应用无人机辅助移动通信基站工程设计的研究

卢如东+曾哲君+徐灿辉

【摘 要】为了改善目前常规的基站数据勘察采集手段在准确性及效率方面的不足，研究通过无人机技术对基站工程参数及周边环境空间信息进行数据采集。对现场采集的站点数据与实际基站工程参数进行对比，验证了无人机技术应用于基站工程设计的可行性和有效性。运用无人机采集基站数据的手段与常规基站数据勘采手段相比有明显的优势，可推广应用于基站工程设计。

无人机 数据采集 基站工程设计

1 引言

目前我国通信市场竞争激烈，各大运营商都在积极建网，抢占市场。对4G基站的规划建设要求精准且高效，但目前在建设过程中仍存在一些问题：

（1）规划选址阶段

规划人员需到现场收集基站规划数据，耗费人力及时间较多。同时还可能受各种客观因素影响而不能全面收集到基站数据，如不能上楼面及山顶或者受周边环境阻挡等，这就导致采集到的数据缺乏全面性及科学性。

（2）勘察设计阶段

对于部分难点，站点天线挂高和方向角等数据没法根据实际情况确定（受客观环境因素影响）；还有部分站点的天面情况复杂，现场绘图耗时过长，影响效率。

（3）基站建设阶段

对施工进度的把控，需相关人员到现场了解实际基站建设进程，特別是对于在高山山顶建设基站的情况，导致了耗时长、效率低的问题，拉长了建设周期。

（4）后期验收维护期

通信杆、铁塔、高铁附近的基站发射点和高速路段等站点，因杆塔高度较高或地理环境复杂偏僻等，验收人员无法判断天线是否已严格按照设计的方向角进行安装以及天线平台的现场情况，这或会造成网络覆盖质量等出现问题，导致后期需多次优化，效率较低。

综上可知，目前常规的基站勘察、数据采集手段存在优化提升空间，因此，本文提出一种基于无人机应用的创新方法，运用无人机技术精确获取基站工程参数及周边环境空间信息，以辅助基站设计建设。

2 无人机辅助4G基站设计

运用无人机辅助4G基站工程设计具有以下优势：

（1）利用无人机收集基站数据，能减少人力的投入，有效避免了人员登高登塔作业的危险性，全面提升了工作效率；

（2）解决了人工收集数据受基站周边环境制约的问题。

（3）采集到的基站工参数据更准确、更可靠。

2.1 数据采集及分析

基站规划选址及设计所需的基站经纬度、天线挂高、方向角、抱杆资源以及环境照等现场建站数据都能用无人机进行无障碍采集。

（1）现场数据采集

建站位置细节照片：空中航拍建站位置高清照片。

规划基站经纬度源数据：控制无人机悬停在规划基站正上方，俯拍采集1张照片，照片可记录下经纬度信息。

环境照数据：控制无人机在规划天线同高的位置，调整无人机的相机角度为天线规划的总下倾角度（机械下倾角+电调下倾角），开始进行正北360°视频自转拍摄，采集环境照数据。

天线挂高数据：在覆盖区域地面采集1张照片（覆盖区域海拔），控制无人机飞行到与天线同高正面拍摄1张照片（天线位置海拔）。同时，可以在遥控监视器观测到无人机与地面（用无人机遥控）高度。

天线角度（现有基站）数据：控制无人机与天线同高，开始进行正北360°兴趣点环绕视频采集，后续经过软件分析在后台提取数据。

（2）数据分析及输出

采集到规划覆盖环境视频后，需使用特定的软件SkyMeasure对数据进行处理，分析提取出如天线挂高、天线角度、天线覆盖效果等有效数据。

模拟天线视距覆盖效果：将无人机设置为处于规划天线的高度，以及天线的总下倾角来拍摄环拍视频，故能够模拟建成后的天线视距覆盖效果。通过环拍视频附以对应的旋转角度，可协助设计人员初步判断天线的覆盖方向及覆盖效果。

天线下倾角计算：SkyMeasure软件通过环拍视频抽帧，确定天线的侧视角度，通过双线夹角算法计算出下倾角。下倾角计算图例如图1所示，采用图像识别分别识别出天线的A点和B点位置以及抱杆的A点和B点位置，通过两点组成的直线作为天线和抱杆所处的基线，两条线的夹角就是天线与抱杆之间的夹角，计算出相应的夹角即可得到天线下倾角。

天线方向角计算：待无人机与天线同高，无人机通过自带的陀螺仪确定正北位置后，会按照一定线速度自转开始进行360°环拍（速度如每秒顺时针转动10°）。因此，SkyMeasure软件确定天线的正面视角后，通过采集到的正北信息以及无人机环拍转动线速度和图像记录时间等参数，就可以计算出对应视角的方向角。

SkyMeasure软件将以Excel表格的形式输出经纬度、挂高、天线方向角、机械下倾角等工参数据。

2.2 应用案例

以广州珠江公园基站作为实例，该站位于广州市天河区珠江公园内的主干道旁，周边树木林立，对勘察人员在杆塔下方测量基站经纬度以及观察杆塔平台资源、测量小区方向等工作形成了遮挡，故将采用无人机进行基站参数采集。

