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

關(guān)鍵詞：遠距離數(shù)據(jù)傳輸；無人機；無阻隔傳輸技術(shù)；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(shù)的不斷發(fā)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(shù)據(jù)和圖像時顯得尤為重要[1-3]。

現(xiàn)有小型多旋翼無人機只適合近鐵塔區(qū)域的小范圍作業(yè)，不適合執(zhí)行高海拔、低溫、無人區(qū)等惡劣環(huán)境下的鐵塔細節(jié)巡視作業(yè)任務(wù)。鑒于惡劣環(huán)境（高海拔、低溫、無人區(qū)）下對輸電線路維護的迫切需求，無人機作為執(zhí)行空中作業(yè)的關(guān)鍵平臺，其作用愈發(fā)突顯。因此，自主研發(fā)和裝備續(xù)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(xiàn)實時視頻傳輸?shù)母叨藷o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(qū)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(wěn)定和安全[4-6]。

本文研究了一種數(shù)傳通信鏈路技術(shù)，該技術(shù)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(xiàn)。該中繼和影像傳輸中繼設(shè)備采用一體化設(shè)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(tǒng)之間存在大量數(shù)據(jù)傳輸活動，這些傳輸需要遵循特定的格式規(guī)范，從而構(gòu)建起了無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過發(fā)送數(shù)據(jù)來控制無人機的飛行狀態(tài)，無人機實時返回當前的飛行數(shù)據(jù)，方便操控人員進行控制[7-8]。目前，無人機主要通過手機或?qū)Ｓ玫倪b控設(shè)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(jié)合數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸兩種方式，才能實現(xiàn)指令傳輸。由于無人機控制系統(tǒng)是無人機的關(guān)鍵設(shè)備，因此，無人機通常采用成熟可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式。各類通信鏈路所采用的技術(shù)、應(yīng)用場景和常見技術(shù)見表1。

RC遙控技術(shù)可以用于無人機的操控，其評估過程中采用了接收機與發(fā)射機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向發(fā)送，這一過程旨在分析無人機的操控靈敏度、動態(tài)響應(yīng)范圍、誤碼率等性能，進而完成對傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析。由于無人機工作環(huán)境復雜，數(shù)據(jù)傳輸過程中會受到干擾，為了保證無人機能夠?qū)崟r穩(wěn)定通信，采用調(diào)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(tǒng)向無人機發(fā)送遙控指令，稱為上行鏈路。無人機根據(jù)指令進行信息采集工作，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給操控系統(tǒng)，稱為下行鏈路。操控系統(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)的速度超過其接收數(shù)據(jù)的速度[9-10]。為了保持數(shù)據(jù)同步傳輸，中繼器采用了數(shù)據(jù)調(diào)制及解調(diào)技術(shù)，該技術(shù)主要包括MPSK調(diào)制、QAM調(diào)制、FSK調(diào)制三種方式。此外，中繼器可以根據(jù)信道環(huán)境，通過自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)用適合的調(diào)制技術(shù)，以實現(xiàn)準確且快速的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2 數(shù)據(jù)傳輸性能指標檢驗方案

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

（1）收發(fā)裝置基本參數(shù)測試

搭建好圖像收發(fā)裝置，啟動設(shè)備后檢查其視頻傳輸基本工作情況；使用射頻信號發(fā)生器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備檢查發(fā)射器、接收器電路是否正常工作以及電路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是否正常；使用頻譜分析儀、衰減器等儀器檢測發(fā)射器的工作頻段和信道帶寬；結(jié)合誤碼率測試儀等設(shè)備測試收發(fā)過程中的誤碼率以及接收器的接收靈敏度等參數(shù)；在保證裝置誤碼率以及接收靈敏度等參數(shù)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(yīng)同時滿足要求。使用射頻信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、衰減器等儀器設(shè)備，在山區(qū)環(huán)境下測試圖像收發(fā)時設(shè)備的一跳傳輸延時，在收發(fā)設(shè)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(shè)備在延時、誤碼率、接收靈敏度等參數(shù)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(fā)射功率約束在100 mW以內(nèi)。

3 高清圖像壓縮技術(shù)

