徐秀杰 賈榮光 楊玉永 婁世平 董 翔 胡 鵬 李永強(qiáng)

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系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)在地震應(yīng)急現(xiàn)場的應(yīng)用試驗(yàn)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(qiáng)2）

1）山東省地震局，濟(jì)南 250014 2）云南省地震局，昆明 650041

在地震現(xiàn)場應(yīng)急通信中，為滿足無線圖傳系統(tǒng)等通信設(shè)備在復(fù)雜地形進(jìn)行大范圍和遠(yuǎn)距離通信作業(yè)的需求，提出利用系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)保障無線電（超短波）的遠(yuǎn)距離傳輸。目前，對該系統(tǒng)的研究還處于理論分析和試驗(yàn)階段，尚未在地震應(yīng)急中得到大范圍的推廣應(yīng)用。本研究利用多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證系留式無人機(jī)供電系統(tǒng)的可行性及實(shí)用性，定量計算中繼通信系統(tǒng)的升空效益，并形成一套完整的、可操作性強(qiáng)的系統(tǒng)實(shí)施方案。在城區(qū)、郊區(qū)以及起伏較低的山地、丘陵等地區(qū)，實(shí)現(xiàn)了移動圖傳系統(tǒng)在距離通信車5—10km范圍內(nèi)穩(wěn)定、實(shí)時、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

地震現(xiàn)場應(yīng)急 系留式無人機(jī) 中繼通信 無線圖傳 升空效益

引言

現(xiàn)場應(yīng)急工作隊(duì)（如移動無線圖傳系統(tǒng)、單兵）需要與應(yīng)急指揮部建立實(shí)時的音視頻通迅（姜立新等，2004），因此地震現(xiàn)場的應(yīng)急通信保障工作十分重要。為了滿足現(xiàn)有的通信設(shè)備跨越復(fù)雜地形進(jìn)行大范圍和遠(yuǎn)距離通信的需求，有效的方法是應(yīng)用空中中繼通信系統(tǒng)。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于其機(jī)動性、易操作性等特點(diǎn)，利用無人機(jī)平臺做中繼通信的研究不斷涌現(xiàn)（劉磊等，2016）。2016年，中科院“863”項(xiàng)目——“基于衛(wèi)星中繼技術(shù)的無人機(jī)遙感網(wǎng)絡(luò)體系關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”開展試驗(yàn)，驗(yàn)證了無人機(jī)遙感組網(wǎng)中繼鏈路的可行性、可靠性與時效性，為本研究方案設(shè)計思路提供參考和借鑒。國內(nèi)外關(guān)于無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)技術(shù)的研究相對較少，在地震現(xiàn)場的應(yīng)急通信保障中的研究應(yīng)用更為稀缺，主要是因?yàn)闊o人機(jī)載荷受限及電池續(xù)航能力的制約（劉利強(qiáng)等，2008；周興霞等，2016）。本文針對無人機(jī)中繼系統(tǒng)的制約因素，通過研究無線圖傳系統(tǒng)、利用系留電纜持續(xù)供電以及中繼集成模塊等相關(guān)技術(shù)及工作原理，借助多次測試試驗(yàn)，分析驗(yàn)證系留式無人機(jī)持續(xù)供電系統(tǒng)和無人機(jī)搭載中繼系統(tǒng)的可行性，并制定出完整的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)施方案。

目前，業(yè)內(nèi)已有不少單位配備無人機(jī)設(shè)備，多用于開展地震現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)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(jī)技術(shù)在地震現(xiàn)場的應(yīng)用，同時也可以服務(wù)于無人機(jī)航拍的圖傳系統(tǒng)，為現(xiàn)有地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)提供輔助和補(bǔ)充。

1 無線圖傳系統(tǒng)

