應志江+楊先進+余向森+黃中華+高昱峰+徐塑+劉承林+劉雅彬

（1國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司；2浙江南瑞飛翼航空技術有限公司）

摘 要：隨著技術的發(fā)展，多無人機的通信應用越來越受到人們的重視。由于巡檢無人機通信距離短，通信信號可能會因環(huán)境而中斷，導致無人機無法繼續(xù)作業(yè)。為解決上述問題，設計實現(xiàn)了應用于電力巡檢的無人機通信中繼系統(tǒng)，解決了電力巡檢無人機在山區(qū)、森林等復雜區(qū)域巡檢作業(yè)時的通信問題。

本文系統(tǒng)闡述了無人機中繼通信中的關鍵技術，在研究現(xiàn)有協(xié)作中繼選擇技術的基礎上，針對無人機中繼通信，建立了無人機中繼通信模型，提出了協(xié)作中繼節(jié)點選擇算法以及自適應中繼傳輸方案，并進行了仿真。

關鍵詞：無人機；協(xié)作通信；中繼節(jié)點選擇

引言

隨著科技的發(fā)展，無人機在飛行高度、續(xù)航時間等方面有很大的提高。在無人機組網(wǎng)通信中，無人機作為中繼進行通信有很大的優(yōu)勢。無人機中繼通信實現(xiàn)了無人機與地面站的數(shù)據(jù)鏈路暢通，促進了無人機在輸電線路巡檢工作中的深化應用。

1、中繼基站通信概述

1.1地面站及其功能

地面站作為無人機系統(tǒng)的指揮控制中心，主要控制任務是監(jiān)測飛行器飛行狀態(tài)和機載有效載荷的工作狀態(tài)，保證無人機能順利安全的執(zhí)行任務，與地面站的可靠性有著莫大的關系。無人機上的機載傳感器會實時監(jiān)測飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)格式將這些數(shù)據(jù)包進行解析，并轉(zhuǎn)換成實際控制指令傳遞給蛇機電調(diào)等實際的無人機部件上，按照正確的軌跡飛行并能到達正確的預定目標點。

1.2中繼基站通信方式

在制高點建設通信中繼基站，通過通信中繼基站實現(xiàn)無人機信息的雙向傳輸。實現(xiàn)無人機組之間以及無人機組與地面基站之間的通信連接、數(shù)據(jù)傳輸和信息同步，該方案更適合在廣闊的在高山和建筑物阻擋的環(huán)境下野外環(huán)境中使用。為了滿足這些通信的要求，該中繼系統(tǒng)搭載到具備高度機動性的平臺-無人機，見圖1實現(xiàn)超視距傳輸，可滿足指揮、控制和信息交流等多種需求。

圖1、無人機中繼通信網(wǎng)絡

1.3無人機通信網(wǎng)絡的通信業(yè)務

地面控制中心和無人機之間的通信信道，需要中繼終端再轉(zhuǎn)發(fā)給地面測控車載終端，地面測控車的控制指令也通過塔架中繼終端轉(zhuǎn)發(fā)給任務機終端，控制任務機的工作狀態(tài)。從無人機發(fā)送到地面控制中心，主要傳輸無人機自身工作狀態(tài)和位置等一些基本信息，必須對無人機通信網(wǎng)絡進行有效的移動性管理，需要用專用的高速數(shù)據(jù)鏈路與控制站相連接，采用超視距通信中繼可以包括語音、數(shù)據(jù)等的中繼。

2、中繼過程中的路徑規(guī)劃

2.1中繼建模

2.1.1搜索狀態(tài)的路徑?jīng)Q策

中繼信道的存在使得該通信系統(tǒng)在節(jié)省功耗同時，還可以對抗信道的深衰落。作為無人機中繼任務的信息發(fā)送端或接收端，地面人員可以看作是一個可移動的地面通信節(jié)點。無人機的通信中繼和提供個人通信功能可能成為其重要應用之一，無人機獲取的偵察信息實時地分發(fā)給人員，實施信息搜集和精確打擊等多項任務， 每個子數(shù)據(jù)流分別進行獨立的數(shù)字調(diào)制，然后通過組網(wǎng)來實現(xiàn)地面節(jié)點之間的信息交換并將信息傳回給后方指揮站。

2.1.2中繼狀態(tài)

