基于桿塔的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)通信中繼方案設(shè)計(jì)

吳勁暉，王 彬，時(shí)滿(mǎn)紅，王 前

（1.浙江省電力調(diào)度通信中心，浙江 杭州 310007；2.國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 311200；3.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

基于桿塔的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)通信中繼方案設(shè)計(jì)

吳勁暉1，王 彬2，時(shí)滿(mǎn)紅3，王 前3

（1.浙江省電力調(diào)度通信中心，浙江 杭州 310007；2.國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 311200；3.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

針對(duì)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)作業(yè)中通信中繼電臺(tái)部署問(wèn)題，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性深入分析，綜合考慮自由空間傳播損耗和多徑衰落，給出一種無(wú)線(xiàn)信號(hào)復(fù)合衰落模型和中繼電臺(tái)覆蓋模型，并就電力線(xiàn)巡檢中常遇到的平地場(chǎng)景和山地場(chǎng)景給出了中繼電臺(tái)的部署方案，對(duì)其中的兩種場(chǎng)景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)業(yè)務(wù)的拓展特別是中繼電臺(tái)部署具有重要的參考價(jià)值。

電力線(xiàn)巡檢；無(wú)人機(jī)；通信；中繼

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)的需求和依賴(lài)程度不斷增加，電網(wǎng)安全越來(lái)越受到社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注。輸電線(xiàn)路作為電網(wǎng)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，更需要在安全巡檢上不斷加強(qiáng)。電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，不僅提高了電網(wǎng)事故的發(fā)生概率，而且使得電網(wǎng)巡檢的工作量與難度也隨之增加。而利用無(wú)人機(jī)巡檢電力線(xiàn)路，具有不受地形環(huán)境限制、費(fèi)效比低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)無(wú)需顧慮其意外墜毀可能導(dǎo)致的人員傷亡等問(wèn)題，因此備受電力行業(yè)的歡迎［1-2］。

無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)融合了航空、遙感、電子、電力、飛行控制、通信、圖像識(shí)別等多個(gè)高尖技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度比較大，世界范圍內(nèi)專(zhuān)門(mén)研究無(wú)人機(jī)電力線(xiàn)巡檢技術(shù)的并不多。在國(guó)外，雖然無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)研究較早，但利用無(wú)人機(jī)巡檢電力線(xiàn)的研究當(dāng)前只側(cè)重在圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)處理等方面［3-4］。相比之下，國(guó)內(nèi)的研究水平還較低。2007年3月，廣西桂能信息公司承接華北電網(wǎng)北京超高壓公司項(xiàng)目，對(duì)源霸雙回輸電線(xiàn)路進(jìn)行直升機(jī)巡檢，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)直升機(jī)載激光雷達(dá)巡檢的先河。國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行無(wú)人直升機(jī)的巡檢研究，取得了階段性成果［5］。湖南省電力科學(xué)研究院利用四旋翼UAV在冬季導(dǎo)線(xiàn)嚴(yán)重覆冰的情況下進(jìn)行巡檢實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出四旋翼UAV巡檢的一些缺陷，并設(shè)計(jì)了改進(jìn)措施。此外，江西、遼寧、廣東、云南、貴州等省級(jí)電網(wǎng)公司也進(jìn)行過(guò)UAV巡檢的嘗試，不過(guò)大多是購(gòu)買(mǎi)UAV產(chǎn)品搭載相機(jī)、熱像儀等設(shè)備進(jìn)行巡檢拍攝，技術(shù)上并沒(méi)有更進(jìn)一步的提高。

