微小型無人機平臺中繼在應急通信中的應用

韓林

（北京消防救援總隊海淀支隊，北京市 100192）

一、微小型無人機中繼通信優勢

為了迅捷、穩健的完成救援任務，各種研究機構都在積極研究新的緊急通信解決方案。研究表明，理論上可行的解決方案是基于高空的優勢使用高架平臺承載各種中繼設備以建立任務區域內的通信覆蓋范圍。發射臺可以有效地將阻擋傳輸更改為視距傳輸。可以根據需要隨時更改通信范圍的位置和大小。

（一）設置便捷。靈活的機動性使配備有通信設備的無人機中繼能夠快速建立通信鏈接，而無需有線通信連接；可以隨時控制無人機平臺的升降以確保中繼平臺在任務區域的通信系統搭建；微型無人機體積小、重量輕、易于攜帶，一名士兵就可以完成無人機中繼器的發射和復位。

（二）由于功能多樣而不受地形環境限制。傳統的無線通信方法容易受到障礙物（如高山和高大建筑物）的影響，通信質量嚴重下降。一旦發射到空中，微型中繼無人機就可以利用無人機平臺的空中優勢來避開障礙物并建立可靠的通信鏈接。

（三）低成本、高可靠性。微型和小型無人機價格便宜，可以同時采取多架無人機空中飛行搭建平臺，只要通過保持一架飛機的機載通信設備的工作狀態就可以實現中繼通信。如果中繼設備或空中通信設備發生故障，備用中繼無人機可以快速喚醒以更換原始中繼機，以保持通信鏈路的可靠性。

（四）通信設備信息傳輸質量高。微型和小型無人機平臺可以輕松實現中繼通信設備的現代化，并提高中繼通信的質量。將無人機用于中繼通信也可能會使用更多的頻率資源來實現寬帶調制。

二、飛行控制系統總體設計概述

對于空中的無人機中繼通信平臺來講，無人機不僅執行飛行任務，而且還協同工作中繼通信系統組建。對于地面管理人員，不僅需要通過發送飛行命令來不斷調整無人機在空中的飛行狀態，以使無人機可以根據任務要求更改位置和通訊范圍，而且還需要不斷地輸入控制命令來調節無人機上通信設備的各種參數，例如發射功率、天線角度等，以始終保持空中通信設備處于最佳狀態。

三、飛行控制模塊冗余保障設計

由于配備通信系統的無人機通常必須使用具有高有效載荷和長使用壽命，因此在設計整個飛行控制系統時，飛行安全性和穩定性是兩個主要考慮因素。在設計飛行控制系統時，為了保證無人機飛行的穩定性和安全性，在不同的模塊中以及模塊之間進行了很多冗余設計，整個系統在控制、執行和管理方面具有雙重冗余結構。從控制角度來看，考慮到無人機在整個飛行過程中最困難的操作也是最危險的階段主要是起飛和著陸階段，并且起飛和著陸通常在近地點結束。因此，在起降控制中，飛行控制系統設計了雙重冗余地面站控制結構和手動遙控，以確保無人機的起降穩定可靠。從實施的角度來看，微小型無人機需要背負通信中繼設備，考慮到在整個無人機飛行中各種傳感器和飛行管理組件都承受著沉重的負荷，因此這些設備的可靠運行對于順利完成整個任務非常重要，關鍵部件的每次故障都會對整個航空任務的執行產生非常嚴重的影響。因此，在冗余飛行操作設計中，除了對安裝位置有明確要求的設備（例如舵機）外，其余位置都配置有冗余備用的飛行管理組件（并且所有傳感器均設置有兩個相同的PX4FMU飛行管理組件）。它們同時安裝在人機終端上，執行相同的功能，每個PX4FMU充當其他PX4FMU的備份。。

在飛行過程中，命令模塊會根據其擁有的傳感器持續計算飛機的狀況，并從地面站接收數據。一旦確定PX4FMU無法正常執行空中任務，它將由命令模塊控制，交換模塊啟動并快速切換到另一個PX4FMU執行飛行任務。從管理角度來看，考慮到LSIB飛行控制模塊在整個飛行控制系統中也起著至關重要的作用。在正常飛行期間，LSIB飛行控制模塊和命令控制模塊保持心跳關系，即它們定期相互發送心跳包。如果控制模塊無法收到飛行控制模塊的心跳包，則考慮到發生了意外情況，并將執行returntoPX4FMU命令，要求無人機根據根據起飛過程中記錄的GPS位置信息自動返回至起飛位置。控制器根據GPS信息和事先設置的命令進行順利到達指定位置。

四、飛行控制模塊工作目標

地面站與無人機之間的無線通信是通過該主題所屬實驗室的無線數據鏈路進行的。在這種情況下，無線鏈路不僅傳輸飛行任務數據，還傳輸控制指令數據以控制空中中繼通信平臺，因此飛行控制系統必須控制無人機的飛行命令和控制指令，妥善識別并處理通信平臺的控制指令。

在飛行中，飛行控制模塊和命令控制模塊除了傳輸命令數據之外，還必須保持一定的相互聯系，以確保對方處于正常工作狀態。當LSIB飛行控制系統模塊的操作出現問題時，可以由命令模塊檢測到問題，并且命令模塊可以打開冗余的飛行控制組件，以保證微型無人機回到指定位置。

五、結語

緊急救援是最直接、最有效的抗災措施。但是地震、洪水、雪災等自然災害發生后，通常會出現交通困難、電力中斷的情況，因此，開展救援行動非常困難。此時，快速建立用于救援行動的通信網絡尤為重要。微小型無人機平臺的中繼通信技術具有良好的靈活性，易于實施并且環境適應能力強，對于開展救援工作具有非常重要的幫助。