通信光缆无人机长距离巡线系统

葛大江，王洪梅，魏 巍

（78156部队，重庆 400000）

1 通信光缆线路巡检面临的问题

近年来，随着各单位编制体制改革带来的巡线人员精减，以及光缆线路建设规模的进一步扩大，由此产生的巡线力量有限与维护线路长且作业频次多的矛盾日益突出。虽然随着军地融合的深入发展，各单位可以依托运营商进行线路代维，但由于当前体制机制不健全、配套政策法规不完善，重要干线要求各单位必须自行维护等原因，短期内，这种矛盾仍将存在。

通信光缆网作为传送网的主要构成部分和基础链路，是通信的核心网络。通信光缆网按照线路级别分为长途干线、本地骨干、本地汇聚和本地接入。铺设方式多为直埋方式。通信光缆线路敷设里程长，途经地域广，工作环境复杂多变，因此，巡线（路由巡检）是确保光缆线路无障碍运行的重要措施。

通信光缆线路的巡检方式以人巡为主，车巡为辅。传统的人工徒步巡线方法是通过人眼的近距离观察，了解掌握光缆沿线的地形和地貌变化，及时察觉施工动土等一些可能引发线路传输故障的隐患因素，从而避免线路故障的发生。虽然这种手段能够提供可靠的巡查数据，但效率低、成本高且耗时费力，巡线质量易受人员主观因素和地形环境变化影响，难以实现巡线业务活动的标准化、规范化和信息化，难以满足当前光缆线路的建设维护需求，故迫切需要引入新技术、新手段来改进传统作业方式。

2 无人机应用的现状

无人机关键技术主要包括数据链技术、飞行控制技术、动力系统技术及机身结构设计技术等。而人们关注的重点则是数据链技术和飞行控制技术的发展。

当前，无人机系统多使用点对点的双向通信链路，具体分为上行链路和下行链路：上行链路即对地面站及无人机控制指令传输的通信链路；下行链路即无人机与地面站间传输图像数据、遥感数据及其他种类数据的通信链路。通信链路的可靠性和抗干扰性是无人机系统设计需要考虑的重要因素。

飞行控制技术目前广泛采用PID控制、鲁棒控制、动态逆控制、模糊控制等。人们将这些主流的飞行控制方法分类为局部线性化控制、非线性控制及智能控制等。

无人机巡检系统目前已在电力、油气管道和河道巡护等行业有了初步的实际应用，该系统已经应用了自动飞行控制技术、卫星导航差分定位技术、模式识别技术、遥感载荷技术和遥测遥控通信等多个领域的先进技术，并取得显著成效。在线路巡检方面，无人机系统具有飞行距离长、机动灵活、应急性强、分辨率高、成本低廉、维护简单和操作简便的优势，不仅可以省去耗时耗力的人工监测，而且巡线速度快，信息反馈及时，为问题及时发现和修复提供可靠的信息支撑，最大程度降低损失。

国外对无人机巡线系统研究起步较早。1995年，英国威尔士大学就已经通过改装以色列MLAvia013公司的“鬼怪”式无人机研制了面向输电线路巡检的飞行机器人RIPL；2000 年，西班牙马德里理工大学的Campoy、Mejias等人致力于将计算机视觉技术应用于无人机巡线导航的研究，在GPS的辅助下实现了无人机的巡线导航；2004 年，日本千叶大学联合Chugo 电力及Hirobo Limited直升机公司开发了针对电力巡线及其他类似城市应用的垂直起降无人机检测系统并进行了验证试验。

我国关于无人机系统研究起步较晚。2002年，华北电力集团公司成功完成直升机巡线研究，但此时的巡线飞机是有人驾驶的；2010 年，山东鲁能智能技术有限公司与山东电力研究院合作，研发有效载荷为20 kg 的巡线无人机；2011 年，福州电业局研发的“海西号”无人直升机，用时20 min完成了对7基铁塔的巡视任务；2014 年，广东电网公司探索了大载荷无人机配合可扩展通信中继系统的基于遥感的电力线路巡检方案。