無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是指對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和信息傳輸?shù)募夹g(shù)。信息傳輸是指無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷傳感器觀測(cè)信息下傳至控制中心的信息傳輸過(guò)程［6］。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)由機(jī)載模塊、中繼模塊（可選）和地面站模塊3部分組成［7］。其中，中繼模塊可以固定裝設(shè)在線(xiàn)路桿塔上也可通過(guò)中繼無(wú)人機(jī)搭載。研究表明，中繼模塊的安裝方式將直接影響無(wú)人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，而中繼模塊的安裝方式受中繼模塊的通信覆蓋性能的嚴(yán)重影響。目前，關(guān)于無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)中的中繼電臺(tái)的通信覆蓋范圍及相應(yīng)的中繼電臺(tái)部署方案國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的研究文獻(xiàn)和成果。因此，在綜合考慮傳播路徑損耗和多徑衰落的基礎(chǔ)上，分析了無(wú)人機(jī)與中繼電臺(tái)之間特定頻段衰落特性，給出一種信道復(fù)合衰落模型，并針對(duì)平地場(chǎng)景和典型山地場(chǎng)景提出了中繼電臺(tái)的部署方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M(mǎn)足無(wú)人機(jī)超視距通信的實(shí)際需求，驗(yàn)證了研究的中繼電臺(tái)部署方案在無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)中具有重要參考意義。

1 通信鏈路中的中繼模式

在進(jìn)行電力線(xiàn)路巡視的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)采用直通和中繼兩種模式與地面控制中心通信。直通模式只用在無(wú)人機(jī)距離地面控制中心較近且沒(méi)有任何障礙物的情況下。中繼模式中，無(wú)人機(jī)通過(guò)中繼電臺(tái)向地面控制中心下傳數(shù)據(jù)，并接收控制中心的控制指令。

在具體的線(xiàn)路巡視中，要解決山體阻擋及輸電線(xiàn)路電磁干擾，擴(kuò)展無(wú)人機(jī)巡視的距離，必須采用中繼模式進(jìn)行信息傳輸。無(wú)人機(jī)的中繼模式有地面中繼和空中中繼2種。地面中繼模式是將中繼設(shè)備安裝在某個(gè)線(xiàn)路塔上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本較低。而空中中繼模式是通過(guò)增加一定數(shù)量的中繼飛機(jī)擴(kuò)大無(wú)人機(jī)的巡視范圍，由于無(wú)人機(jī)數(shù)量的增加，必定會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜度提高、降低系統(tǒng)的可靠性，并提高系統(tǒng)成本。相比空中中繼模式，地面中繼模式是未來(lái)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)中繼模式的一個(gè)很好選擇。因此，研究無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)的中繼電臺(tái)部署方案，對(duì)拓展無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)作業(yè)范圍，最大限度地發(fā)揮無(wú)人機(jī)在巡線(xiàn)作業(yè)中的優(yōu)勢(shì)具有重要意義。無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)地面中繼模式的通信鏈路模型如圖1所示，無(wú)人機(jī)與中繼電臺(tái)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通信，各中繼電臺(tái)與地面控制中心通過(guò)光纖連接實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 地面中繼模式模型

2 信道衰落模型

無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播過(guò)程中通常受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落3種因素影響，導(dǎo)致中繼鏈路的最大傳輸距離不確定。路徑損耗表示大尺度范圍內(nèi)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播損耗的均值，地空通信環(huán)境下可近似等于自由空間傳播損耗。陰影衰落是由于在電波傳播過(guò)程中，遇到起伏的山丘、建筑物、樹(shù)林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，造成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變化。多徑衰落是由于接收端收到的信號(hào)是經(jīng)過(guò)折射、反射和直射等不同路徑傳播來(lái)的多個(gè)信號(hào)的疊加，從而造成接收信號(hào)起伏急劇變化，誤碼率增加。

根據(jù)無(wú)線(xiàn)電頻譜的劃分規(guī)定，2.4GHz頻段為免費(fèi)頻段，該頻段的使用不需向無(wú)線(xiàn)電委員會(huì)申請(qǐng)，因此，幾乎所有的民用無(wú)人機(jī)通信、藍(lán)牙、WiFi等都使用該頻段。所以，研究中所用的地面中繼電臺(tái)與無(wú)人機(jī)通信電臺(tái)的中心頻率均設(shè)為2.45GHz。該頻段通信的一個(gè)顯著特點(diǎn)是通信頻率高、通信設(shè)備之間是視距通信，多徑衰落和自由空間傳播損耗是影響電波傳播距離的主要因素。

