无人机中继应急通信系统方案探讨及实现

无人机中继应急通信系统方案探讨及实现

贺琛张新荣金烂聚

(国网浙江省电力公司信息通信分公司浙江杭州310000)

摘要：在电力应急、设备抢修工作中，当基础电信通信设施遭受破坏时，常规的通讯手段往往显得非常脆弱。基于无人机平台的中继系统，提升中继传输图像和声音的可靠性，扩大了覆盖半径，满足了应急系统的移动灵活和快速响应的要求，在电力系统中也开始了广泛的应用。

关键词：无人机中继系统；电力应急通信应用；方案实现

无人机中继系统将前方的图像和声音，通过无线方式回传至无线基站或者应急通信车（站），再通过有线、卫星系统与千里之外的应急指挥中心互联。从人员难以到达的电力设备的日常巡视，到电力线路缺陷与故障快速巡查，再到电网设施事故应急侦测与状态评估，为电力线路短途勘查，尤其是针对电力线路故障和缺陷的快速查找和应急巡查提供了高效的服务，解决了在复杂地形条件下进行高效、准确地巡查电力线路，快速及时了解和掌握线路故障、缺陷情况的难题。

1、无人机中继系统概述

1.1包括小型固定翼无人机，上搭载红外、高清相机、图像发射、数据传输等设备，通信中继设备、地面计算机控制中心等。通过中继设备将图像等数据与地面控制计算机中心实现双向传输，在巨大工作量和恶劣环境中，保持无人机的稳定、安全飞行以及数据传输的可靠和清晰。

1.2中继系统通信信号的设计要在射频发射端功率、编码方式等进行室内衰减测试和室外拉锯测试等。包括研究中继系统功能模块工作机制，采集无人机各个系统的功能模块的独立工作能力，采集输电线路所在区域的地理、地形、地貌等数据。

2、无人机中继研发主要改进方面及效果

国内外将无人机和中继系统结合起来的研究较少，传统的中继设备并非专门为无人机搭载使用，重量重、体积大及功能单一等因素都制约了发展。因此，是否可以通过对中继设备和无人机系统改造，结合两者优势，形成适合于应急通信系统的无人机中继系统[1]。

2.1改进电池。取消手持终端原有电源模块，其而代之的是利用无人机本身的动力电源进行供电。因为相对于动力供电量，手持终端为射频类供电，其能耗所占无人机电量百分比系数很小，故本方案可行性高，从而减轻手持终端设备重量，有效提高整个系统的作业时间，进而提高应急救援与指挥调度的业务连续性。

2.2天线改动。原有中继设备采用鞭状天线，长度60cm或者120cm，考虑到设备在空中将以倒立的姿态进行作业，以及无人机的起落架离地高度最大为30cm，因此，改用胶棒天线结合直角接口的配置，胶棒天线具备很好的弯曲性能，加之以90°直角转接头的使用，很好地克服了长度问题，一定程度还改善了对地信号的效果。

2.3改进支架和调整中心。根据载重严格测算定制载荷的尺寸、计算载荷重心，保证飞行平台与定制化载荷能进行正常的协同工作，采用碳纤维支架搭载支架，减轻了系统重量，保证了飞机的平稳性需求。

3、无人机中继在电力应急通信系统方案

方案实现过程中，各供电分局应急指挥中心安装一台中心站设备，最大发射功率为10W，楼顶安装4.7m玻璃钢全向天线一根，与本中心站覆盖区域的终端设备同频组网，实现互联互通。中心站设备提供RJ45以太网口，随时接入到电力有线专网局完成实时数据上传，配备一台高性能PC机并安装中心站管理软件及音视频信息管理软件，后台支持视频存储分发平台业务功能，实现对各无线终端节点的管理及音视频数据传输控制，并根据需要在指挥中心站大屏实时显示救援现场音视频信息并进行语音调度指挥。

选定基站位置，升起玻璃钢天线，无人机携带中继设备飞往制定地点上方，并执行任务：连接基站信号并向远方背负式单兵提供信号中继服务，背负式单兵通过空中设备的中继信号接入中心站，并将远方实时画面传向应急通信车。

