系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)天線布局及仿真分析

程曉潔，戴禹

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引言

系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)依托系留多旋翼無人機平臺搭載通信載荷，通過超輕光電系留電纜從地面供電至空中，保持系統(tǒng)長時滯空工作[1]。多旋翼無人機通信系統(tǒng)構(gòu)建的長航時、高穩(wěn)定的低空通信節(jié)點，可拓展通信覆蓋范圍，提高復雜地形條件下的通信保障能力，實現(xiàn)機動用戶隨遇接入、跨障通信，且系統(tǒng)機動靈活、開設(shè)迅速，在我國軍事通信和民用應急通信領(lǐng)域均具有良好的發(fā)展前景和應用空間。

在民用領(lǐng)域，2021 年7 月，河南發(fā)生特大暴雨災害后，中國電信利用系留無人機基站作為應急通信裝備，先后恢復了鞏義市米河鎮(zhèn)、鄭州阜外華中心血管病醫(yī)院等區(qū)域的通信。其系留無人機凈載荷15 kg，最大飛行高度為200 m，可搭載4G/5G 基站類設(shè)備，不間斷空中懸停作業(yè)，形成高空基站解決方案，為方圓50 km2范圍內(nèi)的用戶提供語音、數(shù)據(jù)服務(wù)[2]。在軍用領(lǐng)域，系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)作為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的重要手段，也已經(jīng)開展裝備應用，依托系留無人機平臺搭載不同的通信載荷，既可作為空中通信中繼節(jié)點和升空接入基站拓展戰(zhàn)場通信距離，也可作為空中組網(wǎng)骨干節(jié)點，構(gòu)建空地一體網(wǎng)絡(luò)，增強戰(zhàn)場骨干網(wǎng)絡(luò)的可靠性和抗毀性。

系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)主要由多旋翼無人機平臺、通信任務(wù)載荷、系纜收放機構(gòu)、地面電源系統(tǒng)等組成[3]。如圖1 所示，在地面系攬收放機構(gòu)和電源系統(tǒng)的支撐下，多旋翼無人機平臺將通信任務(wù)載荷升空至高度為50 m～300 m 的空中，為地面通信用戶提供跨越障礙遮蔽的視距通信服務(wù)。

圖1 系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)

1 天線布局

本方案以某型四軸八旋翼無人機為平臺進行設(shè)計，該型無人機為共軸多旋翼無人機，其動力系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，在單槳故障情況下，無人機仍然能夠懸停工作，可靠性高。該無人機翼展相對軸距1.39 m，最大起飛重量50 kg，有效載荷10 kg，抗風等級6 級，定點懸停精度1 m，系留飛行高度最高可達200 m，滯空時間大于8 h，支持一鍵起飛降落。通信任務(wù)載荷主要包括一個雙信道通信傳輸載荷和兩副通信天線，通信載荷工作頻率為225 MHz～512 MHz，屬于超短波頻段；通信天線采用垂直極化的全向鞭狀天線，長度為0.67 m，天線增益為-3 dBi～+3 dBi。

影響天線布局的主要因素有：天線裝機前后的方向圖變化和天線間的相互干擾程度。

本方案中系留多旋翼無人機為多軸多旋翼形式，機身尺寸有限，不能在機身上安裝兩根鞭狀天線，其軸臂上安裝有多副旋翼片，為確保飛行安全，旋翼周邊需要留安全間距，因此需要采用支架外延形式安裝天線，使得天線盡量遠離機身和旋翼，減小金屬機身對天線方向圖的影響。通信載荷的兩個信道同時工作時，存在一個發(fā)射一個接收的狀態(tài)，天線間的耦合是導致電磁干擾在兩個信道間傳播的重要途徑，干擾電磁波過大輕則影響接收天線的正常工作，重則會給天線或其他設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，甚至產(chǎn)生更嚴重的后果，因此分析天線間的耦合干擾對預測多旋翼無人機通信系統(tǒng)的整體電磁兼容性有重要意義。常用天線隔離度來定量表征天線間相互干擾的強弱程度。隔離度越大表示兩天線間的干擾越小。天線的隔離度定義為天線接收到的功率與發(fā)射天線的輸入功率之比，實際計算時經(jīng)常采用的是根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)確定的天線隔離度公式[4]，即：

式中，C為天線隔離度，Pr為接收天線輸出功率，Pt為發(fā)射天線輸入的功率，S21為多天線系統(tǒng)等效的多端口廣義網(wǎng)絡(luò)中端口1 到端口2 的傳輸系數(shù)。

受多旋翼無人機安裝空間限制，搭載的通信載荷安裝于機腹下方托架，兩副超短波天線對角安裝于兩個軸臂上，利用支架形式外延安裝，減小螺旋槳對天線的影響，對角安裝也最大限度地增加了天線之間的間距，增大了天線之間的隔離度。但為了保障無人機飛行安全，兩根天線最大外延30 cm。在這種安裝方式下，兩副天線之間間距2 m，天線朝上安裝，減小機身對天線輻射的影響。

2 電磁兼容仿真及分析

采用FEKO 電磁仿真軟件[5]仿真天線安裝于無人機載體前后的天線方向圖和天線間的隔離度[6]，并與單天線的方向圖進行對比。多旋翼無人機平臺和天線模型建模如圖2 所示。

圖2 仿真模型圖

設(shè)置高中低3 個仿真頻率點，分別為225 MHz、368 MHz 和512 MHz，采用MOM 方法，設(shè)定求解遠場參數(shù)和S參數(shù)后剖分網(wǎng)格，仿真分析天線安裝于無人機平臺前后的輻射方向圖和兩根天線之間的隔離度。

裝機前單天線輻射方向圖和集成無人機平臺后的天線輻射方向圖對比如圖3 所示，集成至平臺后的天線輻射方向圖受無人機機身影響，垂直方向增益有所變大，水平方向增益和不圓度變化較小。其中512 MHz 頻率方向圖裝機后最大增益方向向上偏移10°左右，雖然水平方向增益減小2 dB，但對于遠距離低仰角通信來說影響不大。

圖3 不同頻點裝機前后方向圖

由于無人機機身的部分遮擋，兩個天線之間仿真得到的隔離度S21大于36 dB，如圖4 所示，滿足設(shè)備兩個信道的使用要求。

圖4 兩根天線之間的隔離度S21

3 試飛驗證

該型系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)已完成實裝，并進行了飛行測試。飛行試驗布置如圖5 所示，兩個地面用戶設(shè)備為通信載荷陪測設(shè)備。多旋翼無人機平臺升空200 m，地面用戶設(shè)備1 布置于系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)地面設(shè)備所在位置，地面用戶設(shè)備2 拉遠，與系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)空中部分處于視距范圍，D距離為通信覆蓋半徑。

圖5 飛行試驗布置

飛行試驗中通信系統(tǒng)通信效果良好，話音清晰，通信覆蓋半徑D大于20 km，滿足系統(tǒng)要求，同時驗證了天線布局對無人機飛行安全無影響，懸停時間大于4 h，無人機通信系統(tǒng)工作性能良好。

4 結(jié)論

系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代超低空戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的重要與應急保障手段，可將傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)拓展為空地一體網(wǎng)絡(luò)，大幅提升戰(zhàn)場通信保障能力，解決復雜易遮擋地形環(huán)境下和廣域作戰(zhàn)場景下的通信覆蓋范圍受限和通信盲區(qū)等問題。本文結(jié)合某型系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了通信天線的布局方式。通過仿真分析和試飛驗證，證明該布局方式可以滿足無人機系統(tǒng)安全要求，也可滿足通信任務(wù)載荷指標要求，可為系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。