設計[J]. 半導體光電， 2016（5）： 742-745.

[14] 劉輝，申海龍. 改進圖像配準算法在無人機遙感圖像拼接中的應用[J]. 半導體光電， 2014（1）： 108-112.

[15] 劉東輝，奚樂樂，孫曉云. 矢量拉力垂直起降無人機姿態縱向控制研究[J]. 計算機工程與應用， 2017（1）： 260-264.