无人机通信技术研究

无人机通信技术研究

乔晓明

天津航天中为数据系统科技有限公司天津市300301

摘要：随着经济的发展，越来越多的人选择在节假日外出旅游，因此一些旅游景区的人流量短时间内快速增大，单位人口密度增大，所需通讯需求也随之增大，对地面基站的流量需求在短时间内急剧增加。因此，文章设计一套临时无人机通讯系统，使用小型无人机搭载WiFi中继器进行临时通讯，从而缓解地面基站的通讯压力。该装置主要包括小型无人机、锂电池、WiFi中继器。本装置可以满足增强临时通信的基本需求，并且系统程序简易，通用性强。在较大范围内所需无人机的数量少，运行时间长、覆盖面积广、成本低于建设新的基站的成本，部署时间短，应急性强。

关键词：无人机；无人机通信；通信系统

1无人机通信技术现状

目前，小型无人机的发展方向主要在解决航空效率、解决外业工作、解决应用单一和提升无人机安全性方面。在解决航空效率方面，李德毅通过升级飞行平台、开发新的系统来提高航空效率，刘鹏通过研发传感器来提高效率。在解决外业工作方面，徐传福，车永刚，王正华开发集成双频GPS,IMU,测姿单元的新型飞控系统，与测姿单位进行联合计算来降低外业工作。在应用单一方面，毕凯通过让无人机搭载轻小型多视立体航拍仪，小型机载激光雷达，红外热成像仪，来解决应用单一问题。提升小型无人机的安全性方面，将北斗与无人机系统进行结合来提高安全性。但是目前研究主要针对提升小型无人机航拍和提高小型无人机安全性方面而，对使用小型无人机进行临时通信的相关研究并不充分，因此本文设计一套使用小型无人机搭载中继器的通信系统，旨在利用无人机进行临时通信，在人口密度过大时降低地面基站的压力，提供人口密度大的地区的临时通信。

2无人机通信技术

2.1无人机的通信控制方式

无人机（UAV）具有不同的操作模式，通常由地面遥控装置控制，而其他的则由手机APP控制。但是若使用手机APP来控制无人机，由于手机不能单独发送无人机遥控指令，因此它必须与数字传输和图形传输协作发送，遥控装置则可以单独发送遥控指令。最传统的通信方式如Wi-Fi图传，技术落后、方式陈旧，使无人机的安全得不到保障，我国大疆公司的无人机控制技术则是世界首屈一指的，他们独创的Lightbridge图传，不受传统通信机制的影响，所以在图像传输信号发生严重延迟的情况下也不用重新发送数据，仍然能将即时的信号发送到监视器上，即便是有延迟也可以忽略不计，只有150ms左右。当到达该技术的极限距离时，操作员就会收到来自遥控器的警告信号，当信号丢失时，不会给操作员发送过时的信息，不会让操作员误以为无人机还在正常飞行，这点是Wi-Fi传输比不上的优势。不仅仅是Lightbridge技术具有如此效能，还有一种先进图传技术——小型AV1000-HD数传系统。该系统是纯数字的，采用1080P的清晰度，中频短波频率点，频段达到150MHz~900MHz，系统具有较强的绕射能力。与2.4G频率点相比，该系统具有良好的非视觉传输性能，能够得到实时在线、多径同传并提供高速的数据传输速率，也可满足语音图像传输需求。该系统工作环境涵盖火车、汽车、穿山隧道、无人机以及矿区工作。

