李俊杰

(廣東東軟學院計算機學院，廣東 佛山 528225)

0 引言

在無線通訊系統中，天線高度和環境復雜度是影響通信范圍的最主要因素[1]。而在復雜的環境當中，升高天線至毫無阻擋的高空環境可以減少建筑、山地對電波傳播的影響，顯著擴大通信范圍。正如我們所知的衛星通訊，也是利用此原理，在一望無際的太空環境中避開地面環境的影響，提高了通信鏈路的質量。

系留無人機中繼系統是一種可以靈活將天線升高的通訊技術[2]。系留無人機中繼系統具有靈活部署、可靠性高、起降環境要求低等特點，可以實現地面幾十公里，結合多機模式還可以實現上百公里半徑的覆蓋區內快速、廉價、可靠的中繼通訊，特別是在突發自然災害、通信基礎設施受到破壞等緊急環境下，其應急通信能力具有絕對的優勢。

1 消防領域應急信息傳輸需求

1.1 數據傳輸要求

發生消防緊急任務時，指揮中心與現場人員的通訊可靠性特別重要。指揮中心可根據現場回傳的測控數據和圖像視頻數據，分析現場火情，并根據情況傳輸作戰命令，合理調度人員安排。其中測控數據為無人機狀態參數；圖像視頻數據包括任務設備拍攝的圖像數據和視頻數據，是由任務設備上的攝像頭獲取的圖像和視頻數據[3]。在消防應急救援過程中對數據傳輸具有以下要求：（1）測控數據的實時性要求，測控數據分為上行指令和下行信息，其對傳輸數據帶寬要求不大，通常不大于5kb/s，但對實時性、誤碼率指標要求較高，其傳輸延時要小于200 ms；（2）傳輸距離要求高，通信鏈路覆蓋范圍為幾公里到幾十公里不等，有時緊急情況還可能達到上百公里；（3）圖像視頻數據的通信帶寬要求，如果將圖像和視頻同時回傳，盡管采用H.265傳輸格式，其通信速率將大于10 Mb/s；（4）鏈路的可靠性要求較高，在緊急情況下，一個指令，一個視頻數據，都足以影響整個作戰計劃。

1.2 傳輸方式要求

當發生消防緊急任務時，其地點、距離、環境因素都是無法預測的，這樣對傳輸方式就要求多樣性，不管在什么環境，多遠距離都能夠通訊上，這才符合應急救援的要求。所以在傳輸方式要求方面能夠采用不同的通訊方式達到傳輸要求。

2 消防系留無人機中繼系統方案特點

消防無人機中繼系統由對講機中繼系統、LTE通訊網絡系統和無人機數據鏈路系統組成[4]。

對講機中繼系統設備安裝在機身中下方，采用雙天線進行發射分集和接收分集，發射機與接收機兩臺設備的收發信機使用多工器連接到一起。其中發射機使用25W功放，使用大功率功放，能夠確保通訊距離。功放采用三級放大器，用于放大從 TX_INJ到天線口的輸出信號。所有的三級放大均利用LDMOS技術。一級運放IC和二級MOS管的增益均為可調增益，末級是LDMOS。VHF發射機框圖如圖1所示。

圖1 VHF發射機框圖Fig.1 VHF transmitter block diagram

LTE通訊網絡系統采用小型RRU設備，工作帶寬達到60 MHz，發射功率為2×10W，配置內置天線，是目前世界上戶外商用的功率密度最大且體積最?。w積僅4L，是傳統基站的1/3）的無線基站[5]。并且支持TD-LTE 3載波聚合及MIMO，每個單元提供330Mbps容量，一步到位地滿足移動運營商未來幾年的網絡升級需求。Book RRU還可以根據需求，最多支持12個Book RRU。

無人機數據鏈路系統（如圖 2所示）采用抗干擾、強穿透、遠距離的 LoRa技術，頻段使用915 Mhz。LoRa是基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案[6]。LoRa采用了高擴頻因子，從而獲得了較高的信號增益。一般FSK的信噪比需要8 dB，而 LoRa只需要-20 dB。另外還應用了前向糾錯編碼技術，在傳輸信息中加入冗余，有效抵抗多徑衰落，可以實現單個網關或基站覆蓋整個城市或數百平方公里范圍。

