系留式多旋翼無人機在應急通信中的應用

吳鵬 王黎陽

一、應用背景

隨著自然生態的變化，世界各地破壞性自然災害頻發，泥石流、雪災、地震、洪水等災害覆蓋面廣，地面通信基礎設施很容易遭到嚴重破壞，單一的通信技術手段已無法滿足復雜多樣的搶險救災需求，給救援工作帶來諸多的困難。建立響應迅速、可靠穩定的應急通信系統將為救援工作鋪設一條生命的通道。

應急突發事件具有地點、時間不確定性，因此無線通信方式是解決應急通信的主要手段，各種無線通信方式由于技術體制、頻段不同而有各自特性，導致不同的通訊方式在通訊距離、系統容量、建設成本、組網難度等方面有很大的差異。如衛星通信系統需要專屬的通信設備，使用群體面不夠廣，受眾面較窄，而傳統的公眾移動通信網和公眾傳媒網絡短時間內無法實現快速的修復。結合以上兩種方式，在兼顧地面通信和衛星通信特點的基礎上，利用無人機空中平臺搭建一套應急通信系統具有很強的應用價值。

二、無人機應急通信方案

面對錯綜復雜的救災場景，為用戶提供快速、靈活、可靠的通信服務保障的要求，必須充分利用無線、有線、衛星等通信手段，在空中快速組建應急通信通道，利用無人機搭載通信設備實現無線自組網已在抗險救災實踐中運用得到充分的驗證。無人機應急通信方案主要由5部分組成，它們分別是小型ATV、無人機、微型基站、發電機和線纜。

災害發生時，搶險人員駕駛小型ATV接近災害發生地，無人機駕駛員可一鍵使無人機在車上自動起降，設定自動飛行模式時，無人機可與小型ATV汽車實現同步跟隨，實現靜止懸停，運動跟隨的姿態轉換。無人機上搭載微型基站，微型基站與就近的宿主基站通過光纜相連，實現有線通信信號到無線通信信號的轉換，使信號能夠覆蓋到更廣的范圍。當災害現場附近沒有宿主基站的時候，也可以選擇衛星通信的方式來接收通信信號。整個無人機及其搭載設備電源都來自地面發電機，它們之間通過電力線相連，24小時不間斷滯空。

系留式多旋翼無人機具有組網快捷、自動化程度高、性能穩定的特點。機身采用碳纖維復合材料構成，翼展軸距1550mm，最大起飛重量28公斤，抗風等級5級，定點懸停精度0.5米，支持全自動導航駕駛飛行。無人機飛行高度40米至210米。采用LTE800M組網時，由于800MHz信號繞射能力強、覆蓋性能突出，微基站最大可覆蓋25公里，在系統帶寬10M組網時可同時為5000多個手機用戶提供即時通訊，實現大容量、廣覆蓋的應急通信需求。為什么選擇系留式多旋翼無人機，主要具有以下三項技術特征：

（一）具有穩定懸停的能力。多旋翼無人機通過慣性測量元件對三維速度、三維加速度和三維角速度的狀態測量使多旋翼飛行器保持穩定飛行，這是多旋翼無人機飛行具有的獨特優勢。穩定的懸停能力也會受到外無人機本身供電系統的重量、負荷及系留纜的張力因素的影響，無人機懸停高度不超過100米。

（二）具有長時間滯留空中的能力。采取系留供電方式，由地面發電機通過系留電纜進行持續供電，不但可以減輕蓄電池重量，同時也保證無人機不間斷、長時間處于飛行懸停狀態。

（三）具有電磁兼容能力。多旋翼無人機的動力系統、電力系統、系留供電系統會產生電磁輻射，可利用利用屏蔽技術、接地技術、布線技術、濾波技術、磁環材料等降低電磁輻射對通信系統的干擾，在飛行過程中不能影響微基站的性能。

在無人機高空基站系統通信系統中，由于受無人機載荷和安裝空間限制，對通信天線要求體積小，重量輕，功耗低，可以實現全方位的覆蓋輻射，目前應急通信系統中有二種常見的天線類型，全向天線和定向天線。全向天線，即在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在通信系統中一般應用距離近，覆蓋范圍大，價格便宜，增益一般在9dB以下。定向天線，在水平方向圖上表現為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性。同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在通信系統中一般應用于通信距離遠，覆蓋范圍小，目標密度大，頻率利用率高的環境。由于無人機本身具有移動能力強，可以迅速的在目標區域進行部署，同時險情區域的用戶的分布不確定性的特點，因此該應用系統選擇全向天線，向各個角度輻射信號，實現各位方位用戶同等接入能力。

另外，無人機應急通信系統的應用，需要突破超輕型光電復合系留纜技術、輕型化大功率通信載荷技術、系留供電條件下飛行安全保障等一系列關鍵技術。

三、總結

本論文對無人機在應急通信領域的應用價值做了探討，詳細介紹整個系統的組成及工作流程，選擇系留式多旋翼無人機的因素，并且針對無人機通信系統的環境特點，給出了機載天線選擇意見。系留無人機作為應急通信平臺可以完全解決災害時移動通訊基站癱瘓的問題，它可以通過系留多旋翼無人機通信系統搭載自組網電臺、集群微型基站、微型基站等多種通信載荷，形成多種靈活的通信應用配置方式，在災區核心區域快速開通通信服務。