遠距離無人機信號傳輸技術研究

摘 要：針對無人機在遠距離及惡劣環境下作業受限的問題，提出一種數傳通信鏈路技術。利用遙控、遙測信號無阻隔傳輸技術，建立數傳通信鏈路和圖傳通信鏈路，實現了遠距離無人機作業和現場故障判斷，確保地面基站能夠接收到清晰穩定的圖像數據。該信號傳輸技術不僅技術先進，而且具有極高的環境適應性，能夠在各種惡劣環境中穩定運行，充分滿足現場作業的實際需求，為無人機的遠程操控與數據傳輸提供了強有力的技術支撐。

關鍵詞：遠距離數據傳輸；無人機；無阻隔傳輸技術；通信鏈路；無線傳輸；視頻編碼

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-03

0 引 言

隨著無人機技術的不斷發展，無人機的使用場景越來越廣泛，其中無人機信號的傳輸能力是衡量無人機性能的重要指標，特別是在遠距離傳輸數據和圖像時顯得尤為重要[1-3]。

現有小型多旋翼無人機只適合近鐵塔區域的小范圍作業，不適合執行高海拔、低溫、無人區等惡劣環境下的鐵塔細節巡視作業任務。鑒于惡劣環境（高海拔、低溫、無人區）下對輸電線路維護的迫切需求，無人機作為執行空中作業的關鍵平臺，其作用愈發突顯。因此，自主研發和裝備續航能力強、具有自主導航和定位功能以及能在非通視條件下實現實時視頻傳輸的高端無人機顯得尤為迫切。這樣的無人機將更好地解決人員不易達區域的輸電線路缺陷檢測問題，最大限度地保障輸電走廊的穩定和安全[4-6]。

本文研究了一種數傳通信鏈路技術，該技術相對簡單，單跳通信距離至少可達20 km，多跳通信則通過中繼實現。該中繼和影像傳輸中繼設備采用一體化設計，能夠滿足遠距離無人機信號傳輸需要。

1 遙測遙控信號傳輸

無人機、遙控裝置和控制系統之間存在大量數據傳輸活動，這些傳輸需要遵循特定的格式規范，從而構建起了無人機數據傳輸系統。控制系統通過發送數據來控制無人機的飛行狀態，無人機實時返回當前的飛行數據，方便操控人員進行控制[7-8]。目前，無人機主要通過手機或專用的遙控設備進行操作。遙控裝置能夠直接和無人機進行指令傳輸，而手機需要結合數據傳輸和圖像傳輸兩種方式，才能實現指令傳輸。由于無人機控制系統是無人機的關鍵設備，因此，無人機通常采用成熟可靠的數據傳輸方式。各類通信鏈路所采用的技術、應用場景和常見技術見表1。

RC遙控技術可以用于無人機的操控，其評估過程中采用了接收機與發射機來實現數據的雙向發送，這一過程旨在分析無人機的操控靈敏度、動態響應范圍、誤碼率等性能，進而完成對傳輸數據質量的分析。由于無人機工作環境復雜，數據傳輸過程中會受到干擾，為了保證無人機能夠實時穩定通信，采用調頻模式可以有效屏蔽干擾信號。

無人機的通信過程是一個雙向過程，操控系統向無人機發送遙控指令，稱為上行鏈路。無人機根據指令進行信息采集工作，并將采集到的數據發送給操控系統，稱為下行鏈路。操控系統和無人機之間的信息交互通過一個中繼器完成，并且無人機發送數據的速度超過其接收數據的速度[9-10]。為了保持數據同步傳輸，中繼器采用了數據調制及解調技術，該技術主要包括MPSK調制、QAM調制、FSK調制三種方式。此外，中繼器可以根據信道環境，通過自適應調制系統應用適合的調制技術，以實現準確且快速的數據發送和接收。

2 數據傳輸性能指標檢驗方案

數據傳輸應滿足ITU-R SM.2130-1標準無線電臺檢查、GB/T 16611標準無線數據傳輸收發信機通用規范以及GB 9159無線電發射設備安全要求等規范中的基本要求。除此之外還應滿足傳輸距離不低于3 km、數據傳輸準確無誤、延時不超過300 ms的技術需求。對無人機相關性能指標進行檢驗，測試方案如下：

