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系留式无人机中继通信系统在地震应急现场的应用试验研究
系留式无人机中继通信系统在地震应急现场的应用试验研究
徐秀杰*1) 贾荣光*1) 杨玉永1) 娄世平1) 董翔1) 胡鹏1) 李永强2)
1)山东省地震局,济南 250014;
2)云南省地震局,昆明 650041
 [收稿日期]: 2017-09-29
摘要

在地震现场应急通信中,为满足无线图传系统等通信设备在复杂地形进行大范围和远距离通信作业的需求,提出利用系留式无人机中继通信系统保障无线电(超短波)的远距离传输。目前,对该系统的研究还处于理论分析和试验阶段,尚未在地震应急中得到大范围的推广应用。本研究利用多次试验的数据,分析验证系留式无人机供电系统的可行性及实用性,定量计算中继通信系统的升空效益,并形成一套完整的、可操作性强的系统实施方案。在城区、郊区以及起伏较低的山地、丘陵等地区,实现了移动图传系统在距离通信车5—10km范围内稳定、实时、快速的数据传输。



引言

现场应急工作队(如移动无线图传系统、单兵)需要与应急指挥部建立实时的音视频通迅(姜立新等,2004),因此地震现场的应急通信保障工作十分重要。为了满足现有的通信设备跨越复杂地形进行大范围和远距离通信的需求,有效的方法是应用空中中继通信系统。近年来,随着无人机技术的快速发展,基于其机动性、易操作性等特点,利用无人机平台做中继通信的研究不断涌现(刘磊等,2016)。2016年,中科院“863”项目——“基于卫星中继技术的无人机遥感网络体系关键技术研究与示范”开展试验,验证了无人机遥感组网中继链路的可行性、可靠性与时效性,为本研究方案设计思路提供参考和借鉴。国内外关于无人机中继通信系统技术的研究相对较少,在地震现场的应急通信保障中的研究应用更为稀缺,主要是因为无人机载荷受限及电池续航能力的制约(刘利强等,2008周兴霞等,2016)。本文针对无人机中继系统的制约因素,通过研究无线图传系统、利用系留电缆持续供电以及中继集成模块等相关技术及工作原理,借助多次测试试验,分析验证系留式无人机持续供电系统和无人机搭载中继系统的可行性,并制定出完整的系统运行实施方案。

目前,业内已有不少单位配备无人机设备,多用于开展地震现场灾害调查航拍等工作(帅向华等,2009邓飞等,2017),本研究不仅拓展了无人机技术在地震现场的应用,同时也可以服务于无人机航拍的图传系统,为现有地震现场应急指挥技术系统提供辅助和补充。

1 无线图传系统

无线移动视频传输系统的工作模式主要是以现场指挥部为中心,现场工作人员携带移动图传设备(如单兵背负终端),在一定范围内进行移动中无线超短波(微波)网络接入、通信回传实时视频图像(李永强等,2007杨天青等,2010)。在实际操作中,移动中的图传设备在无遮挡情况下,仅可在指挥车3km范围内稳定地工作,遇到复杂地形或有遮挡时效果更不理想,无法满足跨越复杂地形进行大范围和远距离通信的需求。

1.1 通信系统的组成

现场应急指挥车上配置的无线数字图像传输设备属于短波电台通信设备,通常由短波发射机、接收机、天线调谐器、短波天线和数传终端等构成,用于实现话音、传真和数据业务通信(张毓丰等,2005李永强等,2007)。图传系统发射机将采集的音视频信息通过车载中继或者直接传到指挥通信车的车载接收机,实现移动图传设备与指挥通信车之间的信息传输(王东明等,2007杨乐等,2012)。目前,升级的高清图传系统设备和车载系统包括高清车载式发射机,高清基站车载接收机、前端高清便携发射机,高清接收机和辅助配件高清DV摄像机等(王海涛,2011)。

1.2 无线通信距离的计算

评价无线通信系统(包括中继系统)覆盖能力高低的指标是无线通信距离及接收端灵敏度(张毓丰等,2005)。自由空间传播一般指地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质,其相对介电常数和相对导磁率均为1,传播路径上没有障碍物阻挡,到达接收天线的地面反射信号场强可以忽略不计。在自由空间传播模型中,无线电波的损耗只与传播距离和电波频率有关;当给定信号的频率,则只和距离有关。自由空间传播模型可对接收信号的强度进行预测,计算公式为:

