中繼通信技術在無人機應急測繪保障中的應用

周興霞，程多祥，趙 楨，廖小露

(四川省測繪地理信息局測繪應急保障中心，四川 成都 610081)

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中繼通信技術在無人機應急測繪保障中的應用

周興霞，程多祥，趙 楨，廖小露

(四川省測繪地理信息局測繪應急保障中心，四川 成都 610081)

近年來，無人機以機動靈活、快速高效的優勢，在災情偵查、災害調查和災后重建等應急測繪保障工作中發揮了重要作用，已成為國家航空應急救援體系的組成部分之一。但通信距離短、通信方式單一、地形環境影響大等因素已嚴重限制無人機在高山區、遠距離作業任務等復雜條件下的應急測繪保障應用。本文以提高無人機應急測繪保障能力為核心，研究了一種結合中繼通信技術的無人機遠距離操控技術。通過開展無線電通信、衛星通信及移動網絡通信等多種中繼通信方式研究、集成與應用，實現復雜地形環境下的無人機遠距離安全操控和災情地理信息數據快速獲取，能夠有效提升應急測繪與防災減災能力。

無人機；中繼通信；應急測繪保障

近年來，無人機航攝系統以機動靈活、快速高效、使用成本低等優點，在突發公共事件發生后“第一時間”災情地理信息快速獲取與共享服務工作中發揮了重要作用[1-2]，并成功應用于“4·20”蘆山強烈地震、“6·18”以來系列洪災、“4·25”尼泊爾地震西藏重災區域等應急測繪保障工作，為各級政府和有關部門開展決策部署、應急救援、災情評估和災后重建等工作提供了快速、準確、優質的多源災情地理信息服務[3-5]。同時，無人機航攝系統主要通過地面無線電臺實現地面與航攝平臺的通信，存在易受電磁波干擾、通信方式單一、信號易受阻擋等問題，對無人機應急測繪操控距離與飛行安全造成很大的應用局限，難以滿足應急時期“長帶狀”航線飛行及高山峽谷等復雜條件下多源應急影像的快速安全獲取[6]。

中繼通信技術服務于遠距離通信，通過中繼方式對信號接收和放大實現信號間的相互傳遞，在相關領域的應用已較為廣泛且成熟[7]。近年來，國外研制的“捕食者”“全球鷹”等中遠程無人機系統，普遍采用同步通信衛星作為空中中繼平臺，構成衛星中繼數據鏈，轉發無人機的遙控指令和圖像/遙測信息，并充分利用衛星波束的有效覆蓋范圍，實現無人機的超視距測控和信息傳輸。但國內外面向小型無人機系統的中繼通信技術研究相對較少，無人機在應急測繪保障領域的中繼通信技術應用更為稀缺，尚缺少多種通信方式相結合、可應用于應急測繪保障實戰的無人機中繼通信技術。

本文通過研究應急狀態下無線電通信、衛星通信、移動網絡通信等通信方式的工作原理[8-10]，針對性地解決無人機在山區和遠距離獲取應急影像數據時通信信號易受阻擋的關鍵技術，集成了單種和多種中繼通信方式的無人機航攝系統，并結合西南地區應急測繪保障工作實際，歸納總結了中繼通信網絡在提升無人機航攝操控距離和安全性中的應用。最后對應用中存在的技術問題和難點進行討論，提出相應的解決途徑。

一、無人機中繼通信工作原理

根據無人機中繼通信信號接收來源，中繼通信方式可分為無線電通信、衛星通信、移動網絡通信等3種手段。無線電中繼主要通過中繼無人直升機、基于無線分布式系統(WDS)的無線中繼、數傳電臺中繼等方式構建中繼通信網絡。數傳電臺(radio modem)具有使用成本低、繞射能力強、組網結構靈活、覆蓋范圍遠的特點，較為適合機動性強的小型無人機系統在地理環境復雜和多點協同應急狀態下使用。銥星移動通信系統覆蓋全球，軌道低、傳輸速度快、通信質量較高，可滿足自然災害現場、通信落后的邊遠地區的數傳和定位跟蹤需求。GPRS無線數傳模塊是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線通信終端，廣泛應用于GPRS實時數據傳輸等諸多工業與民用領域。

