微小型無人機應急通信系統設計

武警工程大學 袁 征

68046部隊 武 毅

1 應用背景

我國是一個人口眾多、幅員遼闊、自然災害頻發的國家。近年來，突發性的自然災害發生頻率、規模呈不斷增長的趨勢，所帶來的社會影響及經濟損失越來越嚴重，受到各級政府部門的高度關注。應急救援是最直接、最有效的減災行動。然而，地震、洪水、雪災等自然災害發生后，往往出現交通受阻、電力中斷、通信傳輸線路大面積癱瘓等不利情況，給應急救援行動帶來嚴重阻礙[1]。此時，為救援行動快速建立一個應急通信指揮網就顯得尤為重要。

2 微小型無人機中繼通信優勢

為了更好的完成救援任務，各科研院所積極探索新的應急通信解決方案。研究表明：利用空中平臺搭載各種通信中繼設備在任務區域上空建立通信覆蓋，是一種理論上可行性較高的解決方案。升空平臺依托高空優勢，能有效變阻擋傳輸為視距傳輸，通信覆蓋范圍的位置、大小可根據需要隨時改變。并且，空中平臺部署周期短、成本低廉，能夠大大提高應急通信組網能力。

目前，空中中繼系統的升空平臺主要包括有人機、無人機、系留氣球和平流層飛艇等[2]。各種平臺性能比較如表1所示。

表1 空中平臺性能對比

對比四種空中平臺，無人機的成本低、飛行控制簡單、機動性強，是建立戰術范圍內中繼通信網絡的最佳升空平臺。

無人機平臺按升空高度可分為：超低空、低空、中空、高空以及超高空。微小型無人機的工作高度一般在50m-200m的超低空范圍內，它憑借造價低廉、飛行代價小、隱蔽性好，生存能力強、使用方便、執行任務多樣化等特點，成為快速建立戰術范圍內應急通信網的“殺手锏”。相對于傳統地面通信網絡，微小型無人機中繼通信系統的優勢主要如下：

1）部署方便，機動靈活

令搭載通信設備的中繼無人機升空飛行便可迅速建立起通信鏈路，省去有線通信布線環節；能夠隨時控制無人機平臺的升降，使中繼覆蓋范圍隨任務地域和需求的變化而變化；微小型無人機的體積小、重量輕、易于攜帶，單兵即可完成中繼無人機的發射和回收工作。

2）不受復雜地形地物限制

傳統無線通信方式容易受高山、高樓等障礙物影響，通信質量嚴重下降。微小型中繼無人機升空后，利用了無人機平臺的空中優勢，可以避開障礙物，建立起可靠的通信鏈路。

3）成本低廉、可靠性高

微小型無人機成本低廉，可以利用多架無人機同時升空飛行，只需保持一架飛機的機載通信設備為工作狀態即可實現中繼通信。如果該中繼無人機或機載通信設備出現故障，可以迅速喚醒備用中繼無人機替代原有中繼機，保持通信鏈路的可靠性。

4）通信設備適用性強、信息傳輸質量高

微小型無人機平臺可以輕松實現中繼通信設備的更新換代，提高中繼通信的通信質量。利用無人機對戰區進行中繼通信還可以利用更多的局部頻率資源，實現寬帶調制。

3 系統組成與工作原理

微小型無人機中繼通信系統是利用微小型無人機作為空中平臺搭載通信中繼設備，對地面通信設備之間的通信信息進行空中轉發。通過空中的中繼作用和升空優勢，可以迅速建立起不受復雜地形地物限制的通信鏈路，實現越障通信[3]。如圖1所示，為微小型無人機點對多點中繼通信系統應用示意圖。

圖1 微小型無人機點對多點中繼通信系統應用示意圖

微小型無人機中繼通信系統分為空中與地面兩大部分，空中部分主要包括通信中繼轉發設備和通信天線，以及搭載這些設備的無人機；地面部分包括地面通信中繼設備、天線系統以及用戶終端，其組成示意圖如圖2所示。

圖2 微小型無人機中繼通信系統組成示意圖

本文中的微小型無人機中繼通信系統是利用多個自適應跳頻網絡電臺組成一個無線通信網絡。其中，微小型無人機搭載基站型網絡電臺升空飛行，設置為AP中繼模式，地面網絡電臺設置為CPE客戶端模式。當地面電臺之間由于建筑物、山體阻擋無法正常通信時，利用機載網絡電臺作為中繼轉發節點，使地面端的各個電臺建立起不受地形地物限制的通信鏈路，保障通信組網的可靠性[4]。

在微小型無人機中繼通信系統中，機載天線與地面終端天線的性能是中繼通信覆蓋范圍與通信質量的重要影響因素，特別是機載天線的輻射方向圖，決定著中繼通信的覆蓋范圍。中繼無人機搭載無線網絡電臺升空飛行作為通信中繼節點，它要和地面上的各個用戶端組網后形成一個通信網絡。所以，機載天線的波束必須能夠覆蓋組網范圍內的所有地面端，而且最好是使空中轉發信號在整個覆蓋區域內等增益分布[5]。因此，機載天線只能選擇全向天線，因為全向天線可以接收水平方向上來自各個角度的信號，還可以向各個角度輻射信號，并且在每個角度上輻射的能量也大體相等。如圖3所示，為機載全向天線的覆蓋示意圖。

圖3 機載全向天線覆蓋范圍示意圖

由于機載天線的發射功率和增益都很小，同時，受微小型無人機的載荷限制，無法通過提高機載發射功率來提升通信質量，這嚴重影響到中繼通信的通信距離和通信質量。因此，地面終端必須選用方向性好，增益高、傳輸距離遠、抗干擾能力強的定向天線來彌補微小型無人機機載通信設備功率小、全向天線增益低的不足，以提高整個中繼通信系統的效能。

本文設計了一種應用于應急救援行動的微小型無人機中繼通信系統。文章闡述了微小型無人機中繼通信的優勢，對系統的組成與工作原理進行了介紹，并從應用角度對中繼系統中空中平臺與地面平臺的天線進行選型。隨著無人機技術的不斷發展，微小型無人機中繼通信必將成為解決復雜地形與復雜環境下通信瓶頸問題的一種有效手段，在未來的通信中發揮重要作用。

[1]熊海涵.地震災害救援現場應急通信研究與設計[D].成都:成都理工大學,2013．

[2]楊尚東,羅衛兵.微小型無人機平臺中繼在應急通信中的應用[J].飛航導彈,2015(5):68-71．

[3]殷素杰,王迎棟,等.空中中繼通信關鍵技術淺議[J].計算機與網絡,2013,3:69-71．

[4]吳翔,馮栓國,等.無線電臺通信網絡建模仿真研究[J].艦船電子工程,2011,9:55-57．

[5]何一,姜飛,等.基于多旋翼無人機和4G的指控系統中繼通信研究[C].北京:第三屆中國指揮控制大會,2015．