2.2无人机的通信协议

MAVLink（MicroAirLooverLink）是一种专门为无人机通信系统设计的通信协议。该协议广泛适用于目前主流的各种小型无人机系统，在开发之初就是基于LGPL开源协议所开发的，是基于串口互联通讯方式所创立的一种更先进、覆盖范围更广、数据分析处理能力更强的开源通讯协议[1]。MAVlink除了具有规范无人机与地面站之间互传数据的功能之外，还具有核对校验数据信号的能力。MAVLink协议的建立除了借鉴CAN总线的设计形式外，更是突破性的以SAEAS-4标准为标准，最终得以设计出此协议。因为微型无人机飞行速度慢、翼载荷小、有效载荷小，无法像大型飞机一样使用大型天线，且无人在飞机上操纵，必须将微型无人机的状态数据实时传回地面。传统的航模空地通信主要依靠2.4GHz遥控器，需要操作人员具有丰富的经验和极高的技巧。微型无人机需要全双工实时通信系统，以实现对微型无人机和机上设备的实时控制。加入地面站的飞行控制系统则可以实现航线规划、自主起降等先进功能。MAVLink协议可以工作在2.4G、900M、433M波段，兼容传统无线发射设备，能够全双工工作，该协议比较简单，可完全满足一般微型无人机的通信需求。当前国内无人机厂商使用的无人机通信协议很多都基于MAVLink协议进行改进[2]。MAVLink协议的建立和深入应用，为无人机通信的发展做出了巨大贡献，突破了无人机与其他通信设备之间数据互通存在的障碍，使设备之间通信更便捷、简练，保障了通信的可靠性、高效性和信息的安全性。

3无人机通信技术方法应用

由于无人机通信数据量大，需要有大量频谱供其使用，同时面临的电磁环境往往比较复杂，所以对频谱管理的要求更高。

3.1频谱高速公路

类比于传统意义的高速公路，“频谱高速公路”就是在一个或多个大带宽的无线电频谱上，实现无线电业务高速运行、不同用户井然有序工作、无线电频谱高效利用的“智能系统”。但“频谱高速公路”不能简单地理解为一段大带宽频谱，还应包括一系列承载着频谱分配、共享、用户接入、系统准入等框架协议的应用系统。“频谱高速公路”的核心是要通过动态频谱管理，实现各类用户在空间、时间、频率等多个维度上对频谱资源的最佳化利用[3]。“频谱高速公路”可以改变现有的频谱管理概念，对频谱进行更为精细化的管理，用时分和频分编码等技术，从不同角度提高频谱利用率；改变以往的静态化管理手段，以更为灵活的管理方式，使频谱用户能够同时使用多种频率；从以往局限于以单个的技术管理向以多种技术支持管理的方式转变。

3.2多重输入与多重输出（MIMO）系统

多入多出系统，能够在不增加额外带宽的前提下，将数个天线同时布置于信号的发射、接收端，进而提升通信效率。马可尼是世界上最先发明MIMO技术的人，MIMO是一个经过验证的技术，它的传输速率高达300Mbit/s，它不仅包含了信息论和信号处理，还用到了向前纠错编码技术和传播理论[4]。因此，MIMO背后拥有复杂的数学和时空编码的理论基础。在无人机与其他单元新型信息交互的过程中，多径效应和频率选择性衰落是造成信号传输低下的主要原因。MIMO技术的发明解决了以往单一数据流量大、信号传输速率低下等问题。

结束语：

通过使用无人机携带WiFi中继器前往所需通信的地方，可以满足增强信号强度，加快网络传输速度的基本需求，具有可行性。在较大范围内所需无人机的数量较少，符合成本低、运行时间长、覆盖面积广的设计目的。无人机运行成本低于建设新的基站的成本。具有部署时间短，应急性强的特点。本装置的系统程序简易，具有较高的通用性。

参考文献：

[1]徐珉,胡南.基于蜂窝网络的无人机通信研究[J].移动通信,2017,41(22):23-28.

[2]邹玉龙,姜晓,严培舜,朱佳.下一代无人机群协同通信网络[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2017,37(03):43-51.

[3]宗群,王丹丹,邵士凯,张博渊,韩宇.多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(03):1-14.

[4]闫鲁生,王峰,吴畏,刘向南,谌明,怀其武.无人机激光通信载荷发展现状与关键技术[J].激光与光电子学进展,2016,53(08):40-48.