未来无人机系统将主要向着智能化方向发展，随着人工智能的飞速发展，人工智能技术将大量地应用于无人机系统中，使无人机系统更为高效。

3 无人机管线巡护系统应用场景

利用无人机进行光缆线路巡检，能满足一线基层主动巡护需求，可以在某些巡查区域完全取代人工作业方式，为光缆线路故障隐患排查、自然灾害现场勘查和违规作业警示等提供科学依据与监测手段。在大范围的光缆线路常规巡检故障隐患排查中，无人机平台通过搭载可见光等任务吊舱，可对光缆线路进行全天候、全天时的监控，可及时掌握长距离光缆架空线路的危险源，迅速发现直埋光缆地表沿线施工动土、人为破坏等事故隐患，及标石、人井盖、电杆等设施变化情况，及时准确地对光缆线路和地表各类地物变化类型、规模、持续时间等进行智能分析，尤其在山区、高原和自然灾害发生之后等巡护危险性较高的巡护段，无人机巡检的优势便非常明显。在遭遇洪水、泥石流、地震、山体滑坡等突发自然灾害之后，无人机可以进入受灾现场勘查光缆受损位置、受损情况及周边次生灾害情况，利用通信链路将信息传回地面，为制定抢修方案提供情报信息支撑，同时，定位引导后续救援作业，迅速恢复光缆线路通信，最大限度地降低灾害造成的损伤。

在光缆线路周边违规作业现场，无人机平台可以在指定目标上空悬停详查，利用传感装置获取线路周围地理环境、周边违规作业等信息，发现情况即可定位报警，可以锁定和跟踪地面目标探查细节，配合无人机声光警示系统（如喊话器），威慑和制止破坏光缆行为，并现场取证。无人机巡检作业方式不仅可以提高线路巡护作业的智能化程度和巡检效率，而且可保证巡护人员的人身安全，降低巡查成本和风险。运用无人机遥感技术进行通信光缆线路巡检，已具备成熟的、可行的技术优势。因此，有必要加强无人机光缆线路巡检系统技术的研究：开展无人机日常和应急的巡检任务测试试验，获取长距离光缆线路监测数据，依托高精度地理信息平台开展融合分析，生成长距离光缆线路运行态势和基础数据库，从而实现对光缆线路地表沿线、地物变化及重要设施状况的监测，排查光缆线路安全隐患，降低重大事故发生概率，为相关业务人员提供情况处置和指挥决策的数据支持，为光缆线路故障隐患排查提供科学依据和监测手段，有效提升光缆线路维护单位的保障能力。

目前，无论是地方还是部队都没有无人机光缆巡线系统，本文首次提出基于4G 通信信号的无人机通信光缆巡线系统。该系统除了可巡护光缆线路外，还担负协助通信光缆线路抢修的任务，帮助抢修分队勘测光缆故障地域情况，运送部分抢修工具，运送和架设抢修光缆，同时担负应急通信枢纽与指挥部开设前的预设地点现地勘测的任务，对开设地点进行拍照，并形成3D地图图像传回指挥中心，为领导决策提供信息支持。

4 总体设计方案

通信光缆无人机长距离巡检系统由无人机分系统、测控网络分系统和无人机管控数据中心分系统组成，如图1所示。

图1 系统设备组成图Fig.1 Diagram of system equipment composition

4.1 无人机分系统

无人机分系统主要用于执行空中机动巡查和航空遥感测绘等任务，它由飞行平台和探测载荷组成。飞行平台的选择要适应巡线地区的地理环境和多变的气候条件，选择混合翼电动无人机（飞行半径100 km），适用于长距离遥感探测、日常视频巡查和应急情况处置等典型任务场景；机载探测载荷主要针对光缆路由巡查任务的全天时、全天候特点，选择测绘相机，适用于不同天候条件下的航空摄影和视频巡查任务。

长航时电动复合翼无人机适用于多种作业环境。该无人机机体采用高强度、轻量化复合材料设计，在满足机身结构强度、刚度需要的同时，最大限度地减轻质量。IP54级设计，抗风6级，可在小雨、小雪、云雾等不利天气下作业，适应恶劣气候条件。长航时无人机，如图2所示。