無線移動視頻傳輸系統(tǒng)的工作模式主要是以現(xiàn)場指揮部為中心，現(xiàn)場工作人員攜帶移動圖傳設(shè)備（如單兵背負(fù)終端），在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動中無線超短波（微波）網(wǎng)絡(luò)接入、通信回傳實(shí)時視頻圖像（李永強(qiáng)等，2007；楊天青等，2010）。在實(shí)際操作中，移動中的圖傳設(shè)備在無遮擋情況下，僅可在指揮車3km范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作，遇到復(fù)雜地形或有遮擋時效果更不理想，無法滿足跨越復(fù)雜地形進(jìn)行大范圍和遠(yuǎn)距離通信的需求。

1.1 通信系統(tǒng)的組成

現(xiàn)場應(yīng)急指揮車上配置的無線數(shù)字圖像傳輸設(shè)備屬于短波電臺通信設(shè)備，通常由短波發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線調(diào)諧器、短波天線和數(shù)傳終端等構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)話音、傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信（張毓豐等，2005；李永強(qiáng)等，2007）。圖傳系統(tǒng)發(fā)射機(jī)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(jī)，實(shí)現(xiàn)移動圖傳設(shè)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(tǒng)設(shè)備和車載系統(tǒng)包括高清車載式發(fā)射機(jī)，高清基站車載接收機(jī)、前端高清便攜發(fā)射機(jī)，高清接收機(jī)和輔助配件高清DV攝像機(jī)等（王海濤，2011）。

1.2 無線通信距離的計算

評價無線通信系統(tǒng)（包括中繼系統(tǒng)）覆蓋能力高低的指標(biāo)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(zhì)，其相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率均為1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號場強(qiáng)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(guān)；當(dāng)給定信號的頻率，則只和距離有關(guān)。自由空間傳播模型可對接收信號的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，計算公式為：

式中，r、t分別為接收端、發(fā)送端的功率（W）；為發(fā)射頻率對應(yīng)的波長（m）；r、t分別為接收端、發(fā)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(yuǎn)，損耗越大。

然而，純粹自由空間的傳輸環(huán)境在實(shí)際應(yīng)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(fā)射功率、天線的增益、接收設(shè)備的靈敏度、頻率、自由空間衰減、噪聲干擾外，還有現(xiàn)場環(huán)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(jìn)行估算的方法為：①計算無線通信系統(tǒng)上、下行總增益；②計算最大視距傳輸距離（10×（系統(tǒng)總增益-40）/30）；③估算現(xiàn)場實(shí)際通信距離。

1.3 無人機(jī)中繼系統(tǒng)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?zhèn)鬏斨率剐盘柛采w不理想，解決這一問題的有效方法是將無線電設(shè)備升空，增加其海拔高度，即無線電設(shè)備“升空效益”?，F(xiàn)有的地面設(shè)備可以通過空中中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)變阻擋傳輸為視距傳輸，且覆蓋的通信范圍大，可實(shí)現(xiàn)跨越復(fù)雜地形和遠(yuǎn)距離通信，支持機(jī)動性強(qiáng)的大范圍、復(fù)雜地形和延伸環(huán)境的操作，能夠大大提高通信能力和協(xié)同能力，實(shí)現(xiàn)快速高效的指揮控制能力（殷素杰等，2013）。

無人機(jī)中繼系統(tǒng)的信號覆蓋半徑與無人機(jī)升空高度和通信設(shè)備功率有關(guān)，幾何模型如圖1所示。無人機(jī)升空高度一般為數(shù)百米，遠(yuǎn)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(jìn)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(jī)中繼覆蓋區(qū)域示意圖

無人機(jī)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(huán)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(shù)；b表示信息傳輸速率（Mbps）；為無人機(jī)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(tǒng)實(shí)施方案

地震現(xiàn)場常用的無人機(jī)載荷一般為3kg左右，除攝像機(jī)等裝置外，可供中繼設(shè)備的搭載余量很小，因此用于無人機(jī)搭載的硬件設(shè)備要求盡可能輕巧。中繼通信地面設(shè)備常規(guī)的設(shè)計通常大于10kg，無法搭載在無人機(jī)上，故無人機(jī)搭載的單元硬件設(shè)計需要有別于常規(guī)設(shè)備。另外，現(xiàn)場通信要求長時間、連續(xù)不中斷工作，無人機(jī)受電池續(xù)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(jī)在地震現(xiàn)場應(yīng)急通信保障中的應(yīng)用，是急需研究和解決的問題。