$ \left\{ \begin{array}{l} {\rm{ }}{P_{\rm{r}}} = {P_{\rm{t}}}\frac{{{G_{\rm{t}}}{G_{\rm{r}}}{\lambda ^2}}}{{(4{\rm{ \mathsf{ π} }}){^2}{d^2}}}\\ {\rm{ }}L = {\rm{32}}{\rm{.44}} + {\rm{20lg}}d + 20{\rm{lg}}F \end{array} \right. $ (1)

式中,PrPt分别为接收端、发送端的功率(W);λ为发射频率对应的波长(m);GrGt分别为接收端、发送端的天线增益(dBi);L为自由空间损耗(dB);F为工作频率(MHz);d为距离(km)。频率一定的情况下,距离越远,损耗越大。

然而,纯粹自由空间的传输环境在实际应用中并不存在。无线通信传输距离受多种因素的影响,除了信号源的发射功率、天线的增益、接收设备的灵敏度、频率、自由空间衰减、噪声干扰外,还有现场环境的影响,如建筑物、树木和墙壁的遮挡,人体、气候等对电磁波的衰减等。对无线传输距离进行估算的方法为:①计算无线通信系统上、下行总增益;②计算最大视距传输距离(10×(系统总增益-40)/30);③估算现场实际通信距离。

1.3 无人机中继系统的覆盖能力

无线电波的传输受到视距和地形的限制,沿地面传输致使信号覆盖不理想,解决这一问题的有效方法是将无线电设备升空,增加其海拔高度,即无线电设备“升空效益”。现有的地面设备可以通过空中中继转发系统变阻挡传输为视距传输,且覆盖的通信范围大,可实现跨越复杂地形和远距离通信,支持机动性强的大范围、复杂地形和延伸环境的操作,能够大大提高通信能力和协同能力,实现快速高效的指挥控制能力(殷素杰等,2013)。

无人机中继系统的信号覆盖半径与无人机升空高度和通信设备功率有关,几何模型如图 1所示。无人机升空高度H一般为数百米,远小于地球半径R,因此,圆弧BPC与直线BC长度基本一致,球冠DPE的面积也可近似为以P为中心的平面圆面积,进而可求出中继信号的最大传播距离(李妍文等,2014袁全盛等,2015)。


图 1 无人机中继覆盖区域示意图 Fig. 1 Sketch map of UAV relay coverage area

无人机中继平台的信号覆盖半径计算公式为:

$ r \le \sqrt {\frac{{R\left({\frac{{{P_{\rm{t}}}{G_{\rm{t}}}{G_{\rm{r}}}{\lambda ^2}}}{{16{{\rm{ \mathsf{ π} }}^2}{L_{\rm{0}}}K{R_{\rm{b}}}T{\gamma _0}}} - {H^2}} \right)}}{{R + H}}} $ (2)

式中:R为地球半径(约6371km);L0表示环境以及极化、馈线损耗等因素对接收功率的额外损耗(dB);K为波尔兹曼常数;Rb表示信息传输速率(Mbps);H为无人机飞行高度(m),T表示接收端等效噪声温度(K),γ0表示接收端最低信噪比门限。

2 系统实施方案

地震现场常用的无人机载荷一般为3kg左右,除摄像机等装置外,可供中继设备的搭载余量很小,因此用于无人机搭载的硬件设备要求尽可能轻巧。中继通信地面设备常规的设计通常大于10kg,无法搭载在无人机上,故无人机搭载的单元硬件设计需要有别于常规设备。另外,现场通信要求长时间、连续不中断工作,无人机受电池续航能力的制约,在空中停留时间十分有限,一般只有十几分钟到几十分钟,无法满足需求。这些问题制约着无人机在地震现场应急通信保障中的应用,是急需研究和解决的问题。

本文基于系留式无人机中继通信技术系统的方案设计和试验,利用系留电缆持续供电以及中继集成模块等技术解决无人机中继通信的制约问题。

2.1 系留式无人机供电系统设计

系留式无人机供电系统设计由空中部分和地面部分组成(图 2),系统设计技术指标如表 1所示。空中部分包括无人机平台、飞行控制系统、机载电源、系留线缆;地面部分包括地面电源、线缆控制机构、系留线缆。


图 2 系留无人机系统组成图 Fig. 2 The composition of the tethered UAV system
表 1 系留式无人机供电系统主要技术指标 Table 1 The technical configurations of the tethered UAV system

系统设计使用轻型复合系留线缆,实现了地面电源对空中无人机系统的持续供电,从而使无人机可长时间悬停于空中作业,线缆内部包含一根单模光纤,可以传输高清视频等信号,抗干扰能力强。由于线缆轻且细,抗拉力强,因此受风力影响较小。