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

整個系統(tǒng)的原理如圖1所示。由圖1可知，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?，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(shù)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(shù)據(jù)量很大，且視頻數(shù)據(jù)冗余度較高。為保證傳輸質(zhì)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(shù)據(jù)分層設(shè)計、幀內(nèi)預(yù)測編碼、幀外預(yù)測編碼、整數(shù)變換與量化處理、熵編碼五個處理思想實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼，能夠極大地減小視頻的數(shù)據(jù)量。其中，數(shù)據(jù)分層設(shè)計將視頻編碼分為視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL）。視頻編碼層用來對視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容進行壓縮處理；網(wǎng)絡(luò)抽象層負責編排數(shù)據(jù)格式，使視頻信號得以順利發(fā)送和接收。

4 圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xié)議的方案進行無線傳輸。RTP協(xié)議首先將經(jīng)過H.264編碼后的流媒體數(shù)據(jù)加上RTP頭后向下發(fā)送到傳輸層，在傳輸層加上UDP頭后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，最后在網(wǎng)絡(luò)層加上IP頭后才通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至客戶端。整個流程如圖2所示。

當應(yīng)用程序開始一個RTP會話時，為確?？煽康耐ㄐ怒h(huán)境，系統(tǒng)會啟用RTCP糾錯功能。RTP協(xié)議和UDP協(xié)議共同完成傳輸層協(xié)議功能。其中，UDP協(xié)議只負責傳輸數(shù)據(jù)包，不管數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間順序。RTP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元則是由UDP數(shù)據(jù)分組來承載，一幀數(shù)據(jù)可以被分成幾個具有相同時間標簽的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。UDP的多路復用特性使得RTP協(xié)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(xié)議數(shù)據(jù)單元報文結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中CSRC代表數(shù)據(jù)報文來源；PT代表負載類型；Sequence number代表序列號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)排序及定位，同時統(tǒng)計丟包率；時間戳Time stamp記錄了負載中第一個字節(jié)的采樣時間。

實時傳輸控制協(xié)議RTCP為應(yīng)用程序提供會話質(zhì)量或者廣播性能質(zhì)量信息。每個RTCP信息包不封裝聲音數(shù)據(jù)或視頻數(shù)據(jù)，而是封裝發(fā)送端或接收端的統(tǒng)計報表，其主要功能如下：對數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)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(fā)放一些RTCP包，用來實現(xiàn)監(jiān)聽服務(wù)質(zhì)量和交換會話用戶信息等功能。

5 高清圖傳技術(shù)方案

針對多旋翼無人機無線傳輸能力弱的缺點，設(shè)計了一套遠距離大數(shù)據(jù)無線通信平臺。系統(tǒng)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(qū)、解調(diào)模塊、視頻解碼模塊和顯示模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)5 km距離的高質(zhì)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(shè)備，每次采集一幀信號。

RTP是一種提供端到端傳輸服務(wù)的實時傳輸協(xié)議，建立在TCP和UDP協(xié)議之上，適合音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸。在服務(wù)端，其主要任務(wù)是將H.264的視頻流數(shù)據(jù)封裝在RTP數(shù)據(jù)包中進行發(fā)送?？蛻舳素撠熃邮者@些數(shù)據(jù)，并將信息反饋給服務(wù)器端。

為實現(xiàn)這一目標，本文選擇了Hi3516A芯片，它具有低誤碼率、高圖像質(zhì)量、低功耗的特點，在視頻編解碼方面具有顯著優(yōu)勢。這款芯片不僅支持H.264、MJPEG/JPEG等視頻編碼技術(shù)，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(tǒng)的靈活性和兼容性。

系統(tǒng)核心控制部分采用ARM9架構(gòu)的微處理器，射頻通信單元選擇Nordic公司出品的nRF905無線收發(fā)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(jié) 語

本文深入探討了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶蜋z驗方案，基于H.264標準探索了高清圖像壓縮技術(shù)，并通過研究和實現(xiàn)基于RTP和RTCP流媒體實時傳輸協(xié)議，構(gòu)建了一種圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從視頻采集、視頻壓縮編碼、系統(tǒng)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(shù)確保了無人機在遠距離及惡劣環(huán)境下仍能實現(xiàn)信號的穩(wěn)定傳輸，充分滿足了現(xiàn)場應(yīng)用的實際需求。

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