系留式無人機中繼通信系統在地震應急現場的應用試驗研究1

徐秀杰 賈榮光 楊玉永 婁世平 董 翔 胡 鵬 李永強

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系留式無人機中繼通信系統在地震應急現場的應用試驗研究1

徐秀杰1）賈榮光1）楊玉永1）婁世平1）董 翔1）胡 鵬1）李永強2）

1）山東省地震局，濟南 250014 2）云南省地震局，昆明 650041

在地震現場應急通信中，為滿足無線圖傳系統等通信設備在復雜地形進行大范圍和遠距離通信作業的需求，提出利用系留式無人機中繼通信系統保障無線電（超短波）的遠距離傳輸。目前，對該系統的研究還處于理論分析和試驗階段，尚未在地震應急中得到大范圍的推廣應用。本研究利用多次試驗的數據，分析驗證系留式無人機供電系統的可行性及實用性，定量計算中繼通信系統的升空效益，并形成一套完整的、可操作性強的系統實施方案。在城區、郊區以及起伏較低的山地、丘陵等地區，實現了移動圖傳系統在距離通信車5—10km范圍內穩定、實時、快速的數據傳輸。

地震現場應急 系留式無人機 中繼通信 無線圖傳 升空效益

引言

現場應急工作隊（如移動無線圖傳系統、單兵）需要與應急指揮部建立實時的音視頻通迅（姜立新等，2004），因此地震現場的應急通信保障工作十分重要。為了滿足現有的通信設備跨越復雜地形進行大范圍和遠距離通信的需求，有效的方法是應用空中中繼通信系統。近年來，隨著無人機技術的快速發展，基于其機動性、易操作性等特點，利用無人機平臺做中繼通信的研究不斷涌現（劉磊等，2016）。2016年，中科院“863”項目——“基于衛星中繼技術的無人機遙感網絡體系關鍵技術研究與示范”開展試驗，驗證了無人機遙感組網中繼鏈路的可行性、可靠性與時效性，為本研究方案設計思路提供參考和借鑒。國內外關于無人機中繼通信系統技術的研究相對較少，在地震現場的應急通信保障中的研究應用更為稀缺，主要是因為無人機載荷受限及電池續航能力的制約（劉利強等，2008；周興霞等，2016）。本文針對無人機中繼系統的制約因素，通過研究無線圖傳系統、利用系留電纜持續供電以及中繼集成模塊等相關技術及工作原理，借助多次測試試驗，分析驗證系留式無人機持續供電系統和無人機搭載中繼系統的可行性，并制定出完整的系統運行實施方案。

目前，業內已有不少單位配備無人機設備，多用于開展地震現場災害調查航拍等工作（帥向華等，2009；鄧飛等，2017），本研究不僅拓展了無人機技術在地震現場的應用，同時也可以服務于無人機航拍的圖傳系統，為現有地震現場應急指揮技術系統提供輔助和補充。

1 無線圖傳系統

無線移動視頻傳輸系統的工作模式主要是以現場指揮部為中心，現場工作人員攜帶移動圖傳設備（如單兵背負終端），在一定范圍內進行移動中無線超短波（微波）網絡接入、通信回傳實時視頻圖像（李永強等，2007；楊天青等，2010）。在實際操作中，移動中的圖傳設備在無遮擋情況下，僅可在指揮車3km范圍內穩定地工作，遇到復雜地形或有遮擋時效果更不理想，無法滿足跨越復雜地形進行大范圍和遠距離通信的需求。

1.1 通信系統的組成

現場應急指揮車上配置的無線數字圖像傳輸設備屬于短波電臺通信設備，通常由短波發射機、接收機、天線調諧器、短波天線和數傳終端等構成，用于實現話音、傳真和數據業務通信（張毓豐等，2005；李永強等，2007）。圖傳系統發射機將采集的音視頻信息通過車載中繼或者直接傳到指揮通信車的車載接收機，實現移動圖傳設備與指揮通信車之間的信息傳輸（王東明等，2007；楊樂等，2012）。目前，升級的高清圖傳系統設備和車載系統包括高清車載式發射機，高清基站車載接收機、前端高清便攜發射機，高清接收機和輔助配件高清DV攝像機等（王海濤，2011）。

1.2 無線通信距離的計算

評價無線通信系統（包括中繼系統）覆蓋能力高低的指標是無線通信距離及接收端靈敏度（張毓豐等，2005）。自由空間傳播一般指地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質，其相對介電常數和相對導磁率均為1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強可以忽略不計。在自由空間傳播模型中，無線電波的損耗只與傳播距離和電波頻率有關；當給定信號的頻率，則只和距離有關。自由空間傳播模型可對接收信號的強度進行預測，計算公式為：

式中，r、t分別為接收端、發送端的功率（W）；為發射頻率對應的波長（m）；r、t分別為接收端、發送端的天線增益（dBi）；為自由空間損耗（dB）；為工作頻率（MHz）；為距離（km）。頻率一定的情況下，距離越遠，損耗越大。

