高空超高空无人机遥感数据传输问题研究

钟华超 王文博

中国人民解放军91001部队 北京 100000

引言

在无人机领域，我国经历了50多年的发展，当前在无人机的种类、技术水平、功能作用等方面都有了极大提升，并且逐渐应用在民用领域，给人们生产生活带来了巨大便利。但是当前的无人机还存在一些问题，影响着应用水平，具体表现在高空和超高空环境下的数据传输，为了解决该项问题，研发人员投入了巨大的时间精力，希望可以减少高空环境对数据传输的不利影响，促进无人机领域的发展。

1 关于无人机概述

在对高空和超高空无人机遥感数据传输问题进行研究之前，我们需要对无人机的基本情况进行了解，具体包括其含义、主要类型、应用领域、技术特点、工作流程以及飞行控制。

1.1 无人机的含义及分类

无人机就是指由无线控制设备进行远程遥控，而非人工驾驶的飞机，最大特点就是无须人工驾驶和操作，主要的飞行任务都是由地面站远程操控，在无人机内部的设备接收到地面站的指令之后，才能开展一系列任务。相较于传统的人工驾驶飞机，无人机具有安全可靠的优点，对于具备一定危险程度、不需要复杂操作的任务和工作，可以使用性价比更高的无人机[1]。将应用领域作为分类标准，无人机可以分为军用和民用两大类，对于军用无人机来说，具体有靶机和侦察机两种；对于民用无人机来说，各行各业都可以用无人机来开展工作，当前最为常见的就是运用无人机进行航拍，将无人机用于农业中可以实现高效播种，与此同时，在植被保护、新闻报道、地质测绘、灾难救援以及快递运输等众多行业都能看到无人机的影子，在民用领域，无人机得到了真正的应用和发展，甚至形成了一个新兴的产业，并且反过来也会促进无人机技术的改进。

1.2 无人机的技术特点与工作流程

无人机存在三种基本的技术特征，在其下行链路中可以实现图像视频的采集，在采集影像方面最大的优势就是能够保证高分辨率，如果在采集影像时选用传统的卫星遥感的方式，那么就可能会受到云层遮挡等方面的影响，无法获取全面且清晰的影像，无人机可以有效弥补这一缺陷，同时也能够避免卫星遥感反应过慢、重访周期较长的问题[2]。无人战斗机是第二种基本技术特点，可以借助信息采集系统实现对周围环境的侦察，同时装配武器，发挥战斗功能，此外，发射和回收功能是第三种特点，并且这种发射和回收不局限于一个平台，可以实现在多个平台上从事发射和回收工作。

其工作流程主要分为五个阶段，第一阶段是开始界面，工作人员对无人机的基本任务进行规划，通过监控保证无人机的任务可以自动归档，保证内部设备的安全稳定运行；第二阶段是航前检查，无人机开展任务时，工作人员首先需要保证安全性，在开展任务之前利用控制设备进行问题检测，确保每一个设备都能够正常运行，这样才可以避免飞行和执行任务过程中出现问题，影响到数据传输工作；第三阶段是规划飞行任务，不同模式下飞行任务是不同的，工作人员需要对混合、导航和区域空照三种状态下进行规划工作；第四阶段是飞行的监控工作，通过监控，地面站工作人员可以对无人机状态进行全面了解，从而准确判断其是否具备执行后续任务的能力，能够在很大程度上确保任务的执行和数据传输；第五阶段是对影像的拼接，在数据采集和传输任务执行完毕之后，地面站已经接收到来自无人机的数据信息，然后可以对影像进行详细处理和分析。

1.3 无人机的飞行控制工作

无人机和地面站是完成任务的重要组成部分，与此同时，数传电台对于连接无人机和地面站具有重要作用，数传电台通常采用一些接口来发挥功能，基本的接口类型有RS485和TTL等，不同的接口产生的频率也不同，最为常见的频率是433MHZ，其具备了波长较长、开放性和较强穿透力等方面优势[3]。在飞行控制工作中，首先需要地面站进行设备启动工作，对航线进行事先规划，然后开启飞行控制设备，再对具体的飞行速度、爬升坡度等参数进行设置，检查设备，确保所有设备都处于正常状态后，就可以进行飞行工作，执行完任务之后就可以进行降落，选择降落方式和降落地点，尽可能在空旷地区，防止对行人等造成伤害。

2 无人机遥感数据传输的常见问题

在对无人机的状况有了基本了解之后，我们可以深入分析高空和超高空状态下无人机数据传输中出现的问题，具体包括传感器、飞行状态以及机体遮挡、气候环境等，这样才能够针对问题制定解决措施。

2.1 无人机传感器影响数据传输

随着无人机技术的产生、发展和成熟，对其的应用已经不仅局限于军事领域，当前的无人机还被广泛应用在社会生产和生活中，发挥着重要作用。为了实现对高空超高空无人机的精准控制，在设计过程中需要运用到多种传感器，常见的传感器有陀螺仪、加速度计、气压和磁罗盘四种，不同的传感器发挥着不同的功能，目的就是更好地控制高空无人机，使其精准、安全和高效率工作。

