系留多旋翼无人机通信系统天线布局及仿真分析

程晓洁，戴禹

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

0 引言

系留多旋翼无人机通信系统依托系留多旋翼无人机平台搭载通信载荷，通过超轻光电系留电缆从地面供电至空中，保持系统长时滞空工作[1]。多旋翼无人机通信系统构建的长航时、高稳定的低空通信节点，可拓展通信覆盖范围，提高复杂地形条件下的通信保障能力，实现机动用户随遇接入、跨障通信，且系统机动灵活、开设迅速，在我国军事通信和民用应急通信领域均具有良好的发展前景和应用空间。

在民用领域，2021 年7 月，河南发生特大暴雨灾害后，中国电信利用系留无人机基站作为应急通信装备，先后恢复了巩义市米河镇、郑州阜外华中心血管病医院等区域的通信。其系留无人机净载荷15 kg，最大飞行高度为200 m，可搭载4G/5G 基站类设备，不间断空中悬停作业，形成高空基站解决方案，为方圆50 km2范围内的用户提供语音、数据服务[2]。在军用领域，系留多旋翼无人机通信系统作为战术通信网络的重要手段，也已经开展装备应用，依托系留无人机平台搭载不同的通信载荷，既可作为空中通信中继节点和升空接入基站拓展战场通信距离，也可作为空中组网骨干节点，构建空地一体网络，增强战场骨干网络的可靠性和抗毁性。

系留多旋翼无人机通信系统主要由多旋翼无人机平台、通信任务载荷、系缆收放机构、地面电源系统等组成[3]。如图1 所示，在地面系揽收放机构和电源系统的支撑下，多旋翼无人机平台将通信任务载荷升空至高度为50 m～300 m 的空中，为地面通信用户提供跨越障碍遮蔽的视距通信服务。

图1 系留多旋翼无人机通信系统

1 天线布局

本方案以某型四轴八旋翼无人机为平台进行设计，该型无人机为共轴多旋翼无人机，其动力系统采用冗余设计，在单桨故障情况下，无人机仍然能够悬停工作，可靠性高。该无人机翼展相对轴距1.39 m，最大起飞重量50 kg，有效载荷10 kg，抗风等级6 级，定点悬停精度1 m，系留飞行高度最高可达200 m，滞空时间大于8 h，支持一键起飞降落。通信任务载荷主要包括一个双信道通信传输载荷和两副通信天线，通信载荷工作频率为225 MHz～512 MHz，属于超短波频段；通信天线采用垂直极化的全向鞭状天线，长度为0.67 m，天线增益为-3 dBi～+3 dBi。

影响天线布局的主要因素有：天线装机前后的方向图变化和天线间的相互干扰程度。

本方案中系留多旋翼无人机为多轴多旋翼形式，机身尺寸有限，不能在机身上安装两根鞭状天线，其轴臂上安装有多副旋翼片，为确保飞行安全，旋翼周边需要留安全间距，因此需要采用支架外延形式安装天线，使得天线尽量远离机身和旋翼，减小金属机身对天线方向图的影响。通信载荷的两个信道同时工作时，存在一个发射一个接收的状态，天线间的耦合是导致电磁干扰在两个信道间传播的重要途径，干扰电磁波过大轻则影响接收天线的正常工作，重则会给天线或其他设备造成不可逆转的损害，甚至产生更严重的后果，因此分析天线间的耦合干扰对预测多旋翼无人机通信系统的整体电磁兼容性有重要意义。常用天线隔离度来定量表征天线间相互干扰的强弱程度。隔离度越大表示两天线间的干扰越小。天线的隔离度定义为天线接收到的功率与发射天线的输入功率之比，实际计算时经常采用的是根据微波网络散射参数确定的天线隔离度公式[4]，即：

式中，C为天线隔离度，Pr为接收天线输出功率，Pt为发射天线输入的功率，S21为多天线系统等效的多端口广义网络中端口1 到端口2 的传输系数。

受多旋翼无人机安装空间限制，搭载的通信载荷安装于机腹下方托架，两副超短波天线对角安装于两个轴臂上，利用支架形式外延安装，减小螺旋桨对天线的影响，对角安装也最大限度地增加了天线之间的间距，增大了天线之间的隔离度。但为了保障无人机飞行安全，两根天线最大外延30 cm。在这种安装方式下，两副天线之间间距2 m，天线朝上安装，减小机身对天线辐射的影响。

2 电磁兼容仿真及分析

采用FEKO 电磁仿真软件[5]仿真天线安装于无人机载体前后的天线方向图和天线间的隔离度[6]，并与单天线的方向图进行对比。多旋翼无人机平台和天线模型建模如图2 所示。

图2 仿真模型图

设置高中低3 个仿真频率点，分别为225 MHz、368 MHz 和512 MHz，采用MOM 方法，设定求解远场参数和S参数后剖分网格，仿真分析天线安装于无人机平台前后的辐射方向图和两根天线之间的隔离度。

装机前单天线辐射方向图和集成无人机平台后的天线辐射方向图对比如图3 所示，集成至平台后的天线辐射方向图受无人机机身影响，垂直方向增益有所变大，水平方向增益和不圆度变化较小。其中512 MHz 频率方向图装机后最大增益方向向上偏移10°左右，虽然水平方向增益减小2 dB，但对于远距离低仰角通信来说影响不大。

图3 不同频点装机前后方向图

由于无人机机身的部分遮挡，两个天线之间仿真得到的隔离度S21大于36 dB，如图4 所示，满足设备两个信道的使用要求。

图4 两根天线之间的隔离度S21

3 试飞验证

该型系留多旋翼无人机通信系统已完成实装，并进行了飞行测试。飞行试验布置如图5 所示，两个地面用户设备为通信载荷陪测设备。多旋翼无人机平台升空200 m，地面用户设备1 布置于系留多旋翼无人机通信系统地面设备所在位置，地面用户设备2 拉远，与系留多旋翼无人机通信系统空中部分处于视距范围，D距离为通信覆盖半径。

图5 飞行试验布置

飞行试验中通信系统通信效果良好，话音清晰，通信覆盖半径D大于20 km，满足系统要求，同时验证了天线布局对无人机飞行安全无影响，悬停时间大于4 h，无人机通信系统工作性能良好。

4 结论

系留多旋翼无人机通信系统作为现代超低空战术通信网络的重要与应急保障手段，可将传统地面通信网拓展为空地一体网络，大幅提升战场通信保障能力，解决复杂易遮挡地形环境下和广域作战场景下的通信覆盖范围受限和通信盲区等问题。本文结合某型系留多旋翼无人机通信系统设计要求，设计了通信天线的布局方式。通过仿真分析和试飞验证，证明该布局方式可以满足无人机系统安全要求，也可满足通信任务载荷指标要求，可为系留多旋翼无人机通信系统的发展提供参考。