2.2 无人机中继通信集成系统设计

研究设计的中继通信集成模块,利用模块化组合设计技术,集数字调制、音视频压缩功能于一体,采用中继转发模式,具备尺寸小巧、轻便,传输音、视频信号稳定,抗干扰性能强,远距离传输频率、带宽、输出功率可调等特点。中继模块设计技术指标如表 2所示。将中继模块搭载在系留无人机系统上,形成系留式无人机中继通信系统,如图 3所示。

表 2 中继通信集成系统主要技术指标 Table 2 The technical configurations of aerial relay system

图 3 系留式无人机中继通信系统组成图 Fig. 3 The composition of the tethered UAV relay system
3 系统测试

为获取系留式无人机中继通信系统的各项技术指标,本研究分2部分开展了多次测试:①利用地面电源和系留线缆,测试为无人机平台持续供电的最大续航时间和悬停高度;②测试无人机中继通信系统在不同悬停高度下的升空效益。测试流程如图 4所示。


图 4 系留式无人机中继通信系统测试流程 Fig. 4 The test flow chart of the tethered UAV relay system
3.1 系留式无人机供电系统

针对上述第1部分测试,安排2名操作人员,试飞2次,每次悬停时间30分钟以上,使用地面电源AC-220V给系统供电,图传频率595MHz,线缆收放器自动收放线缆,1分钟内可完成最高升空悬停放线或降落收线。测试结果如表 3所示,结果表明系留线缆能够稳定地给无人机平台供电;3级风下线缆抗风拉能力强,图传画面稳定;最大悬停高度91m。

表 3 系留式无人机供电系统测试结果 Table 3 Test results of the tethered UAV system
3.2 系留式无人机中继通信系统

通过上述第2部分测试内容,对比无人机不同悬停高度对无线中继信号覆盖的影响。

首先,在低海拔丘陵郊区进行测试,主要遮挡物是树木及低层建筑,风力4级左右,测试结果如表 4所示。结果表明:不使用无人机中继通信系统,实现稳定传输的最大距离小于3km;而使用中继设备升空能获得较好的通信距离,无人机升至100m时通信距离扩大至15km以上,同时也避开了树木等遮挡物的影响,可以满足无线图传系统在地形复杂地区或超远距离作业的通信需求。

表 4 系留式无人机中继通信系统的升空效益测试结果 Table 4 Test results of the UAV relay system

其次,测试单兵在城区(高层建筑遮挡)、郊区(相对空旷)、低丘陵地区(低山遮挡)等不同地形条件下的实际通信覆盖距离。单兵移动路线及临界点分布见图 5,测试结果如表 5所示。结果表明不使用无人机中继通信系统且有遮挡时,实现稳定传输的最大距离小于1.5km;而无人机搭载中继升至100m就可使通信距离扩大至约5—7km,中继设备升空效益在城区等有遮挡的环境中应用效果较为显著。


图 5 无人机中继通信系统临界点测试路线及点位分布示意图 Fig. 5 The route and critical distribution points of the tethered UAV relay system
表 5 无人机中继通信系统临界点测试结果 Table 5 Test results of critical points of the UAV relay system
4 结论

本文针对系留式无人机中继通信系统,设计了完整的、可操作性强的实施方案,并对系统进行了初步应用试验。研究成果可作为现有应急现场通信技术的辅助和补充,结论如下:

(1)系留式无人机中继通信系统具备布置机动灵活、操作快速简便、开通迅速等特点。

(2)中继设备升空可以很好地提高通信覆盖能力,在城区、郊区以及起伏较低的山谷、丘陵等地区,可实现单兵等移动图传系统与指挥车之间5—10km范围内稳定、实时、快速的数据传输。

(3)由于系留式无人机升空高度有限,克服山区地形遮挡的能力不足,所以针对山区,设想可将2台以上无人机组成自组网中继系统。

致谢: 对中国地震局震灾应急救援司的支持、李永强研究员的指导、科卫泰实业发展有限公司技术人员的帮助以及参与“系留式无人机中继通信技术在地震现场的应用研究”项目的全体组员表示衷心感谢。
参考文献
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Technical Application of the Tethered UAV Relay System in Earthquake Emergency Site
Xu Xiujie*1), Jia Rongguang*1), Yang Yuyong1), Lou Shiping1), Dong Xiang1), Hu Peng1), Li Yongqiang2)
1) Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China;
2) Yunnan Earthquake Agency, Kunming 650041, China
Abstract

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.



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系留式无人机中继通信系统在地震应急现场的应用试验研究
徐秀杰*1) 贾荣光*1) 杨玉永1) 娄世平1) 董翔1) 胡鹏1) 李永强2)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180323