（1）收發裝置基本參數測試

搭建好圖像收發裝置，啟動設備后檢查其視頻傳輸基本工作情況；使用射頻信號發生器和矢量網絡分析儀等設備檢查發射器、接收器電路是否正常工作以及電路網絡參數是否正常；使用頻譜分析儀、衰減器等儀器檢測發射器的工作頻段和信道帶寬；結合誤碼率測試儀等設備測試收發過程中的誤碼率以及接收器的接收靈敏度等參數；在保證裝置誤碼率以及接收靈敏度等參數滿足最低要求的情況下測出最高移動速度；分別使用HDMI/YPbPr/AV/USB等音視頻接口連接接收器與顯示屏。

（2）延時和傳輸距離測試

延時和傳輸距離應同時滿足要求。使用射頻信號發生器、矢量網絡分析儀、衰減器等儀器設備，在山區環境下測試圖像收發時設備的一跳傳輸延時，在收發設備距離3 km的條件下進行測試；如果在3 km傳輸距離的最低要求下，延時可以達到指標要求，再進一步增加傳輸距離，測試設備在延時、誤碼率、接收靈敏度等參數最低指標約束下所能達到的最遠傳輸距離，并且測試過程將發射功率約束在100 mW以內。

3 高清圖像壓縮技術

點對點影像傳輸系統包括機載發射機和地面接收機，目前無人機普遍采用模擬圖傳，圖像質量差，傳輸距離一般在1～2 km。為了提高圖像傳輸質量，同時增加通信距離，引入1 080 P的HDMI高清無線圖傳設備對無人機進行改造，實現實時、高清的視頻傳輸。采用基于視頻數字壓縮編解碼的無線傳輸機制，實現對無線視頻的數字傳輸，達到的性能指標見表2。

整個系統的原理如圖1所示。由圖1可知，為保證數據傳輸的信息量，首先需將相機獲取的的視頻信號與無人機飛行過程中的性能參數疊加到一個視頻源中，生成新的視頻信號。然而，此時的視頻信號數據量很大，且視頻數據冗余度較高。為保證傳輸質量，需要對其進行壓縮編碼。采用H.264標準對其進行壓縮編碼，H.264標準基于數據分層設計、幀內預測編碼、幀外預測編碼、整數變換與量化處理、熵編碼五個處理思想實現視頻數據的壓縮編碼，能夠極大地減小視頻的數據量。其中，數據分層設計將視頻編碼分為視頻編碼層（VCL）和網絡抽象層（NAL）。視頻編碼層用來對視頻數據的內容進行壓縮處理；網絡抽象層負責編排數據格式，使視頻信號得以順利發送和接收。

4 圖像傳輸網絡協議

編碼后的視頻信號，采用基于RTP（Real-time Transport Protocol）流媒體實時傳輸協議的方案進行無線傳輸。RTP協議首先將經過H.264編碼后的流媒體數據加上RTP頭后向下發送到傳輸層，在傳輸層加上UDP頭后發送到網絡層，最后在網絡層加上IP頭后才通過網絡傳輸至客戶端。整個流程如圖2所示。

當應用程序開始一個RTP會話時，為確保可靠的通信環境，系統會啟用RTCP糾錯功能。RTP協議和UDP協議共同完成傳輸層協議功能。其中，UDP協議只負責傳輸數據包，不管數據包傳輸的時間順序。RTP的協議數據單元則是由UDP數據分組來承載，一幀數據可以被分成幾個具有相同時間標簽的數據包進行發送。UDP的多路復用特性使得RTP協議能夠支持顯式的多點投遞，從而滿足多媒體會話的需求。RTP協議數據單元報文結構如圖3所示，其中CSRC代表數據報文來源；PT代表負載類型；Sequence number代表序列號，實現數據排序及定位，同時統計丟包率；時間戳Time stamp記錄了負載中第一個字節的采樣時間。

