微小型无人机应急通信系统设计

武警工程大学 袁 征

68046部队 武 毅

1 应用背景

我国是一个人口众多、幅员辽阔、自然灾害频发的国家。近年来，突发性的自然灾害发生频率、规模呈不断增长的趋势，所带来的社会影响及经济损失越来越严重，受到各级政府部门的高度关注。应急救援是最直接、最有效的减灾行动。然而，地震、洪水、雪灾等自然灾害发生后，往往出现交通受阻、电力中断、通信传输线路大面积瘫痪等不利情况，给应急救援行动带来严重阻碍[1]。此时，为救援行动快速建立一个应急通信指挥网就显得尤为重要。

2 微小型无人机中继通信优势

为了更好的完成救援任务，各科研院所积极探索新的应急通信解决方案。研究表明：利用空中平台搭载各种通信中继设备在任务区域上空建立通信覆盖，是一种理论上可行性较高的解决方案。升空平台依托高空优势，能有效变阻挡传输为视距传输，通信覆盖范围的位置、大小可根据需要随时改变。并且，空中平台部署周期短、成本低廉，能够大大提高应急通信组网能力。

目前，空中中继系统的升空平台主要包括有人机、无人机、系留气球和平流层飞艇等[2]。各种平台性能比较如表1所示。

表1 空中平台性能对比

对比四种空中平台，无人机的成本低、飞行控制简单、机动性强，是建立战术范围内中继通信网络的最佳升空平台。

无人机平台按升空高度可分为：超低空、低空、中空、高空以及超高空。微小型无人机的工作高度一般在50m-200m的超低空范围内，它凭借造价低廉、飞行代价小、隐蔽性好，生存能力强、使用方便、执行任务多样化等特点，成为快速建立战术范围内应急通信网的“杀手锏”。相对于传统地面通信网络，微小型无人机中继通信系统的优势主要如下：

1）部署方便，机动灵活

令搭载通信设备的中继无人机升空飞行便可迅速建立起通信链路，省去有线通信布线环节；能够随时控制无人机平台的升降，使中继覆盖范围随任务地域和需求的变化而变化；微小型无人机的体积小、重量轻、易于携带，单兵即可完成中继无人机的发射和回收工作。

2）不受复杂地形地物限制

传统无线通信方式容易受高山、高楼等障碍物影响，通信质量严重下降。微小型中继无人机升空后，利用了无人机平台的空中优势，可以避开障碍物，建立起可靠的通信链路。

3）成本低廉、可靠性高

微小型无人机成本低廉，可以利用多架无人机同时升空飞行，只需保持一架飞机的机载通信设备为工作状态即可实现中继通信。如果该中继无人机或机载通信设备出现故障，可以迅速唤醒备用中继无人机替代原有中继机，保持通信链路的可靠性。

4）通信设备适用性强、信息传输质量高

微小型无人机平台可以轻松实现中继通信设备的更新换代，提高中继通信的通信质量。利用无人机对战区进行中继通信还可以利用更多的局部频率资源，实现宽带调制。

3 系统组成与工作原理

微小型无人机中继通信系统是利用微小型无人机作为空中平台搭载通信中继设备，对地面通信设备之间的通信信息进行空中转发。通过空中的中继作用和升空优势，可以迅速建立起不受复杂地形地物限制的通信链路，实现越障通信[3]。如图1所示，为微小型无人机点对多点中继通信系统应用示意图。

图1 微小型无人机点对多点中继通信系统应用示意图

微小型无人机中继通信系统分为空中与地面两大部分，空中部分主要包括通信中继转发设备和通信天线，以及搭载这些设备的无人机；地面部分包括地面通信中继设备、天线系统以及用户终端，其组成示意图如图2所示。

图2 微小型无人机中继通信系统组成示意图

本文中的微小型无人机中继通信系统是利用多个自适应跳频网络电台组成一个无线通信网络。其中，微小型无人机搭载基站型网络电台升空飞行，设置为AP中继模式，地面网络电台设置为CPE客户端模式。当地面电台之间由于建筑物、山体阻挡无法正常通信时，利用机载网络电台作为中继转发节点，使地面端的各个电台建立起不受地形地物限制的通信链路，保障通信组网的可靠性[4]。

在微小型无人机中继通信系统中，机载天线与地面终端天线的性能是中继通信覆盖范围与通信质量的重要影响因素，特别是机载天线的辐射方向图，决定着中继通信的覆盖范围。中继无人机搭载无线网络电台升空飞行作为通信中继节点，它要和地面上的各个用户端组网后形成一个通信网络。所以，机载天线的波束必须能够覆盖组网范围内的所有地面端，而且最好是使空中转发信号在整个覆盖区域内等增益分布[5]。因此，机载天线只能选择全向天线，因为全向天线可以接收水平方向上来自各个角度的信号，还可以向各个角度辐射信号，并且在每个角度上辐射的能量也大体相等。如图3所示，为机载全向天线的覆盖示意图。

图3 机载全向天线覆盖范围示意图

由于机载天线的发射功率和增益都很小，同时，受微小型无人机的载荷限制，无法通过提高机载发射功率来提升通信质量，这严重影响到中继通信的通信距离和通信质量。因此，地面终端必须选用方向性好，增益高、传输距离远、抗干扰能力强的定向天线来弥补微小型无人机机载通信设备功率小、全向天线增益低的不足，以提高整个中继通信系统的效能。

本文设计了一种应用于应急救援行动的微小型无人机中继通信系统。文章阐述了微小型无人机中继通信的优势，对系统的组成与工作原理进行了介绍，并从应用角度对中继系统中空中平台与地面平台的天线进行选型。随着无人机技术的不断发展，微小型无人机中继通信必将成为解决复杂地形与复杂环境下通信瓶颈问题的一种有效手段，在未来的通信中发挥重要作用。

[1]熊海涵.地震灾害救援现场应急通信研究与设计[D].成都:成都理工大学,2013．

[2]杨尚东,罗卫兵.微小型无人机平台中继在应急通信中的应用[J].飞航导弹,2015(5):68-71．

[3]殷素杰,王迎栋,等.空中中继通信关键技术浅议[J].计算机与网络,2013,3:69-71．

[4]吴翔,冯栓国,等.无线电台通信网络建模仿真研究[J].舰船电子工程,2011,9:55-57．

[5]何一,姜飞,等.基于多旋翼无人机和4G的指控系统中继通信研究[C].北京:第三届中国指挥控制大会,2015．