消防应急无人机中继系统的设计与实现

李俊杰

(广东东软学院计算机学院，广东 佛山 528225)

0 引言

在无线通讯系统中，天线高度和环境复杂度是影响通信范围的最主要因素[1]。而在复杂的环境当中，升高天线至毫无阻挡的高空环境可以减少建筑、山地对电波传播的影响，显著扩大通信范围。正如我们所知的卫星通讯，也是利用此原理，在一望无际的太空环境中避开地面环境的影响，提高了通信链路的质量。

系留无人机中继系统是一种可以灵活将天线升高的通讯技术[2]。系留无人机中继系统具有灵活部署、可靠性高、起降环境要求低等特点，可以实现地面几十公里，结合多机模式还可以实现上百公里半径的覆盖区内快速、廉价、可靠的中继通讯，特别是在突发自然灾害、通信基础设施受到破坏等紧急环境下，其应急通信能力具有绝对的优势。

1 消防领域应急信息传输需求

1.1 数据传输要求

发生消防紧急任务时，指挥中心与现场人员的通讯可靠性特别重要。指挥中心可根据现场回传的测控数据和图像视频数据，分析现场火情，并根据情况传输作战命令，合理调度人员安排。其中测控数据为无人机状态参数；图像视频数据包括任务设备拍摄的图像数据和视频数据，是由任务设备上的摄像头获取的图像和视频数据[3]。在消防应急救援过程中对数据传输具有以下要求：（1）测控数据的实时性要求，测控数据分为上行指令和下行信息，其对传输数据带宽要求不大，通常不大于5kb/s，但对实时性、误码率指标要求较高，其传输延时要小于200 ms；（2）传输距离要求高，通信链路覆盖范围为几公里到几十公里不等，有时紧急情况还可能达到上百公里；（3）图像视频数据的通信带宽要求，如果将图像和视频同时回传，尽管采用H.265传输格式，其通信速率将大于10 Mb/s；（4）链路的可靠性要求较高，在紧急情况下，一个指令，一个视频数据，都足以影响整个作战计划。

1.2 传输方式要求

当发生消防紧急任务时，其地点、距离、环境因素都是无法预测的，这样对传输方式就要求多样性，不管在什么环境，多远距离都能够通讯上，这才符合应急救援的要求。所以在传输方式要求方面能够采用不同的通讯方式达到传输要求。

2 消防系留无人机中继系统方案特点

消防无人机中继系统由对讲机中继系统、LTE通讯网络系统和无人机数据链路系统组成[4]。

对讲机中继系统设备安装在机身中下方，采用双天线进行发射分集和接收分集，发射机与接收机两台设备的收发信机使用多工器连接到一起。其中发射机使用25W功放，使用大功率功放，能够确保通讯距离。功放采用三级放大器，用于放大从 TX_INJ到天线口的输出信号。所有的三级放大均利用LDMOS技术。一级运放IC和二级MOS管的增益均为可调增益，末级是LDMOS。VHF发射机框图如图1所示。

图1 VHF发射机框图Fig.1 VHF transmitter block diagram

LTE通讯网络系统采用小型RRU设备，工作带宽达到60 MHz，发射功率为2×10W，配置内置天线，是目前世界上户外商用的功率密度最大且体积最小（体积仅4L，是传统基站的1/3）的无线基站[5]。并且支持TD-LTE 3载波聚合及MIMO，每个单元提供330Mbps容量，一步到位地满足移动运营商未来几年的网络升级需求。Book RRU还可以根据需求，最多支持12个Book RRU。

无人机数据链路系统（如图 2所示）采用抗干扰、强穿透、远距离的 LoRa技术，频段使用915 Mhz。LoRa是基于扩频技术的超远距离无线传输方案[6]。LoRa采用了高扩频因子，从而获得了较高的信号增益。一般FSK的信噪比需要8 dB，而 LoRa只需要-20 dB。另外还应用了前向纠错编码技术，在传输信息中加入冗余，有效抵抗多径衰落，可以实现单个网关或基站覆盖整个城市或数百平方公里范围。