電波自由空間傳播損耗為

式中：d為傳播距離，m；λ為無(wú)線(xiàn)電波波長(zhǎng)，m。使用對(duì)數(shù)表達(dá)方式，自由空間傳播損耗可表示為

式中：f為載波頻率，MHz；d為傳播距離，km。

多徑衰落表示在慢衰落基礎(chǔ)上接收信號(hào)幅值的快速起伏，目前廣泛采用Nakagami模型，Nakagami分布可表示為

式中：l為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相對(duì)距離，m；Ls為多徑隨機(jī)衰落平均功率，dBm，Ls此處取自由空間傳播損耗的衰落功率；m≥0表示衰落因子，用于描述信道衰落的惡劣程度，值越小信道越惡劣，實(shí)測(cè)m=1.2～10；Γ（·）是Gamma函數(shù)。

結(jié)合多徑衰落和自由空間傳輸損耗，將（1）式代入（3）式可得信道復(fù)合衰落分布為

3 中繼電臺(tái)覆蓋模型

借鑒文獻(xiàn)［8］覆蓋半徑計(jì)算思路，通過(guò)計(jì)算不同傳播距離時(shí)的通信中斷概率，確定中繼電臺(tái)覆蓋半徑。

中繼電臺(tái)發(fā)射信號(hào)功率為PT，dBm；無(wú)人機(jī)接收靈敏度為RS，dBm；中繼電臺(tái)天線(xiàn)增益為，dBi；無(wú)人機(jī)機(jī)載天線(xiàn)增益為GT，dBi；系統(tǒng)增益為GP，dB；系統(tǒng)裕量為SFM，dB。若系統(tǒng)能夠正常通信，信道衰落L必須滿(mǎn)足：

通信暢通（滿(mǎn)足接收信號(hào)最小功率要求）的概率為

若假設(shè)接收機(jī)中斷通信的概率 Pout不超過(guò) rmax（系統(tǒng)正常通信允許的最大中斷概率）時(shí)系統(tǒng)就能正常工作，則此時(shí)的中繼通信電臺(tái)的覆蓋模型（最大覆蓋半徑）為

式中：

4 中繼電臺(tái)布置方案

4.1 仿真分析

為了便于后續(xù)中繼電臺(tái)部署方案的研究分析，參考某預(yù)研的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)項(xiàng)目的參數(shù)，按照前面的分析得到的中繼電臺(tái)覆蓋模型通過(guò)數(shù)值仿真給出典型系統(tǒng)的通信覆蓋范圍。

假設(shè)中繼電臺(tái)發(fā)射信號(hào)功率PT＝27 dBm；中繼電臺(tái)天線(xiàn)增益為GT=3 dBi；無(wú)人機(jī)機(jī)載天線(xiàn)增益為GR=3 dBi；系統(tǒng)增益GP=1；系統(tǒng)裕量SFM大于15 dB；衰落因子m=10。根據(jù)中繼電臺(tái)覆蓋模型仿真可得無(wú)人機(jī)接收靈敏度分別為RS=－95 dBm，－90 dBm，－85 dBm，－80 dBm，－75 dBm，－70 dBm時(shí)，系統(tǒng)能夠正常通信的時(shí)間概率隨通信距離的變化曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 正常通信的時(shí)間概率隨通信距離的變化曲線(xiàn)

假設(shè)正常通信概率大于0.9時(shí)系統(tǒng)就能夠正常通信 （假設(shè)后續(xù)所選用的信道編碼及其他處理措施可以保證系統(tǒng)在中斷概率小于0.1時(shí)可以正常通信），不同無(wú)人機(jī)接收靈敏度條件下的通信距離的典型值如表1所示。由仿真結(jié)論可以看出，當(dāng)接收機(jī)靈敏度只有－90 dBm時(shí)，中繼電臺(tái)的最大覆蓋半徑只有1 860m。