图2 长航时无人机Fig.2 Long-endurance UAV

4.1.1360°

目前，无人机拍摄360°全景图已是主流应用，通过操控无人机可以自动完成全景图的拍摄和生成，其工作流程，如图3所示。

图3 全景图自动生成流程Fig.3 Automatic panorama generation process

4.1.2

无人机搭载高精度RTK系统时，所拍摄生成的正射影像图能够轻松达到1 ∶500 的国家规定测绘精度。在功能上与360°一键全景有些许不同，主要是当无人机正射影像拍摄时，输出的图片信息由于精度不同而使数据量存在诸多差异，工作流程，如图4所示。

图4 正射图自动生成流程Fig.4 Automatic orthomosaic generation process

4.2 测控网分系统

该系统主要为无人机和无人机管控数据中心提供连续可靠的宽带数据通信链路，保障遥控指令、遥测数据和探测、业务数据的实时传输，由固定测控基站组成。

固定测控站依托现有4G 移动通信基站，能够与所在区域的无人机建立无线电数据通信链路，通过地方运营商的4G网络实现对无人机的测控。通信光缆无人机长距离巡检系统的运行路由图，如图5所示。

图5 无人机长距离巡检系统运行路由图Fig.5 UAV long-distance inspection system running route

4.2.1

在光缆巡线中一般是100 km 左右为1 个巡护中继段，根据低空飞行器移动特点和容量需求，低空蜂窝移动通信系统主要解决覆盖问题，容量是次要问题。可行的方法是在地面蜂窝移动通信网络基础上叠加1个低空蜂窝移动通信网络。采用间隔抽样的方法，在多个地面基站中选定1个位置、高度都合适的基站作为覆盖低空空间的基站源，从宏基站中分出1 个小区来覆盖低空。低空蜂窝移动通信系统的天线安装在基站附近较高的楼顶上，采用定向天线俯仰天空向上覆盖，如图6所示。

图6 天线俯仰天空向上覆盖示意图Fig.6 Antenna pitching the sky towards to cover

4G 网联无人机覆盖测试结果：20 m 以下信号覆盖强度较好（信号强度RSRP 在-80～-90 dBm），但120 m 以上容易失联，需要专门调整天线下倾角往天空覆盖，以免影响现网用户。

数据通信交互能力差，频繁切换影响传输性能。如果无人机高度较高，不在地面站天线主瓣覆盖范围内，空中信号杂乱，无主覆盖小区，频繁切换，造成终端下行干扰较大，部分区域可能出现无法解调现象，导致出现断线失联，触发无人机降落或返航的情况。同时，TDD站点可能存在超远覆盖导致上行底噪抬升，推荐使用FDD网络覆盖，避免超远覆盖干扰。

速率测试结果：TDD 峰值速率受限，在边缘无法满足上行速率要求，推荐使用FDD 网络，上行速率更有优势。

时延测试结果：TDD时延范围基本在200～300 ms之间，300 m 高空时延会达到500～600 ms，满足上行状态信息采集时延，部分满足飞行管控命令下发（高于300 m的空域时延较大），难以满足高下行时延的控制信令传输需求，推荐使用FDD，可以满足更短时延需求。

4.2.2

根据现有编码技术，图传的最小带宽为2 Mbps，所以只要传输带宽大于2 Mbps 就能够满足无人机信号传输要求。根据计算单扇区覆盖4 km 左右便能够满足边缘速率3 Mbps 的路损要求，站间距6 km，链路预算终端功率按照23 dBm 计算，比无人机终端发射功率（36 dBm）偏小，所以实际站间距可以达到10 km左右。由此可计算出100 km左右的中继段大约需要7个站点。

4.2.3

基于链路预测算的结果进行的线路站点规划，相关站点站间距为6～10 km 之间。目前小区的半径设置为8 km。

由于无人机飞行轨迹采用固定线路，故基站的天线采用2扇区背靠背安装覆盖无人机，如图7所示。

图7 站点间信号覆盖示意图Fig.7 Schematic diagram of signal coverage between stations

由于无人机飞行高度较高，通过调整天线俯仰角无法做到兼顾飞行网络需求以及运营商原有公众网络需求，同时，项目对安全性要求也较高，本次需要在沿途现有基站处增加基带单元、射频单元、天线对天覆盖，为项目建设一套专用网络。