3.1通过中继系统可以增强衰弱的信号，将单兵和基站之间的无线传输距离增强；其次，通过无人机的平台搭建可以利用无人机具备机动、灵活、部署方便能特点，能以最小的时间以地空飞行的方式到达目标现场上空并部署中继站，提供通信中继服务。

3.2因为无人机具备“高空悬停”的天然优势，能有效增加无线信号传输距离。采用无人机搭载定制化中继通信设备，架设空中通信桥梁，能有效延伸通信距离、提高无线信号覆盖半径，为小规模无线专网在应急场景下的应用增加了更多场景选择；

3.3无人机搭载中继终端可以停留在空中任何角度，从而有效地避开各种能对无线信号行程阻碍的障碍物，提高信号绕射能力；同时由于空中地势较高，较地面遮挡少，能最大限度接受无线信号，这直接拉远了信号覆盖距离。

同时，但是现有的中继设备比较重，无人机搭载重量和时间成反比关系，因此，需要重新设计一款中继设备，在满足基本功能需求的同时尽量减少重量；同时，对无人机搭载设备和支架也需要重新改装，以符合搭载中继设备的需求。

5、方案优势探讨

5.1本方案中使用的多旋翼无人机具有抗风能力强、任务载荷重、续航时间长的特点、业务拓展灵活的优点。中继设备采用HDR-T300系列单兵设备，该设备与现有的无线单兵系统的技术参数相同，可与现有无线单兵系统无缝融合，支持中级功能，具有体积小，重量轻、功耗低、工作稳定的特点，适合挂载在无人机下，充当中继设备使用。

5.2无人机挂载的单兵设备首先在无线单兵系统的无线网络中注册业务。当需要使用空中中继时，将中继设备挂载到无人机下方，通过中继设备向地面发射340MHz的无线电波，单兵设备接收到信号后，会注册在中继设备中，如此便实现中继功能，而且由于无人机的飞行高度可以调节，所以无人机中继的中继距离比普通方式更远。

5.3无人机中继完善了复杂情况下信号传输的可靠性、稳定性。单兵系统的天线架架设在8米高的应急通信车升降杆之上，不采用中继模式，单兵系统的图传有效距离是2~3km，采用无人机中继方式接入后，有效距离实测可在2~3km基础上再延伸1km，并支持多级中继。即有效延伸了作业距离，又能有效越过干扰物对无线信号的影响，完善了应急业务在复杂环境下的可靠性、适应性。

背负式单兵主要包括摄像机（DV）、耳话组、天宽HRD-T300-340804MB型背负式终端及电池。背负式终端最大发射功率可达4W，配备3dBi增益的60厘米长鞭状全向天线。摄像机所拍摄到的模拟视频直接通过BNC接口输入到背负式终端，视频音频信号经过背负式终端内置的音视频模块编码后转成H.264格式的IP数据包，然后再通过无线方式发送出去[2]。

5.4图像采集系统具有续航时间长、影像传输快，对高危地区探测无障碍等优势，而且投入人力物力少，激动灵活。在无线单兵图传系统和应急通讯车工作的同时，可作为有效的补充和备用措施，利用高分辨率数码相机等设备，根据地面应急指挥系统的命令，在空中获取影像数据，压缩信息数据，并自动传输影像。关键技术性能，如续航时间、有效荷载、飞行稳度、导航精度等，通过灾害现场等实地应用，运行可靠安全。

结语：

无人机升空后，对卫星通信等常规宽带无线通信手段是有效补充。作为空中通信平台搭载中继通信设备，成为应急通信保障的有效手段。在应对大型自然灾害和公共突发事件时具有应急通信高机动性"高灵活性"高时限性的优势，对于提高应急通信质量也是重要的保障。

参考文献：

[1]汤明文,戴礼豪,林朝辉等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力,2013,46(3):35-38.

[2]吴飞龙,林韩,汤明文等.多种中继方式在大型无人机输电线路巡检中的应用[J].中国电力,2015,48(2):104-110.