表1 不同接收靈敏度下通信距離

4.2 中繼點(diǎn)部署方案

按照50 km巡線(xiàn)范圍，假設(shè)：相鄰兩個(gè)電力線(xiàn)鐵塔之間距離為600m，無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)通信設(shè)備參數(shù)與4.1節(jié)仿真參數(shù)相同，系統(tǒng)在中斷概率小于0.1時(shí)可以正常通信，接收機(jī)靈敏度為-90 dBm，考慮多徑衰落。則根據(jù)4.1節(jié)仿真結(jié)果，單個(gè)中繼電臺(tái)覆蓋半徑不超過(guò)1 860m，即最長(zhǎng)可以覆蓋3.72 km的傳輸線(xiàn)路。設(shè)置平地、山地兩種場(chǎng)景，分析中繼點(diǎn)部署方案。

4.2.1 平地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案

相鄰兩個(gè)鐵塔之間距離為600m，為保證中繼電臺(tái)對(duì)整個(gè)電力線(xiàn)路的無(wú)縫覆蓋，在相鄰中繼節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)有120m重疊區(qū)域條件下，中繼點(diǎn)部署方案為：每隔5個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺(tái)（每6個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺(tái)），50km巡線(xiàn)范圍至少需要部署14個(gè)中繼電臺(tái)。

4.2.2 山地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案

由于山區(qū)場(chǎng)景下的山體具體情況復(fù)雜，衰落更為嚴(yán)重，中繼電臺(tái)的信號(hào)覆蓋范圍較平原地帶應(yīng)該有所縮小，中繼點(diǎn)部署方案只有在確定輸電線(xiàn)路鐵塔安裝地點(diǎn)和周邊山體自然情況后，通過(guò)實(shí)際測(cè)量才能確定，否則極有可能出現(xiàn)中繼信號(hào)的覆蓋盲區(qū)。因此，在山地部署中繼電臺(tái)應(yīng)該適當(dāng)增加相鄰中繼電臺(tái)的信號(hào)重疊范圍，并將中繼點(diǎn)盡量部署在待覆蓋區(qū)域的最高點(diǎn)處，從而最大化中繼點(diǎn)的覆蓋范圍。下面給出3種情況下的山地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案。

1）輸電線(xiàn)路連續(xù)跨越兩個(gè)以上山體時(shí)，且相鄰山體最高點(diǎn)距離小于3.7 km時(shí)，在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺(tái)。輸電線(xiàn)跨越近距離山體中繼電臺(tái)部署方案如圖3所示。

圖3 輸電線(xiàn)跨越近距離山體中繼電臺(tái)部署方案

2）輸電線(xiàn)路連續(xù)跨越兩個(gè)以上山體時(shí)，且相鄰山體最高點(diǎn)距離大于3.7 km時(shí)，在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺(tái)，兩山體中間輸電線(xiàn)路鐵塔應(yīng)視情況架設(shè)1個(gè)或多個(gè)中繼電臺(tái)。輸電線(xiàn)跨越遠(yuǎn)距離山體中繼電臺(tái)部署方案如圖4所示。

圖4 輸電線(xiàn)跨越遠(yuǎn)距離山體中繼電臺(tái)部署方案

3）輸電線(xiàn)路沿山脈走勢(shì)架設(shè)（輸電線(xiàn)與山脈走勢(shì)基本平行）。此時(shí)輸電線(xiàn)不需要跨越山體，鐵塔之間沒(méi)有高達(dá)障礙物，中繼點(diǎn)部署方案與平原地區(qū)的中繼點(diǎn)部署方案相同即每隔5個(gè)鐵塔部署1個(gè)中繼電臺(tái)，50 km巡線(xiàn)范圍至少需要部署14個(gè)中繼電臺(tái)。輸電線(xiàn)沿山脈架設(shè)中繼電臺(tái)部署方案如圖5所示。