图2 无人机数据链路系统Fig.2 UAV data link system

3 系留中继无人机在消防领域应用

3.1 对讲机中继系统

在城市周边森林消防应急过程中，地理位置偏僻，环境复杂，传统手机通信网络无法覆盖，因此消防人员通常会使用对讲机系统进行通信。但这种地对地通信模式下，即便采用通常 V（136M-174M）段和U（400M-470M）段通信波段进行通信[7]，各种遮挡下依然存在较大盲区和通信距离短的问题，给应急救援处理带来诸多不方便。然而采用系留无人机平台将对讲机中继站升空到高度100 m的高空，通信方式将变成空对地通信，有效距离和覆盖范围将大幅度增加。天线高度与通信距离的关系如表1所示。

表1 天线高度与通信距离Tab.1 antenna height and communication distance

通过系列无人机搭载对讲机通信中继长达24H的留空能力，将通信距离由原来的1.5～5 km增加到30～50 km。

单套系统展开后可迅速在地面形成圆形信号覆盖区（如图 3所示），区域半径不小于 30～50 km。信号覆盖区域内的手持终端、车载终端等设备均可自由通信。

图3 圆形信号覆盖区Fig.3 circular signal coverage area

两套快速部署自组网空中基站部署完成后，可迅速形成横跨100～150 km的信号覆盖区域，A、B区域内所有设备均可实现互联互通（如图4所示）。天线1高度h 1/m 天线2高度h 2/m 通视距离R/km

图4 两个终端间实现无缝对接Fig.4 seamless connection between two terminals

多套快速部署自组网空中基站搭配使用，可迅速形成超长距离和大面积覆盖，使相隔数百公里的两个终端间实现无缝对接，快速部署自组网空中基站，部署完成后，覆盖区域超过11 000 km2，横跨400～600 km。四大区域的任意终端均可实现互联互通。

3.2 应急4G-LTE通信网络架设

当地震发生，由于地表剧烈运动崩坍，布设在地下的通信光缆往往会断裂中断通信[8]（如图5所示）。受滑坡等因素影响，传统的应急通信手段难以快速、全面恢复当地通信。无人机高空基站，搭载 4G基站作为指挥调度系统，覆盖面积最高达100 km2，能24 h不间断为当地1 200个手机用户提供即时通话、上网等通信保障。

图5 应急4G-LTE通信网络架设Fig.5 erection of emergency 4G-LET communication network

3.3 无人机通信链路中继保障

当无人机需要进行远距离森林消防侦查时，受环境以及空域影响限制，如中间有山体，高楼等遮挡[9]，这时候无线电通信达不到通视条件，信号传输质量和距离都很难达到理想状态（如图6所示），对飞行存在非常大的安全隐患，同时无法实时获取飞行姿态、视频数据，存在空中撞击障碍物的风险[10]。此时在系留无人机上安装与前方无人机匹配的中继系统，实现与前方侦查无人机空对空通信，与地面站空对地通信，将数据链路通信覆盖范围扩大至半径 25 km，有效的解决了通信质量差，距离短的问题。

图6 无人机通信方案Fig.6 UAV communication scheme

3.4 空中区域监控

在系留无人机上安装30倍1 080 P高清变焦相机云台相机，将无人机升空至高度 100 m，可对周边2 km内的范围进行24 h长期视频监控[11]。同时视频信号通过与之相连的光纤传输至地面控制站随后中转至远程指挥中心。

4 结论

消防系留无人机中继系统是结合目前成熟的多旋翼无人机技术与通讯中继技术的新型系统，有效改善了人们在消防应急救援领域的通讯能力，直接提高了应急救援能力。特别在有线通信网络被破坏的情况下，利用消防系留无人机中继系统，可以迅速建立起新的通信系统，以最快、最有效、最可靠的技术与现场取得联系，保障救援工作的顺利进行。消防系留无人机中继系统不仅仅在消防应急救援救灾中发挥巨大的作用，在其他需要及时通讯的领域都可充当重要角色，发挥重要作用。