然而，純粹自由空間的傳輸環境在實際應用中并不存在。無線通信傳輸距離受多種因素的影響，除了信號源的發射功率、天線的增益、接收設備的靈敏度、頻率、自由空間衰減、噪聲干擾外，還有現場環境的影響，如建筑物、樹木和墻壁的遮擋，人體、氣候等對電磁波的衰減等。對無線傳輸距離進行估算的方法為：①計算無線通信系統上、下行總增益；②計算最大視距傳輸距離（10×（系統總增益-40）/30）；③估算現場實際通信距離。

1.3 無人機中繼系統的覆蓋能力

無線電波的傳輸受到視距和地形的限制，沿地面傳輸致使信號覆蓋不理想，解決這一問題的有效方法是將無線電設備升空，增加其海拔高度，即無線電設備“升空效益”。現有的地面設備可以通過空中中繼轉發系統變阻擋傳輸為視距傳輸，且覆蓋的通信范圍大，可實現跨越復雜地形和遠距離通信，支持機動性強的大范圍、復雜地形和延伸環境的操作，能夠大大提高通信能力和協同能力，實現快速高效的指揮控制能力（殷素杰等，2013）。

無人機中繼系統的信號覆蓋半徑與無人機升空高度和通信設備功率有關，幾何模型如圖1所示。無人機升空高度一般為數百米，遠小于地球半徑，因此，圓弧與直線長度基本一致，球冠的面積也可近似為以為中心的平面圓面積，進而可求出中繼信號的最大傳播距離（李妍文等，2014；袁全盛等，2015）。

圖1 無人機中繼覆蓋區域示意圖

無人機中繼平臺的信號覆蓋半徑計算公式為：

式中：為地球半徑（約6371km）；0表示環境以及極化、饋線損耗等因素對接收功率的額外損耗（dB）；為波爾茲曼常數；b表示信息傳輸速率（Mbps）；為無人機飛行高度（m），表示接收端等效噪聲溫度（K），0表示接收端最低信噪比門限。

2 系統實施方案

地震現場常用的無人機載荷一般為3kg左右，除攝像機等裝置外，可供中繼設備的搭載余量很小，因此用于無人機搭載的硬件設備要求盡可能輕巧。中繼通信地面設備常規的設計通常大于10kg，無法搭載在無人機上，故無人機搭載的單元硬件設計需要有別于常規設備。另外，現場通信要求長時間、連續不中斷工作，無人機受電池續航能力的制約，在空中停留時間十分有限，一般只有十幾分鐘到幾十分鐘，無法滿足需求。這些問題制約著無人機在地震現場應急通信保障中的應用，是急需研究和解決的問題。

本文基于系留式無人機中繼通信技術系統的方案設計和試驗，利用系留電纜持續供電以及中繼集成模塊等技術解決無人機中繼通信的制約問題。

2.1 系留式無人機供電系統設計

系留式無人機供電系統設計由空中部分和地面部分組成（圖2），系統設計技術指標如表1所示?？罩胁糠职o人機平臺、飛行控制系統、機載電源、系留線纜；地面部分包括地面電源、線纜控制機構、系留線纜。

系統設計使用輕型復合系留線纜，實現了地面電源對空中無人機系統的持續供電，從而使無人機可長時間懸停于空中作業，線纜內部包含一根單模光纖，可以傳輸高清視頻等信號，抗干擾能力強。由于線纜輕且細，抗拉力強，因此受風力影響較小。

圖2 系留無人機系統組成圖

表1 系留式無人機供電系統主要技術指標

2.2 無人機中繼通信集成系統設計

研究設計的中繼通信集成模塊，利用模塊化組合設計技術，集數字調制、音視頻壓縮功能于一體，采用中繼轉發模式，具備尺寸小巧、輕便，傳輸音、視頻信號穩定，抗干擾性能強，遠距離傳輸頻率、帶寬、輸出功率可調等特點。中繼模塊設計技術指標如表2所示。將中繼模塊搭載在系留無人機系統上，形成系留式無人機中繼通信系統，如圖3所示。

表2 中繼通信集成系統主要技術指標

3 系統測試

為獲取系留式無人機中繼通信系統的各項技術指標，本研究分2部分開展了多次測試：①利用地面電源和系留線纜，測試為無人機平臺持續供電的最大續航時間和懸停高度；②測試無人機中繼通信系統在不同懸停高度下的升空效益。測試流程如圖4所示。

3.1 系留式無人機供電系統

針對上述第1部分測試，安排2名操作人員，試飛2次，每次懸停時間30分鐘以上，使用地面電源AC-220V給系統供電，圖傳頻率595MHz，線纜收放器自動收放線纜，1分鐘內可完成最高升空懸停放線或降落收線。測試結果如表3所示，結果表明系留線纜能夠穩定地給無人機平臺供電；3級風下線纜抗風拉能力強，圖傳畫面穩定；最大懸停高度91m。

