系留式多旋翼无人机在应急通信中的应用

吴鹏 王黎阳

一、应用背景

随着自然生态的变化，世界各地破坏性自然灾害频发，泥石流、雪灾、地震、洪水等灾害覆盖面广，地面通信基础设施很容易遭到严重破坏，单一的通信技术手段已无法满足复杂多样的抢险救灾需求，给救援工作带来诸多的困难。建立响应迅速、可靠稳定的应急通信系统将为救援工作铺设一条生命的通道。

应急突发事件具有地点、时间不确定性，因此无线通信方式是解决应急通信的主要手段，各种无线通信方式由于技術体制、频段不同而有各自特性，导致不同的通讯方式在通讯距离、系统容量、建设成本、组网难度等方面有很大的差异。如卫星通信系统需要专属的通信设备，使用群体面不够广，受众面较窄，而传统的公众移动通信网和公众传媒网络短时间内无法实现快速的修复。结合以上两种方式，在兼顾地面通信和卫星通信特点的基础上，利用无人机空中平台搭建一套应急通信系统具有很强的应用价值。

二、无人机应急通信方案

面对错综复杂的救灾场景，为用户提供快速、灵活、可靠的通信服务保障的要求，必须充分利用无线、有线、卫星等通信手段，在空中快速组建应急通信通道，利用无人机搭载通信设备实现无线自组网已在抗险救灾实践中运用得到充分的验证。无人机应急通信方案主要由5部分组成，它们分别是小型ATV、无人机、微型基站、发电机和线缆。

灾害发生时，抢险人员驾驶小型ATV接近灾害发生地，无人机驾驶员可一键使无人机在车上自动起降，设定自动飞行模式时，无人机可与小型ATV汽车实现同步跟随，实现静止悬停，运动跟随的姿态转换。无人机上搭载微型基站，微型基站与就近的宿主基站通过光缆相连，实现有线通信信号到无线通信信号的转换，使信号能够覆盖到更广的范围。当灾害现场附近没有宿主基站的时候，也可以选择卫星通信的方式来接收通信信号。整个无人机及其搭载设备电源都来自地面发电机，它们之间通过电力线相连，24小时不间断滞空。

系留式多旋翼无人机具有组网快捷、自动化程度高、性能稳定的特点。机身采用碳纤维复合材料构成，翼展轴距1550mm，最大起飞重量28公斤，抗风等级5级，定点悬停精度0.5米，支持全自动导航驾驶飞行。无人机飞行高度40米至210米。采用LTE800M组网时，由于800MHz信号绕射能力强、覆盖性能突出，微基站最大可覆盖25公里，在系统带宽10M组网时可同时为5000多个手机用户提供即时通讯，实现大容量、广覆盖的应急通信需求。为什么选择系留式多旋翼无人机，主要具有以下三项技术特征：

（一）具有稳定悬停的能力。多旋翼无人机通过惯性测量元件对三维速度、三维加速度和三维角速度的状态测量使多旋翼飞行器保持稳定飞行，这是多旋翼无人机飞行具有的独特优势。稳定的悬停能力也会受到外无人机本身供电系统的重量、负荷及系留缆的张力因素的影响，无人机悬停高度不超过100米。

（二）具有长时间滞留空中的能力。采取系留供电方式，由地面发电机通过系留电缆进行持续供电，不但可以减轻蓄电池重量，同时也保证无人机不间断、长时间处于飞行悬停状态。

（三）具有电磁兼容能力。多旋翼无人机的动力系统、电力系统、系留供电系统会产生电磁辐射，可利用利用屏蔽技术、接地技术、布线技术、滤波技术、磁环材料等降低电磁辐射对通信系统的干扰，在飞行过程中不能影响微基站的性能。

在无人机高空基站系统通信系统中，由于受无人机载荷和安装空间限制，对通信天线要求体积小，重量轻，功耗低，可以实现全方位的覆盖辐射，目前应急通信系统中有二种常见的天线类型，全向天线和定向天线。全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜，增益一般在9dB以下。定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高的环境。由于无人机本身具有移动能力强，可以迅速的在目标区域进行部署，同时险情区域的用户的分布不确定性的特点，因此该应用系统选择全向天线，向各个角度辐射信号，实现各位方位用户同等接入能力。

另外，无人机应急通信系统的应用，需要突破超轻型光电复合系留缆技术、轻型化大功率通信载荷技术、系留供电条件下飞行安全保障等一系列关键技术。

三、总结

本论文对无人机在应急通信领域的应用价值做了探讨，详细介绍整个系统的组成及工作流程，选择系留式多旋翼无人机的因素，并且针对无人机通信系统的环境特点，给出了机载天线选择意见。系留无人机作为应急通信平台可以完全解决灾害时移动通讯基站瘫痪的问题，它可以通过系留多旋翼无人机通信系统搭载自组网电台、集群微型基站、微型基站等多种通信载荷，形成多种灵活的通信应用配置方式，在灾区核心区域快速开通通信服务。