武警工程大學(xué) 袁 征

68046部隊(duì) 武 毅

1 應(yīng)用背景

我國(guó)是一個(gè)人口眾多、幅員遼闊、自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。近年來(lái)，突發(fā)性的自然災(zāi)害發(fā)生頻率、規(guī)模呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，所帶來(lái)的社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越嚴(yán)重，受到各級(jí)政府部門(mén)的高度關(guān)注。應(yīng)急救援是最直接、最有效的減災(zāi)行動(dòng)。然而，地震、洪水、雪災(zāi)等自然災(zāi)害發(fā)生后，往往出現(xiàn)交通受阻、電力中斷、通信傳輸線(xiàn)路大面積癱瘓等不利情況，給應(yīng)急救援行動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重阻礙[1]。此時(shí)，為救援行動(dòng)快速建立一個(gè)應(yīng)急通信指揮網(wǎng)就顯得尤為重要。

2 微小型無(wú)人機(jī)中繼通信優(yōu)勢(shì)

為了更好的完成救援任務(wù)，各科研院所積極探索新的應(yīng)急通信解決方案。研究表明：利用空中平臺(tái)搭載各種通信中繼設(shè)備在任務(wù)區(qū)域上空建立通信覆蓋，是一種理論上可行性較高的解決方案。升空平臺(tái)依托高空優(yōu)勢(shì)，能有效變阻擋傳輸為視距傳輸，通信覆蓋范圍的位置、大小可根據(jù)需要隨時(shí)改變。并且，空中平臺(tái)部署周期短、成本低廉，能夠大大提高應(yīng)急通信組網(wǎng)能力。

目前，空中中繼系統(tǒng)的升空平臺(tái)主要包括有人機(jī)、無(wú)人機(jī)、系留氣球和平流層飛艇等[2]。各種平臺(tái)性能比較如表1所示。

表1 空中平臺(tái)性能對(duì)比

對(duì)比四種空中平臺(tái)，無(wú)人機(jī)的成本低、飛行控制簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，是建立戰(zhàn)術(shù)范圍內(nèi)中繼通信網(wǎng)絡(luò)的最佳升空平臺(tái)。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)按升空高度可分為：超低空、低空、中空、高空以及超高空。微小型無(wú)人機(jī)的工作高度一般在50m-200m的超低空范圍內(nèi)，它憑借造價(jià)低廉、飛行代價(jià)小、隱蔽性好，生存能力強(qiáng)、使用方便、執(zhí)行任務(wù)多樣化等特點(diǎn)，成為快速建立戰(zhàn)術(shù)范圍內(nèi)應(yīng)急通信網(wǎng)的“殺手锏”。相對(duì)于傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)，微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要如下：

1）部署方便，機(jī)動(dòng)靈活

令搭載通信設(shè)備的中繼無(wú)人機(jī)升空飛行便可迅速建立起通信鏈路，省去有線(xiàn)通信布線(xiàn)環(huán)節(jié)；能夠隨時(shí)控制無(wú)人機(jī)平臺(tái)的升降，使中繼覆蓋范圍隨任務(wù)地域和需求的變化而變化；微小型無(wú)人機(jī)的體積小、重量輕、易于攜帶，單兵即可完成中繼無(wú)人機(jī)的發(fā)射和回收工作。

2）不受復(fù)雜地形地物限制

傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式容易受高山、高樓等障礙物影響，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。微小型中繼無(wú)人機(jī)升空后，利用了無(wú)人機(jī)平臺(tái)的空中優(yōu)勢(shì)，可以避開(kāi)障礙物，建立起可靠的通信鏈路。

3）成本低廉、可靠性高

微小型無(wú)人機(jī)成本低廉，可以利用多架無(wú)人機(jī)同時(shí)升空飛行，只需保持一架飛機(jī)的機(jī)載通信設(shè)備為工作狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)中繼通信。如果該中繼無(wú)人機(jī)或機(jī)載通信設(shè)備出現(xiàn)故障，可以迅速喚醒備用中繼無(wú)人機(jī)替代原有中繼機(jī)，保持通信鏈路的可靠性。