表3 系留式無人機供電系統測試結果

3.2 系留式無人機中繼通信系統

通過上述第2部分測試內容，對比無人機不同懸停高度對無線中繼信號覆蓋的影響。

首先，在低海拔丘陵郊區進行測試，主要遮擋物是樹木及低層建筑，風力4級左右，測試結果如表4所示。結果表明：不使用無人機中繼通信系統，實現穩定傳輸的最大距離小于3km；而使用中繼設備升空能獲得較好的通信距離，無人機升至100m時通信距離擴大至15km以上，同時也避開了樹木等遮擋物的影響，可以滿足無線圖傳系統在地形復雜地區或超遠距離作業的通信需求。

表4 系留式無人機中繼通信系統的升空效益測試結果

續表

測試單兵與指揮車距離/km無人機升空高度/m信號強度/dBi理論通信距離/km極限通信距離/km 12.745-52263 23.560-52328 3.560-59328 4.890-603714 5.690-593714 38.2100-584016 不使用中繼1.1-188.7<3

其次，測試單兵在城區（高層建筑遮擋）、郊區（相對空曠）、低丘陵地區（低山遮擋）等不同地形條件下的實際通信覆蓋距離。單兵移動路線及臨界點分布見圖5，測試結果如表5所示。結果表明不使用無人機中繼通信系統且有遮擋時，實現穩定傳輸的最大距離小于1.5km；而無人機搭載中繼升至100m就可使通信距離擴大至約5—7km，中繼設備升空效益在城區等有遮擋的環境中應用效果較為顯著。

圖5 無人機中繼通信系統臨界點測試路線及點位分布示意圖

表5 無人機中繼通信系統臨界點測試結果

續表

點位海拔/m單兵與指揮車距離/km環境描述備注 ②965.1城區（高層建筑）無人機中繼通信臨界點 ③1044.7城區（高層建筑、立交橋等）無人機中繼通信臨界點 ④1521.0低丘陵區（高層建筑）單兵通信臨界點 ⑤1745.3低丘陵區（高層建筑）無人機中繼通信臨界點 ⑥1817.4低丘陵地區（有低山、低層建筑）無人機中繼通信臨界點

注：無人機飛行高度100m，單兵發射頻率595MHz，指揮車接收頻率320MHz，風力4級左右。

4 結論

本文針對系留式無人機中繼通信系統，設計了完整的、可操作性強的實施方案，并對系統進行了初步應用試驗。研究成果可作為現有應急現場通信技術的輔助和補充，結論如下：

（1）系留式無人機中繼通信系統具備布置機動靈活、操作快速簡便、開通迅速等特點。

（2）中繼設備升空可以很好地提高通信覆蓋能力，在城區、郊區以及起伏較低的山谷、丘陵等地區，可實現單兵等移動圖傳系統與指揮車之間5—10km范圍內穩定、實時、快速的數據傳輸。

（3）由于系留式無人機升空高度有限，克服山區地形遮擋的能力不足，所以針對山區，設想可將2臺以上無人機組成自組網中繼系統。

致謝：對中國地震局震災應急救援司的支持、李永強研究員的指導、科衛泰實業發展有限公司技術人員的幫助以及參與“系留式無人機中繼通信技術在地震現場的應用研究”項目的全體組員表示衷心感謝。

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Technical Application of the Tethered UAV Relay System in Earthquake Emergency Site

Xu Xiujie1), Jia Rongguang1), Yang Yuyong1), Lou Shiping1), Dong Xiang1), Hu Peng1)and Li Yongqiang2)

1) Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China 2) Yunnan Earthquake Agency, Kunming 650041, China

In the emergency communications of earthquake site, wireless mapping system equipment needs to adapt to complex terrain and long distance communication operations. The tethered UAV Relay system is currently in the theoretical analysis and experimental stage, and has not yet been a wide range of practical promotion in the earthquake emergency site. Based on multiple experimental studies, we analyzed and verified its feasibility and practicability. At the same time, we quantitatively estimated its ability raising the height increases the effect. The results of this experimental study can be used to provide a reliable basis and pre-prepared in the application of the system in the earthquake site. Meanwhile, it can used to improve the existing earthquake site emergency communication system.

Earthquake scene emergency; Tethered UAV; Relay communication; Wireless image transmission; Better effect with increased height

徐秀杰，賈榮光，楊玉永，婁世平，董翔，胡鵬，李永強，2018．系留式無人機中繼通信系統在地震應急現場的應用試驗研究．震災防御技術，13（3）：718—726．

10.11899/zzfy20180323

中國地震局地震應急青年重點任務（CEA_EDEM-201710），山東省地震局“地震應急信息創新團隊”和科研基金項目（2016-JJ1608Y）聯合資助

2017-09-29

徐秀杰，女，生于1988年。工程師。主要從事應急指揮技術研究。E-mail：1565833991@qq.com

賈榮光，男，生于1979年。高級工程師。主要從事應急指揮技術研究。E-mail：zhongjrg@126.com