由于無人機的機動性，可以將通信網(wǎng)看作是一個拓撲結構不斷變化的通信網(wǎng)絡，首先源指揮中心內(nèi)部需要共享待傳輸?shù)男畔?，從而來構成虛擬的分布式天線陣列，中繼節(jié)點和目的節(jié)點同時接收源節(jié)點的發(fā)送信息，經(jīng)過解調(diào)、解碼等得到源數(shù)據(jù)。在中繼狀態(tài)中，整個網(wǎng)絡的拓撲結構是不斷變化的，信息交互網(wǎng)絡中所有的信息傳輸?shù)奶鴶?shù)需要滿足一定的約束條件，通過優(yōu)化信息傳輸路由，使得網(wǎng)絡信息的平均延時最小，這種移動趨勢，能夠盡快地減少信息傳輸跳數(shù)，同時將信息通過空中無人機通信網(wǎng)絡傳輸給每一架無人機，減小網(wǎng)絡深度，增加寬度，使得通信網(wǎng)絡有更多的路由選擇。

2.2協(xié)作通信的中繼選擇

2.2.1位置信息的中繼選擇技術

這種中繼選擇方案適用在無線傳感器網(wǎng)絡中，將已知自己和目的節(jié)點的物理位置信息。在通信初始發(fā)起階段，建立了協(xié)作關系后，通過選擇合適的中繼節(jié)點進行通信，分享已知自己的物理位置信息。

2.2.2移動終端的中繼選擇技術

基于物理位置信息的中繼選擇方法，選中繼節(jié)點通過接收到的RTS分組和CTS分組估計源節(jié)點到自身節(jié)點，需要所有中繼節(jié)點之間的信息交互，等待自己的定時器耗盡而處于偵聽狀態(tài)。不同的中繼終端的選擇方式，在每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程中首先進行信道估計，減低了由于進行信道估計帶來的算法的復雜度，并且信道容量隨著放大因子的增加而增加。

2.2.3無人機組和基站數(shù)據(jù)仿真

仿真程序采用模塊化設計并使用C++語言實現(xiàn)，使用標準的A-star尋路算法進行導航，整個無人機組把數(shù)據(jù)同步傳輸給中繼所花時間減少為184s。中繼無人機傳輸數(shù)據(jù)到基站并與其完成數(shù)據(jù)交換，隨著查找覆蓋范圍的增大，中繼無人機組數(shù)據(jù)采集效率增長更快，并超過了全部采用搜救無人機組成的系統(tǒng)。

3、無人機中繼通信的發(fā)展前景

無人機中繼通信作為無人機的重要技術之一，在未來將有以下三方面的發(fā)展特點。多中繼通信，實現(xiàn)戰(zhàn)場網(wǎng)絡化、模式通用，增強戰(zhàn)場兼容性、傳輸可靠，提高戰(zhàn)場安全性。中繼可以更及時地與基站交換數(shù)據(jù)，從而提高整個信息交換系統(tǒng)的效率，以滿足不同接入設備所要求的吞吐量和整個系統(tǒng)的性能。在通信網(wǎng)覆蓋的邊緣區(qū)域信號不穩(wěn)定或者出現(xiàn)突然中斷的情況下，提出的優(yōu)化算法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏p少無人機組用于通信的時間。

結論

本文主要研究以中繼無人機為載體，分析其通信中繼基站的通信性能。無人機完成通信中繼任務過程中的搜索路徑規(guī)劃和通信性能優(yōu)化問題，地面計算機控制中心集成了數(shù)據(jù)傳輸設備和圖像接收設備。本文系統(tǒng)闡述了無人機中繼通信中的關鍵技術，改變無人機路徑選擇來提高通信網(wǎng)絡性能，進而解決通信網(wǎng)絡失真及滯后等問題。最后，展望了無人機中繼通信技術的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]吳飛龍，林韓，湯明文，鄭小莉.多種中繼方式在大型無人機輸電線路巡檢中的應用[J].中國電力.2015（02）.

[2]徐曉晗，唐小貝，趙健.基于全球星實現(xiàn)無人機遠程通信[J].現(xiàn)代電子技術.2015（09）.

[3]王德.美國無人機路線圖中無人機通信技術與通用性的標準[J].飛航導彈.2016（07）.

[4]王頂，王永生，孫榕.無人機通信網(wǎng)絡的研究[J].無線通信技術.2016（01）.

作者簡介：

1.應志江，1968.7，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：經(jīng)濟管理；

2.楊先進，1982.5，漢，浙江，本科，高級工程師，研究方向：輸電線路；

3.余向森，1980.10，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：輸電線路；

4.黃中華，1983.10，漢，浙江，本科，高級工程師，研究方向：輸電線路；

5.高昱峰，1982.10，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：電氣工程及自動化；

6.徐塑，1986.7，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：電氣工程及自動化；

7.劉承林，1956.5，漢，江蘇，本科，高級工程師，研究方向：電氣工程及自動化；

8.劉雅彬，1981.8，漢，江蘇，本科，工程師，研究方向：電子技術。