无人机电力线路巡检机载卫星通信调制解调器研制

广东电网有限责任公司电力科学研究院 易 琳 钱金菊

中国人民解放军总参谋部第六十研究所 包令聪 韩正伟

广东电网有限责任公司机巡作业中心 蒙华伟 汪 勇

无人机电力线路巡检机载卫星通信调制解调器研制

广东电网有限责任公司电力科学研究院 易 琳 钱金菊

中国人民解放军总参谋部第六十研究所 包令聪 韩正伟

广东电网有限责任公司机巡作业中心 蒙华伟 汪 勇

本文研究了一种在电力巡线领域应用的无人机机载卫星通信调制解调器，该机载卫星通信调制解调器由调制解调单元、综合业务处理单元、保密单元、电源组成，解决无人机电力巡线中调制解调器不仅需要满足卫星通信数据传输链路的要求，还需要满足无人机环境的使用要求，实现语音、数据通信和图像、视频在载机和指挥所之间的远程实时传输，具有总体传输效率高、解调门限低、频偏捕获能力强、系统的通信速率与可用率高的优点，同时采用突发模式的通信信号有效地抗旋翼遮挡。该机载通信调制解调器对于卫星通信无人机电力巡检有着重要意义，具有很好的研究价值和应用前景。

宽带卫星；卫星通信；无人直升机；电力巡线；调制调解器

1.引言

机载卫星通信调制解调器在无人机电力巡线领域的应用在国内外具有广泛的研究[1-6]。无人机电力巡线在电力系统执行多样化任务时，载机与指挥所之间的通信是保障无人机效能发挥的重要因素。机载卫星通信调制解调器在高效远程的通信系统中起着至关重要的作用，以保证在全天候条件下的语音、数据通信和图像、视频的远程实时传输，也提高载机在复杂地形和气象条件下的广域通信保障能力。

机载卫星通信调制解调器不仅需要满足卫星通信数据传输链路的要求，还需要满足无人机环境的使用要求。这就需要机载卫星通信调制解调器在保证总体传输效率高、解调门限低、频偏捕获能力强、系统的通信速率与可用率高的前提下，满足温湿度、振动冲击、防盐雾霉菌及尺寸重量等设计要求[7-10]。

在这些思想的基础上，本文设计一种新的无人机电力巡线的机载卫星通信调制解调器，介绍了该调制解调器的组成以及功能。该调制解调器可以实现无人机电力巡线中多业务远程通信的需求，并可适用于全天候的复杂地形及气象条件。

2.电力巡线中机载宽带卫星通信系统的工作原理

针对与导线安全距离的控制及实时监控等环境使用要求问题，机载宽带卫星通信系统具有极大优势，本节对该系统做出来详细的阐述。

2.1 通信体制

军用卫星通信系统中主要采用FDMA和TDMA体制。TDMA体制除去必要的同步和纠错外，通过增加报头开销实现多址，主要用于多个大型地球站同时对多个方向进行通信。信道速率比用户业务速率要高得多（多个用户共享同一信道速率），假设用户速率为64Kbps时，空间信道速率就要在384Kbps以上，这样对于地面站的天线和功放要求都很高。FDMA体制通过不同频带实现多址，分配给用户的本频带资源除去必要的同步和纠错外可全部用于用户业务开销。FDMA体制在一个时刻只向一个方向进行传输（可以多个站接收，同一时刻可以有一个站回传），所以用户速率和空间信道速率一致。由于直升机机载站的体积和重量受限，而导致天线和功放增益受限，同时结合我国卫星转发器受限的EIRP和G/T值特点，决定了有限的资源必须全部用于用户信息的传输，所以机载卫星通信一般都使用FDMA体制。

2.2 系统组成

卫星通信调制解调器用于实现载机与指挥所之间，在全天候条件下的语音、数据通信和图像、视频的远程实时传输。该机载卫星通信调制解调器由调制解调单元、综合业务处理单元、保密单元、电源组成。对外接口包括视频接口、音频接口和数据接口。

本系统采用中国卫星公司的Ku 频段的卫星资源进行卫星通信[11]。下行频率为12.25GHz～12.75GHz，上行频率在14GHz～14.5GHz之间。

2.3 主要功能

卫星通信调制解调器主要实现以下功能：a)信号的调制和解调：包括编码、变频、调制和解调、解码等过程；b)音、视频编解码；c)业务数据的汇聚与调度；d)信息加解密；e)与直升机的管理系统之间的接口监视和管理：通过接口与直升机管理系统的互联，实现管理系统对信道设备的控制和管理。

3.技术方案设计

考虑到传统的调制解调器无法满足日益复杂的电力巡线任务，本文提出了一种新的用于无人机电力巡线的机载卫星通信调制解调器，本机载卫星调制解调器是传统调制解调器的改进，采用了高速突发调制解调器技术，克服了传统调制解调器发出与接收信号受旋翼遮挡的不足，能够更准确高效地进行无人机电力巡线，实现无人机突发通信。

3.1 系统总体性能要求和指标

首先必须对通信调制解调器的总体参数进行设定，根据无人机电力巡线的基本要求，基本参数设计如下[12]：

1）误码率

Pb＜1E-7（BPSK调制，1/2编码，Eb/N0为 2.8dB时，突发)

Pb＜1E-7（QPSK调制，2/3编码，Eb/N0为 3.8dB时，突发）

2）通信速率

速率不低于1024Kbps。

3）数据接口

RS422接口、以太网口

4）音频编码

模拟音频输入，8Kbps/2.4Kbps编码速率

5）视频编码

PAL或XGA接口，H.264编码，可变速率编码

6）外形尺寸

315mm×194mm×57.2mm

7）其他要求

重量不得超过3Kg，使用高度在0～5000m之间。

3.2 方案设计

一个机载调制解调器包括信道单元和音频、视频信道单元，可以同时工作。频信道单元可支持8Kbps/2.4Kbps编码速率，视频信道采用H.264编码，可变速率编码。系统原理如图1所示。

图1 机载调制调解器原理图