（1）数据采集

本次无人机辅助提取TD系统基站工参，站点位于美化路灯杆2层平台，按照上文介绍的方法对该站点进行工参数据采集，现场拍摄图片如图2所示。

（2）实际工参与无人机采集数据对比

相关数据采集完成后，使用特定的软件SkyMeasure对其进行处理，分析提取出该站点经纬度、天线挂高、天线方向角、天线机械下倾角等工参数据，并将站点的实际工参与无人机采集到的工参数据进行对比，其结果如表1所示。

（3）误差分析

从以上实例可看出，在用无人机方式采集到的工参数据中，经纬度基本与手持GPS测量数据吻合，挂高误差不超过1 m，天线方向角与现网数据误差在5°以内，机械下倾角误差在1°以内，误差在工程设计允许范围内，相比传统的人工采集数据的方式准确性和时效性更高。

3 无人机应用效果对比分析

（1）节约工具成本

分析常规的设计工具与无人机在单套硬件上成本的对比，如表2所示。

（2）规划效能提升

无人机具有飞行速度快、障碍少、采集效率高等特点，现以1天8个工作小时的规划站点数为基准，对比传统人工方式与无人机规划选址方式的时间效率。

从表3数据可见，无人机在效率方面比人工方式提升约1倍，则相应规划进度可提升约1倍。

（3）工参提取效能提升

无人机具有飞行速度快、障碍少、采集效率高等特点，现以1天8个工作小时规划站点数为基准，对比传统人工方式与无人机辅助方式的工参提取效率，如表4所示。

从表4可见，无人机在工程参数采集方面可提升效率约50%，省去了人工上塔的时间，降低了安全风险。

（4）采集数据更全面更准确

对比现有人工采集手段，通过无人机技术可获得更全面更准确的规划设计数据。人工与无人机数据采集手段对比，如表5所示。

（5）实际应用情况

目前广西某运营商已将无人机应用于基站选址及巡检。从实际使用效果来看，利用无人机进行勘察，可实现10分钟完成一个高度达100 m的高山的站点勘察，比传统方式节约了85%的时间。并且选址和巡检数据的准确性和安全性都有了质的提高，采集数据的准确率从原来的95%提升到了99%。

4 结论

通过对无人机采集方式进行分析，以及对实际案例中现场采集基站数据精确度的研究和无人机应用效果的对比，验证了无人机技术应用于基站工程设计的可行性和有效性。相比过去常规的数据采集手段，运用无人机采集数据具有精确性、效率更高以及费用更低等优势。基站建设从前期规划到后期维护优化的整个过程都需要对现场数据资料进行收集分析，只有精确的现场数据才能有效指导基站建设。因此，将无人机应用于基站建设市场前景广阔。目前市场上的无人机存在续航时间短，飞行环境要求严格，使用公共频段容易遭受干扰等不足，未来对于无人机的研究将聚焦于对这些问题的改进，改进后的无人机技术预计将会在基站建设方面有更广泛的应用。

参考文献：

[1] 李英成，叶冬梅，薛艳丽，等. GPS辅助空中三角测量技术在无人机海岛测图中的应用[J]. 测绘科学， 2012（5）： 55-57.

[2] 李英成，赵继成，丁晓波. 超轻型飞机低空数码遥感系统用于土地资源信息获取[J]. 遥感信息， 2005（4）： 49-52.

[3] 李冰，刘镕源，刘素红，等. 基于低空无人机遥感的冬小麦覆盖度变化监测[J]. 农业工程学报， 2012（13）： 160-165.

[4] 黃克明，王国成，汪阳. 基于DSP的多源图像融合系统[J]. 兵工自动化， 2012（2）： 61-63.

[5] 陈贻国，潘日敏，申燊. 基于无人机的图像和GPS数据采集系统的研究与实现[J]. 微型机与应用， 2012，31（1）： 40-42.

[6] 尹杰，杨魁. 基于无人机低空遥感系统的快速处理技术研究[J]. 测绘通报， 2011（12）： 15-17.

[7] 何敬，李永树，鲁恒. 无人机影像拼接误差实验研究[J]. 激光与光电子学进展， 2011（12）： 60-64.

[8] 胡开全，张俊前. 固定翼无人机低空遥感系统在山地区域影像获取研究[J]. 北京测绘， 2011（3）： 35-37.

[9] 张园，陶萍，梁世祥，等. 无人机遥感在森林资源调查中的应用[J]. 西南林业大学学报， 2011（3）： 49-53.

[10] 陈世平. 关于航天遥感的若干问题[J]. 航天返回与遥感， 2011（3）： 1-8.

[11] 董培，石繁槐. 基于小型无人机航拍图像的道路检测方法[J]. 计算机工程， 2015（12）： 36-39.

[12] 徐晶，韩军，童志刚，等. 一种无人机图像的铁塔上鸟巢检测方法[J]. 计算机工程与应用， 2017（6）： 231-235.

[13] 迟晓鹏，罗卫兵，刘广斌. 微型无人机变焦摄像机设计[J]. 半导体光电， 2016（5）： 742-745.

[14] 刘辉，申海龙. 改进图像配准算法在无人机遥感图像拼接中的应用[J]. 半导体光电， 2014（1）： 108-112.

[15] 刘东辉，奚乐乐，孙晓云. 矢量拉力垂直起降无人机姿态纵向控制研究[J]. 计算机工程与应用， 2017（1）： 260-264.