本文基于系留式無人機(jī)中繼通信技術(shù)系統(tǒng)的方案設(shè)計和試驗(yàn)，利用系留電纜持續(xù)供電以及中繼集成模塊等技術(shù)解決無人機(jī)中繼通信的制約問題。

2.1 系留式無人機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計

系留式無人機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計由空中部分和地面部分組成（圖2），系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如表1所示?？罩胁糠职o人機(jī)平臺、飛行控制系統(tǒng)、機(jī)載電源、系留線纜；地面部分包括地面電源、線纜控制機(jī)構(gòu)、系留線纜。

系統(tǒng)設(shè)計使用輕型復(fù)合系留線纜，實(shí)現(xiàn)了地面電源對空中無人機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)供電，從而使無人機(jī)可長時間懸停于空中作業(yè)，線纜內(nèi)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(qiáng)。由于線纜輕且細(xì)，抗拉力強(qiáng)，因此受風(fēng)力影響較小。

圖2 系留無人機(jī)系統(tǒng)組成圖

表1 系留式無人機(jī)供電系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 無人機(jī)中繼通信集成系統(tǒng)設(shè)計

研究設(shè)計的中繼通信集成模塊，利用模塊化組合設(shè)計技術(shù)，集數(shù)字調(diào)制、音視頻壓縮功能于一體，采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式，具備尺寸小巧、輕便，傳輸音、視頻信號穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，遠(yuǎn)距離傳輸頻率、帶寬、輸出功率可調(diào)等特點(diǎn)。中繼模塊設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如表2所示。將中繼模塊搭載在系留無人機(jī)系統(tǒng)上，形成系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)，如圖3所示。

表2 中繼通信集成系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3 系統(tǒng)測試

為獲取系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，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(jī)平臺持續(xù)供電的最大續(xù)航時間和懸停高度；②測試無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)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(jī)供電系統(tǒng)

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(tǒng)供電，圖傳頻率595MHz，線纜收放器自動收放線纜，1分鐘內(nèi)可完成最高升空懸停放線或降落收線。測試結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明系留線纜能夠穩(wěn)定地給無人機(jī)平臺供電；3級風(fēng)下線纜抗風(fēng)拉能力強(qiáng)，圖傳畫面穩(wěn)定；最大懸停高度91m。

表3 系留式無人機(jī)供電系統(tǒng)測試結(jié)果

3.2 系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)

通過上述第2部分測試內(nèi)容，對比無人機(jī)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(qū)進(jìn)行測試，主要遮擋物是樹木及低層建筑，風(fēng)力4級左右，測試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：不使用無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸?shù)淖畲缶嚯x小于3km；而使用中繼設(shè)備升空能獲得較好的通信距離，無人機(jī)升至100m時通信距離擴(kuò)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(tǒng)在地形復(fù)雜地區(qū)或超遠(yuǎn)距離作業(yè)的通信需求。

表4 系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的升空效益測試結(jié)果

續(xù)表

測試單兵與指揮車距離/km無人機(jī)升空高度/m信號強(qiáng)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(qū)（高層建筑遮擋）、郊區(qū)（相對空曠）、低丘陵地區(qū)（低山遮擋）等不同地形條件下的實(shí)際通信覆蓋距離。單兵移動路線及臨界點(diǎn)分布見圖5，測試結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明不使用無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)且有遮擋時，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸?shù)淖畲缶嚯x小于1.5km；而無人機(jī)搭載中繼升至100m就可使通信距離擴(kuò)大至約5—7km，中繼設(shè)備升空效益在城區(qū)等有遮擋的環(huán)境中應(yīng)用效果較為顯著。

圖5 無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)臨界點(diǎn)測試路線及點(diǎn)位分布示意圖