從應急狀態下快速、高效、安全、遠距離獲取災情地理信息的需求綜合考慮，本文重點研究數傳電臺、銥星衛星和GPRS移動網絡中繼通信的工作原理。

1. 數傳電臺中繼通信工作原理

數傳電臺中繼通信主要由兩套地面站、一架任務機和一架中繼機組成，包含5部數傳電臺。中繼機搭載中繼電臺和自駕儀電臺共兩部電臺，其中中繼電臺與任務機自駕儀及任務機地面站電臺進行通信，實現任務機地面站對任務機的測控。中繼機自駕儀數傳電臺與中繼機地面站電臺進行通信。如圖1所示。

圖1 數傳電臺中繼通信工作原理

2. 銥星衛星中繼通信工作原理

將銥星通信模塊與無人機(任務機)運載平臺及自駕儀集成，實現銥星與自駕儀的遙測遙控數據傳輸。同時，為解決銥星衛星通信人工撥號操作繁瑣且信號連接不穩定的技術難題，研發銥星撥號模塊，實現銥星衛星通信模塊自動撥號控制。該模塊可自動與機載銥星設備進行撥號連接，數據傳輸過程中如果數據鏈中斷，軟件能及時發現并自動撥號重新建立鏈路連接以確保銥星通信鏈路的可靠性。如圖2所示。

圖2 銥星衛星中繼通信工作原理

3. 移動網絡中繼通信工作原理

在無人機(任務機)和地面站分別集成GPRS移動網絡通信模塊。由于運營商分配給每個模塊的IP地址不固定，每次登錄的IP地址都不相同，將導致兩個GPRS模塊之間不能直接進行網絡通信。因此，需先指定一個NAT(network address translation)網絡地址轉換服務器進行IP地址靜態分配，再通過在GPRS模塊的芯片內植入通信協議，實現GPRS模塊間的數據轉發。機載GPRS模塊讀取自駕儀輸出的飛行狀態監控數據后，上傳到NAT網絡服務器，無人機地面站同樣通過移動網絡訪問到指定網絡服務器，通過實時上傳和下載無人機飛行數據，實現通過移動網絡通信的方式控制無人機航攝作業。如圖3所示。

圖3 GPRS移動網絡中繼通信工作原理

二、中繼通信技術在應急測繪保障中的應用

1. 單種中繼通信方式在應急測繪保障中的應用

(1) 多種通信方式比較

數傳電臺中繼通信傳輸頻率高、數據傳輸承載量大，可實現跨越障礙物建立通信鏈路。但該方式受起降場地限制較大，當起降場地狹窄、地面不平整或只可單向起降時，在起降過程中易受場地或風向影響導致無人機受損或墜毀。若連續起降作業機和中繼機，起降風險倍增。

銥星衛星中繼通信傳輸距離遠，不受地面站和無人機之間的遮擋干擾，適用遠距離和跨越障礙物建立通信鏈路。但衛星信號傳輸延時較長，使用費用較高，且地面站架設需選擇場地開闊、地面衛星信號接收穩定的區域。

GPRS移動通信中繼通信適用于無線網絡覆蓋區域的遠距離和跨越障礙物建立通信鏈路。但受網絡信號強度限制較大，在無網絡覆蓋區域無法使用，且無線網信號覆蓋主要針對地面，在空中衰減較大。當地面信號強度不夠時，由于空中信號較弱，通信網絡不穩定，不推薦采用該通信模式。

基于以上對3種中繼通信方式的比較，需要根據災區位置、起降場地條件及起降場地相對于災區的地理位置等因素，合理選擇通信方式。以起降場地與災區間有無遮擋、起降場地困難程度、網絡信號覆蓋強度、衛星信號強度作為判斷依據，按照數傳電臺中繼通信、移動網絡中繼通信和衛星中繼通信的優先級別，設置首選和備份通信方式。當首選通信方式中斷后，依據優先級別進行切換選擇。

3種通信方式對比情況見表1。

表1 3種中繼通信方式對比

(2) 數傳電臺中繼通信方式工作流程

基于數傳電臺中繼通信方式在應急測繪保障中的應用優勢，單種中繼通信方式在應急測繪保障中的應用將以數傳電臺中繼通信為例。應急隊伍到達選擇起降場地后，根據應急指令完成中繼機和無人機(任務機)任務航線規劃、組裝、調試等準備工作，測算中繼機最低制式高度，操控起飛中繼機。待中繼機爬升至預設空域平穩飛行且任務機中繼通信鏈路穩定后，起飛任務機執行應急航攝任務。同時，應急航攝任務執行完畢后，應先降落任務機，再降落中繼機。此工作流程的優點是一旦中繼通信信號不穩定或中斷時，地面操控人員可先降落中繼機，查找原因并解決問題后重新起飛，這樣可以大大提高任務機飛行安全性。