4.3 无人机管控数据中心

无人机管控数据中心工作流程，如图8所示。

图8 无人机智能飞行任务平台运行流程Fig.8 Operation process of UAV intelligent flight task platform

无人机管控数据中心操作人员依托测控网络接收无人机遥测数据，掌握飞行和任务完成状态，指挥控制无人机按计划完成通信光缆巡视任务；无人机搭载的可见光等探测载荷，获取光缆上方的遥感数据，可及时发现上方可能出现的威胁安全运行的突发事件，如地形变化、非法施工等。通过测控网络汇集传递到无人机管控数据中心，辅助操作人员实现空中巡视，为后续的情况处置和消除隐患提供支持；同时分析处理航空遥感数据，更深层次地挖掘通信光缆运行的隐患和规律，提升长距离光缆巡护的运维效率。

4.3.1

无人机管控数据中心由无人机巡线任务规划席、巡检管控席、信息处理与分析席、显示大屏，通信中心、服务器机房和供电机房组成，如图9所示。

图9 无人机管控数据中心示意图Fig.9 Diagram of UAV control data center

4.3.2

管控数据中心系统由测控站代理、数据路由、无人机飞行管控、无人机运营管理和无人机数据处理5个分系统组成，如图10所示。

图10 无人机管控数据中心系统架构图Fig.10 System architecture diagram of UAV control data center

目前，市面上有1种固定翼无人机，可设定航线进行无干预自主飞行，自动拍摄，返航后将拍摄数据导出可供分析。然而这种方式并不适用于通信光缆巡线，主要是因为根据光缆线路维护规定，光缆线路的可通率必须达到99%，光缆线路上的情况比较复杂，变化较快，实时性要求较高。无人机巡线时只有及时将线路信息传回，线路维护分队才能以最快的速度处理线路上出现的隐患问题。同时，本文所设计的无人机巡线系统可以进行自动巡航和手动控制的切换，如果发现有人破坏通信光缆或存在威胁通信光缆安全的行为，监控人员可手动降低无人机高度，抵近观察，通过无人机携带的喇叭进行喊话，及时制止人为破坏光缆的非法行为，这是无干预自主飞行无人机无法做到的。

5 保密措施

出于数据保密的要求，巡检数据在系统和无人机终端之间传输以及在无人机终端存储时均需要加密，对数据加密采用的国密算法为国家密码局认定的国产密码算法，主要有SM1、SM2、SM3 和SM4，密钥长度和分组长度均为128位。

巡检数据在数据中心系统和无人机终端之间传输时，数据由SM4 加密算法加密，SM4 加密密钥再使用SM2 非对称加密算法加密。SM2 公钥存放在数据中心系统上，私钥存放在无人机终端上，公、私密钥均在终端注册时产生并分配。在数据加密的同时能够实现数据签名功能，防止非注册终端的接入和使用。

无人机终端本地存储数据由SM4加密算法加密，本地存储的密钥由程序根据终端特征实时生成，不存储在存储器上，这样可保证数据的安全。

地方通信公司和部队的光缆每隔100 m就有1个巡线标石，这是为了方便光缆巡线人员能够按照正确的线路路由进行人工巡线。无人机巡线的飞行路径并不与光缆路由重合，而是要比光缆路由短。无人机飞行路径要根据光缆路由和地形地貌进行具体设置，因此，不会通过无人机飞行路径泄漏光缆路由。

6 结束语

通过研究，无人机光缆线路巡检系统具有完全可行性，能够代替人工巡线。目前，无人机系统技术已经成熟，功能也十分的强大，如果将该系统运用到通信光缆巡护中：将为传统巡线工作引入新的维护模式和科学技术；精准判定线路隐患，通过海量样本智能比对多种线路隐患问题，为指挥者处置线路隐患提供决策建议；降低人力和物力投入成本，缓解线路维护压力，减少安全管控风险，提高维护管理水平；可对临时或长期执行抢险救灾，紧急通联、施工勘察设计等任务的无人机进行管理，提高整体巡线效率。