表5 無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)臨界點(diǎn)測試結(jié)果

續(xù)表

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

注：無人機(jī)飛行高度100m，單兵發(fā)射頻率595MHz，指揮車接收頻率320MHz，風(fēng)力4級左右。

4 結(jié)論

本文針對系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)，設(shè)計了完整的、可操作性強(qiáng)的實(shí)施方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行了初步應(yīng)用試驗(yàn)。研究成果可作為現(xiàn)有應(yīng)急現(xiàn)場通信技術(shù)的輔助和補(bǔ)充，結(jié)論如下：

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

（2）中繼設(shè)備升空可以很好地提高通信覆蓋能力，在城區(qū)、郊區(qū)以及起伏較低的山谷、丘陵等地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)單兵等移動圖傳系統(tǒng)與指揮車之間5—10km范圍內(nèi)穩(wěn)定、實(shí)時、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

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

致謝：對中國地震局震災(zāi)應(yīng)急救援司的支持、李永強(qiáng)研究員的指導(dǎo)、科衛(wèi)泰實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司技術(shù)人員的幫助以及參與“系留式無人機(jī)中繼通信技術(shù)在地震現(xiàn)場的應(yīng)用研究”項(xiàng)目的全體組員表示衷心感謝。

鄧飛，竇愛霞，袁小祥，2017．輕小型無人機(jī)在房屋建筑結(jié)構(gòu)類型調(diào)查中的應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，12（4）：786—796．

姜立新，吳天安，劉在濤等，2004．地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計．地震，24（3）：35—41．

李妍文，霍帥珂，陳偉楨等，2014．基于Google Earth的無人機(jī)中繼布局優(yōu)化軟件．現(xiàn)代電子技術(shù)，37（4）：60—63，69．

李永強(qiáng)，曹刻，趙恒等，2007．云南地震應(yīng)急衛(wèi)星通訊技術(shù)的系統(tǒng)集成與應(yīng)用．地震研究，30（1）：93—98．

劉磊，李景峰，王爍，2016．系留式無人機(jī)載通信系統(tǒng)．通訊世界，（14）：53—54．

劉利強(qiáng)，韓斐，2008．一種基于空中平臺中繼的通信系統(tǒng)的設(shè)計．計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，34（16）：37—39．

帥向華，姜立新，劉欽等，2009．地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)．測繪通報，（7）：38—41，54．

王東明，王曉青，黃宏生等，2007．地震現(xiàn)場應(yīng)急指揮及其標(biāo)準(zhǔn)化研究．自然災(zāi)害學(xué)報，16（4）：143—148．

王海濤，2011．應(yīng)急通信發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)手段分析．電力系統(tǒng)通信，32（220）：1—6．

楊樂，曾薇，譚穎，2012．地震應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，7（1）：100—109．

楊天青，帥向華，2010．國家地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，5（2）：208—214.

殷素杰，王迎棟，趙彥芬，2013．空中中繼通信關(guān)鍵技術(shù)淺議．計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，39（1）：69—71．

袁全盛，胡永江，王長龍，2015．無人機(jī)中繼通信的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢．飛航導(dǎo)彈，（10）：26—29．

張毓豐，鄧民憲，2005．地震現(xiàn)場應(yīng)急救援的通信系統(tǒng)設(shè)計．災(zāi)害學(xué)，20（4）：111—115．

周興霞，程多祥，趙楨等，2016．中繼通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用．測繪通報，（11）：47—50．

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(qiáng)，2018．系留式無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)在地震應(yīng)急現(xiàn)場的應(yīng)用試驗(yàn)研究．震災(zāi)防御技術(shù)，13（3）：718—726．

10.11899/zzfy20180323

中國地震局地震應(yīng)急青年重點(diǎn)任務(wù)（CEA_EDEM-201710），山東省地震局“地震應(yīng)急信息創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和科研基金項(xiàng)目（2016-JJ1608Y）聯(lián)合資助

2017-09-29

徐秀杰，女，生于1988年。工程師。主要從事應(yīng)急指揮技術(shù)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(yīng)急指揮技術(shù)研究。E-mail：zhongjrg@126.com