同時，中繼機的航線設計為單點按制式圈盤旋，制式圈位置應盡量靠近起飛場地，避開任務航線；制式高度根據起降點位置和高度、測區最遠點距離和高度、遮擋物方位和高度等因素共同決定。如圖4、圖5所示，可通過航攝分辨率要求和相機參數計算出飛行高度H2(H2=相機焦距×地面分辨率÷像元尺寸)，根據DEM數據量測山體高度H1、起飛點到山體的距離L1及航線最遠點距離起飛點的距離L2；中繼機距離起飛點距離近，可將起飛點作為中繼機位置計算。中繼機最低制式高度h可根據公式：L1÷L2=(H1-h)÷(H2-h)計算得出。

2. 多種中繼通信方式在應急測繪保障中的集成應用

在通用掛載接口改造、機艙布局調整的基礎上，升級地面站軟件，集成開發的通信協議，擴展通信接口，實現無線電臺中繼通信、衛星通信、網絡通信等多種中繼通信技術與無人機航攝系統的無縫集成。其中，地面站軟件增加了通信鏈路監測和控制工具欄，并進行鏈路監控、信號切換等程序設計，實現了各種通信模式的監測、選擇和智能切換，解決了應急狀態下信號極易中斷的突發情況，有效增強了無人機的適應性。同時，開展銥星模塊自動撥號技術研究，設計研發了銥星自動撥號硬件模塊，并進行了撥號軟件研發與嵌入，解決了銥星通信過程中鏈路易掉線、通信不穩定、不連貫的問題，實現了連通銥星鏈路或鏈路中斷后自動撥號，保障了銥星通信鏈路的穩定、連貫。

圖4 電臺中繼通信工作流程

注：L1為中繼機與山體之間的距離；H1為山體相對高度；L2為中繼機與航線最遠點距離；H2為任務機相對飛行高度。圖5 電臺中繼通信示意圖

在應急狀態下，需根據不同的地形條件、飛行環境選擇合適的通信方式，并通過其他方式進行鏈路備份。以上3種中繼通信方式集成應用時，優先級依次為數傳電臺、GPRS和衛星設計算法。通過應急測繪保障實戰應用驗證，集成了無線電通信、衛星通信及移動網絡通信等通信方式的小型無人機航攝系統，實現了多架無人機在我國西南地區高山峽谷地區不低于114 km的協同應急、遠距離操控和實時監控。突破了復雜地形導致的通信信號阻擋等問題，有效提高了低空航空應急監測任務中的遠距離實時監控能力。如圖6所示。

圖6 多種中繼通信方式在應急測繪保障中的應用流程

三、結束語

本文針對應急測繪保障中無人機遠距離航攝通信問題，采用信道編碼技術、信道均衡技術、快速捕獲技術及多鏈路冗余備份等關鍵技術，首次研究了集無線電通信、衛星通信、移動網絡通信等多種中繼通信方式于一體的無人機航攝系統，實現了小型無人機在不小于114 km的遠距離應急測繪保障中繼通信應用。無人機中繼通信能力的大幅提升，有效解決了在山區和遠距離獲取應急影像數據時通信信號易受阻擋的問題，增強了無人機應對重大突發公共事件應急測繪保障的能力，為在復雜條件下開展航空應急監測提供了極大的便利。同時，進一步拓寬了通信技術在無人機應急測繪保障和低空攝影測量領域的應用范圍。

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Application Research of the Relay Communication Technology in UAV Emergency Surveying and Mapping

ZHOU Xingxia，CHENG Duoxiang，ZHAO Zhen，LIAO Xiaolu

2016-04-07

2016年國家基礎測繪科技計劃項目(2016KJ0301)；四川省測繪地理信息局科技支撐項目(J2014ZC10)

周興霞(1986—)，女，碩士生，工程師，主要研究方向為應急測繪與防災減災、無人機系統集成與應用。E-mail：99268265@qq.com

周興霞，程多祥，趙楨，等.中繼通信技術在無人機應急測繪保障中的應用[J].測繪通報，2016(11)：47-50.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0363.

P23

B

0494-0911(2016)11-0047-04