4）通信設(shè)備適用性強(qiáng)、信息傳輸質(zhì)量高

微小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)可以輕松實(shí)現(xiàn)中繼通信設(shè)備的更新?lián)Q代，提高中繼通信的通信質(zhì)量。利用無(wú)人機(jī)對(duì)戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行中繼通信還可以利用更多的局部頻率資源，實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)制。

3 系統(tǒng)組成與工作原理

微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)是利用微小型無(wú)人機(jī)作為空中平臺(tái)搭載通信中繼設(shè)備，對(duì)地面通信設(shè)備之間的通信信息進(jìn)行空中轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)空中的中繼作用和升空優(yōu)勢(shì)，可以迅速建立起不受復(fù)雜地形地物限制的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)越障通信[3]。如圖1所示，為微小型無(wú)人機(jī)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)中繼通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。

圖1 微小型無(wú)人機(jī)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)中繼通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)分為空中與地面兩大部分，空中部分主要包括通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和通信天線(xiàn)，以及搭載這些設(shè)備的無(wú)人機(jī)；地面部分包括地面通信中繼設(shè)備、天線(xiàn)系統(tǒng)以及用戶(hù)終端，其組成示意圖如圖2所示。

圖2 微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)組成示意圖

本文中的微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)是利用多個(gè)自適應(yīng)跳頻網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。其中，微小型無(wú)人機(jī)搭載基站型網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)升空飛行，設(shè)置為AP中繼模式，地面網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)設(shè)置為CPE客戶(hù)端模式。當(dāng)?shù)孛骐娕_(tái)之間由于建筑物、山體阻擋無(wú)法正常通信時(shí)，利用機(jī)載網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使地面端的各個(gè)電臺(tái)建立起不受地形地物限制的通信鏈路，保障通信組網(wǎng)的可靠性[4]。

在微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)中，機(jī)載天線(xiàn)與地面終端天線(xiàn)的性能是中繼通信覆蓋范圍與通信質(zhì)量的重要影響因素，特別是機(jī)載天線(xiàn)的輻射方向圖，決定著中繼通信的覆蓋范圍。中繼無(wú)人機(jī)搭載無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)升空飛行作為通信中繼節(jié)點(diǎn)，它要和地面上的各個(gè)用戶(hù)端組網(wǎng)后形成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。所以，機(jī)載天線(xiàn)的波束必須能夠覆蓋組網(wǎng)范圍內(nèi)的所有地面端，而且最好是使空中轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)在整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)等增益分布[5]。因此，機(jī)載天線(xiàn)只能選擇全向天線(xiàn)，因?yàn)槿蛱炀€(xiàn)可以接收水平方向上來(lái)自各個(gè)角度的信號(hào)，還可以向各個(gè)角度輻射信號(hào)，并且在每個(gè)角度上輻射的能量也大體相等。如圖3所示，為機(jī)載全向天線(xiàn)的覆蓋示意圖。

圖3 機(jī)載全向天線(xiàn)覆蓋范圍示意圖

由于機(jī)載天線(xiàn)的發(fā)射功率和增益都很小，同時(shí)，受微小型無(wú)人機(jī)的載荷限制，無(wú)法通過(guò)提高機(jī)載發(fā)射功率來(lái)提升通信質(zhì)量，這嚴(yán)重影響到中繼通信的通信距離和通信質(zhì)量。因此，地面終端必須選用方向性好，增益高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的定向天線(xiàn)來(lái)彌補(bǔ)微小型無(wú)人機(jī)機(jī)載通信設(shè)備功率小、全向天線(xiàn)增益低的不足，以提高整個(gè)中繼通信系統(tǒng)的效能。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于應(yīng)急救援行動(dòng)的微小型無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)。文章闡述了微小型無(wú)人機(jī)中繼通信的優(yōu)勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的組成與工作原理進(jìn)行了介紹，并從應(yīng)用角度對(duì)中繼系統(tǒng)中空中平臺(tái)與地面平臺(tái)的天線(xiàn)進(jìn)行選型。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，微小型無(wú)人機(jī)中繼通信必將成為解決復(fù)雜地形與復(fù)雜環(huán)境下通信瓶頸問(wèn)題的一種有效手段，在未來(lái)的通信中發(fā)揮重要作用。

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