圖2 無人機數據鏈路系統Fig.2 UAV data link system

3 系留中繼無人機在消防領域應用

3.1 對講機中繼系統

在城市周邊森林消防應急過程中，地理位置偏僻，環境復雜，傳統手機通信網絡無法覆蓋，因此消防人員通常會使用對講機系統進行通信。但這種地對地通信模式下，即便采用通常 V（136M-174M）段和U（400M-470M）段通信波段進行通信[7]，各種遮擋下依然存在較大盲區和通信距離短的問題，給應急救援處理帶來諸多不方便。然而采用系留無人機平臺將對講機中繼站升空到高度100 m的高空，通信方式將變成空對地通信，有效距離和覆蓋范圍將大幅度增加。天線高度與通信距離的關系如表1所示。

表1 天線高度與通信距離Tab.1 antenna height and communication distance

通過系列無人機搭載對講機通信中繼長達24H的留空能力，將通信距離由原來的1.5～5 km增加到30～50 km。

單套系統展開后可迅速在地面形成圓形信號覆蓋區（如圖 3所示），區域半徑不小于 30～50 km。信號覆蓋區域內的手持終端、車載終端等設備均可自由通信。

圖3 圓形信號覆蓋區Fig.3 circular signal coverage area

兩套快速部署自組網空中基站部署完成后，可迅速形成橫跨100～150 km的信號覆蓋區域，A、B區域內所有設備均可實現互聯互通（如圖4所示）。天線1高度h 1/m 天線2高度h 2/m 通視距離R/km

圖4 兩個終端間實現無縫對接Fig.4 seamless connection between two terminals

多套快速部署自組網空中基站搭配使用，可迅速形成超長距離和大面積覆蓋，使相隔數百公里的兩個終端間實現無縫對接，快速部署自組網空中基站，部署完成后，覆蓋區域超過11 000 km2，橫跨400～600 km。四大區域的任意終端均可實現互聯互通。

3.2 應急4G-LTE通信網絡架設

當地震發生，由于地表劇烈運動崩坍，布設在地下的通信光纜往往會斷裂中斷通信[8]（如圖5所示）。受滑坡等因素影響，傳統的應急通信手段難以快速、全面恢復當地通信。無人機高空基站，搭載 4G基站作為指揮調度系統，覆蓋面積最高達100 km2，能24 h不間斷為當地1 200個手機用戶提供即時通話、上網等通信保障。

圖5 應急4G-LTE通信網絡架設Fig.5 erection of emergency 4G-LET communication network

3.3 無人機通信鏈路中繼保障

當無人機需要進行遠距離森林消防偵查時，受環境以及空域影響限制，如中間有山體，高樓等遮擋[9]，這時候無線電通信達不到通視條件，信號傳輸質量和距離都很難達到理想狀態（如圖6所示），對飛行存在非常大的安全隱患，同時無法實時獲取飛行姿態、視頻數據，存在空中撞擊障礙物的風險[10]。此時在系留無人機上安裝與前方無人機匹配的中繼系統，實現與前方偵查無人機空對空通信，與地面站空對地通信，將數據鏈路通信覆蓋范圍擴大至半徑 25 km，有效的解決了通信質量差，距離短的問題。

圖6 無人機通信方案Fig.6 UAV communication scheme

3.4 空中區域監控

在系留無人機上安裝30倍1 080 P高清變焦相機云臺相機，將無人機升空至高度 100 m，可對周邊2 km內的范圍進行24 h長期視頻監控[11]。同時視頻信號通過與之相連的光纖傳輸至地面控制站隨后中轉至遠程指揮中心。

4 結論

消防系留無人機中繼系統是結合目前成熟的多旋翼無人機技術與通訊中繼技術的新型系統，有效改善了人們在消防應急救援領域的通訊能力，直接提高了應急救援能力。特別在有線通信網絡被破壞的情況下，利用消防系留無人機中繼系統，可以迅速建立起新的通信系統，以最快、最有效、最可靠的技術與現場取得聯系，保障救援工作的順利進行。消防系留無人機中繼系統不僅僅在消防應急救援救災中發揮巨大的作用，在其他需要及時通訊的領域都可充當重要角色，發揮重要作用。