圖5 輸電線(xiàn)沿山脈架設(shè)中繼電臺(tái)部署方案

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依托現(xiàn)有條件對(duì)中繼電臺(tái)部署的部分方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)1：平地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案驗(yàn)證。

根據(jù)平地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案要求，在某機(jī)場(chǎng)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境，每間隔3 km的地面上部署1個(gè)中繼電臺(tái)，在沿跑道方向上共部署4個(gè)中繼電臺(tái)，覆蓋距離約12 km。實(shí)驗(yàn)中無(wú)人機(jī)沿跑道直線(xiàn)方向最遠(yuǎn)飛行距離11 km，實(shí)現(xiàn)了超視距飛行，飛行過(guò)程中保持了通信的連續(xù)、暢通，視頻信息回傳正常。

實(shí)驗(yàn)2：山地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案驗(yàn)證。

在浙江紹興一段實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路共有6級(jí)桿塔，跨越2個(gè)山體，相鄰山體最高點(diǎn)距離為2.8 km，該實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路符合4.2中方案1的環(huán)境特征。采取在相鄰兩山體最高點(diǎn)各架設(shè)1個(gè)中繼電臺(tái)的方案。實(shí)驗(yàn)中無(wú)人機(jī)在有遮蔽的情況下，跨越山體飛行20min，飛行距離3.2 km，飛行過(guò)程中能夠保持通信的連續(xù)、暢通，視頻信息回傳正常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通信中繼方案是合理、可行的。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)作為一種新技術(shù)，其巡檢電力線(xiàn)路具有不受地形環(huán)境限制、可靠性和安全性高、費(fèi)效比低等優(yōu)勢(shì)。然而，無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)中的中繼電臺(tái)的安裝方式受中繼電臺(tái)通信覆蓋性能的嚴(yán)重影響。假設(shè)所研究的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)的中繼電臺(tái)安裝在電力線(xiàn)鐵塔上，對(duì)無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性進(jìn)行了深入分析，給出無(wú)線(xiàn)信號(hào)復(fù)合衰落模型和中繼電臺(tái)覆蓋模型。隨后，就電力線(xiàn)巡檢中常遇到的平地場(chǎng)景和山地場(chǎng)景給出了中繼電臺(tái)的部署方案，并對(duì)平地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署方案和山地場(chǎng)景中繼點(diǎn)部署的第1種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)通信中繼建設(shè)具有重要參考價(jià)值。

［1］于德明，武藝，陳方東，等.直升機(jī)在特高壓交流輸電線(xiàn)路巡視中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（2）：29-32.

［2］邵允臨，曹晉恩，尚大偉.直升機(jī)巡檢華北電網(wǎng)超高壓輸電線(xiàn)路［J］.中國(guó)電力，2003，36（7）：35-38.

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［4］成剛，楊隨虎.無(wú)人機(jī)機(jī)載光電系統(tǒng)綜述［J］.應(yīng)用光學(xué)，2005，26（4）：1-4.

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Design of Relay Scheme for UAV Line Patrol Communication Based on Tower

WU Jinhui1，WANG Bin2，SHIManhong3，WANG Qian3
（1.Zhejiang Electric Power Dispatching and Communication Center，Hangzhou 310007，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 311200，China；3.Air Force EarlyWarning Academy，Wuhan 430019，China）

Aiming at solving the problem of deploying and distributing the communication relay stations for operating UAVs for power-line inspection，amodel ofwireless signal decay and relay coverage is developed and presented in this paper.Thismodel is derived through in-depth analysis of the characteristic of attenuation of the wireless signals，taking the free space propagation loss and multipath fading into consideration.The deployment strategies of the relay station are discussed for the plat ground and mountainous situation respectively as they are the most frequent situation during the power-line inspection.The model are verified by experiments for two specific sites.Research and experimental results provides valuable data for the future developmentof the UAV-patrol-operation，especially on the relay station deployment.

power line inspection；UAV；communication；relay

TM755

A

1007－9904（2017）06－0049－04

2016-12-06

吳勁暉（1971），男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究工作。