设计者用陀螺仪传感器对三轴角速度进行监测，通过对角度信息的监测，无人机可以根据实际情况维持自身的飞行稳定，这是进行数据传输的基础和前提。磁罗盘传感器是专门为无人机提供方向的装置，其会收集到磁场内部的全部数据，将数据传输到微控制器进行运算，然后实现对地理位置的侦测[4]。

除了上述基础传感器之外，还有一些功能性的传感装置，如湿度传感器的应用可以准确检测气候状况，在传感器采集到了数据之后，必须要将传统的传感数据传输到地面站，从而对信息进行有效处理和利用，这个传输过程中软件数据库具有重要作用。然而上述这些传感器在应用过程中都会受到各种因素的影响，从而影响数据的准确性。

2.2 无人机飞行状态影像数据传输

当前，越来越多的国家注重对于无人机的研发，期望其在作战过程中充分发挥灵活、高效、机动的特点，无人机要实现这些特点，就必须建设一个安全可靠且高效的通信系统，只有依靠这个系统，各种数据、影像和信息才能够得到安全传输，无人机才可以接收到确切的指令，从而展开后续工作[5]。在数据传输过程中，信道特征具有重要影响，在无人机的不同飞行状态下，信道呈现出不同的特点，从而对数据传输产生影响，所以我们需要对无人机的飞行状态进行研究。

在无人机飞行的过程中，其和地面控制站之间的距离越远，就会使得直视分量不断减少，多径分量不断增大，从而加剧多径效应，导致误码率和数据传输的精确性受到影响，事实证明，在高空和超高空飞行的无人机，如果不对其采取控制技术，那么就会造成数据传输的严重失真。在高空和超高空飞行的无人机，必须要保证此种状态下的数据传输可靠性问题，具体可以从减少多径效应来解决，现有的均衡技术和分集技术就可以在很大程度上降低多径效应对无人机数据传输可靠性的影响。

2.3 无人机数据传输信道的衰落

在无人机数据传输系统内部，分为上行和下行两种链路完成信息的传输工作，其中上行主要包括任务装订数据和飞行控制，下行主要包括影视图像等业务数据，为了保证遥测数据实时更新，上行链路需要采用扩频体制，并且对抗干扰性有着很高要求，由于下行链路本身传输的信息具有重复性，所以传输中断也不会影响信息的可用性，随着实际应用水平不断提升，人们对无人机有了更高要求，它将承担起传递信息、进行指挥和加强控制等更多方面的任务，这就对数据传输的宽带有了更高要求，不断加深多径效应导致的信道衰落现象。

除了上述提到的多径效应导致信道衰落之外，还有其他因素也会导致信道衰落，影响数据传输，在研究过程中，我们可以发现机体遮挡也会导致信道衰落，具体来看，无人机腹部位置配有天线，这个天线与地面站的天线保持通视状态，无人机的飞行方向和动作会对通视状态产生影响，例如呈水平状态飞行时通视状态最好，但是当机体爬升、旋转时就会影响机载天线和地面站天线之间的连接的稳定性，这种爬升和旋转状态持续时间越久，对信道衰落的影响就越大[6]。

此外，机体进行反射吸收也会对信道衰落产生影响，在早期无人机机体的设计制作中，碳纤维和玻璃钢等是主要的制作材料，当前越来越多的有人机开始应用无人机的数据传输系统，也有对有人机进行改造使其能够发挥无人机的数据传输功能，在这种环境下，由于有人机的机体设计制作主要采用金属材料，金属会对机载天线的信号造成干扰，同时也会影响地面站的反射干扰信号，进而影响数据传输的精确可靠[7]。在高空和超高空飞行的无人机，其机载数据采集、接收和传输的设备也处于高速高空运动的过程，数据传输的信号会受到多普勒效应的影响出现失真问题，同时，气象条件也会对高空信号传输产生影响，周围环境中的无线电波也会影响信号传输效果。总之，高空和超高空的无人机数据传输会受到各方面限制，相关人员需要对无人机设备和技术进行改进，尽可能降低不利影响。

3 改善高空无人机数据传输问题的关键技术

在改善无人机数据传输问题的众多技术中，大体上可以分为两种，一种是传统的改善技术，例如扩频与RAKE接受技术，其属于路径分集技术，在高空飞行中的无人机出现的多径反应中不会起到改善作用，除此之外，还包括显分集技术和前向纠错技术，但是这两种技术由于存在一定缺陷，在适用性上存在问题。因此，工作人员需要研究新型改善技术，在实践过程中，研究人员发现了一种断链重传技术，首先运用该技术可以在发送阶段就对数据进行编码，这些编码具备强大的纠错能力，通过前向渠道传输到接收端，在此环节完成纠错工作，无错就会直接传递给地面站，有错就会自动发出重传指令，重复这个流程，直至错误被纠正。借助断链重传技术，数据可以被有效传输，并且也可以最大限度提高数据传输的质量，减少数据真实的可能性[8]。

4 结束语

综上所述，在高空和超高空环境下进行作业的无人机数据传输质量的提升，是无人机发展必须要克服的问题，数据传输功能作为无人机的核心目标任务，其安全性和可靠性必须要得到保证，事实证明，借助断链重传技术，能够显著提高数据传输的可靠程度。无人机技术的发展也不会止步于此，必然会朝着更高水平的方向前进，为军事和民用领域带来巨大效益。