實時傳輸控制協議RTCP為應用程序提供會話質量或者廣播性能質量信息。每個RTCP信息包不封裝聲音數據或視頻數據，而是封裝發送端或接收端的統計報表，其主要功能如下：對數據傳輸的質量提供反饋；提供不同媒體之間的同步傳輸；在會話的用戶界面上顯示會話參與者的標識。RTP在會話過程中會發放一些RTCP包，用來實現監聽服務質量和交換會話用戶信息等功能。

5 高清圖傳技術方案

針對多旋翼無人機無線傳輸能力弱的缺點，設計了一套遠距離大數據無線通信平臺。系統中配置了H.264視頻壓縮模塊，能夠快速且高效地進行視頻壓縮。在無線接收模塊中，集成了緩沖區、解調模塊、視頻解碼模塊和顯示模塊，能夠實現5 km距離的高質量視頻傳輸和焦距信息傳輸。

視頻采集部分的作用是將攝像機的圖像信號通過壓縮芯片進行視頻壓縮，此過程中需要初始化設備，每次采集一幀信號。

RTP是一種提供端到端傳輸服務的實時傳輸協議，建立在TCP和UDP協議之上，適合音頻和視頻數據的傳輸。在服務端，其主要任務是將H.264的視頻流數據封裝在RTP數據包中進行發送。客戶端負責接收這些數據，并將信息反饋給服務器端。

為實現這一目標，本文選擇了Hi3516A芯片，它具有低誤碼率、高圖像質量、低功耗的特點，在視頻編解碼方面具有顯著優勢。這款芯片不僅支持H.264、MJPEG/JPEG等視頻編碼技術，還具備強大的視頻編碼處理能力以及豐富的音頻編解碼功能。此外，Hi3516A還支持多種音頻和視頻接口，確保了系統的靈活性和兼容性。

系統核心控制部分采用ARM9架構的微處理器，射頻通信單元選擇Nordic公司出品的nRF905無線收發芯片，整個芯片采用QFN封裝，大小僅為5 mm×5 mm，并且采用ShockBurstTM工作模式。

6 結 語

本文深入探討了數據傳輸的方式和檢驗方案，基于H.264標準探索了高清圖像壓縮技術，并通過研究和實現基于RTP和RTCP流媒體實時傳輸協議，構建了一種圖像傳輸網絡協議，從視頻采集、視頻壓縮編碼、系統核心控制以及射頻通信等多個維度進行了詳盡的分析。該技術確保了無人機在遠距離及惡劣環境下仍能實現信號的穩定傳輸，充分滿足了現場應用的實際需求。

參考文獻

[1] 彭軍，黃小春，毛鵬鵬，等.基于5G技術的無人機電力巡檢應用探索[J]. 長江信息通信，2023，36（10）：201-203.

[2] WEI Z， ZHU M， ZHANG N， et al. UAV-assisted data collection for internet of things： a survey [J]. IEEE internet of things journal， 2022， 9（17）： 15460-15483.

[3] 熊彪.架空電力線路無人機巡檢數據鏈路通信系統設計[J].電力系統裝備，2020（9）：141-143.

[4] SHAKHATREH H， SAWALMEH A， FUQAHA A A， et al. Unmanned aerial vehicles （UAVs）： a survey on civil applications and key research challenges [J]. IEEE access， 2019， 7： 48572-48634.

[5]胡錦松，吳林梅，束鋒，等.無人機中繼協助的有限碼長隱蔽通信[J].電子與信息學報，2022，44（3）：1006-1013.

[6] PING Q， YING Z Z， YU L. Design of voice control system for smart home based on STM32 [J]. Applied mechanics and materials， 2015 （2）： 369-374.

[7]鐘思，何國民，袁煜，等.基于大數據和云計算的網絡空間安全防御研究[J].科技創新與應用，2022，12（10）：71-74.

[8]賈焰，方濱興，李愛平，等.基于人工智能的網絡空間安全防御戰略研究[J].中國工程科學，2021，23（3）：98-105.

[9] GUAN F， PENG L， PERNEEL L， et al. Open source free RTOS as a case study in real-time operating system evolution [J]. The journal of systems and software， 2016， 118： 19-35.

[10] 黃世銳.基于微分博弈的網絡安全威脅預警與防御決策方法研究[D].鄭州：中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學，2020.