关键词：无人机；多模态信号一体化；中继系统
1、前言
无人机无线移动通信有两种主要类型：地面中继系统或空中中继系统。为了确保各个单元之间的实时通信畅通，地面移动中继系统在车辆中配备了一个通信中继设备，该通信中继设备跟随特定的地面单元并在受限区域内支持通信服务。由于它是基于无线通信，信号可以通过周围像高大的树木和建筑物。由于这些限制，这就是为什么地面移动中继系统无法成为战场上可靠的无线中继系统的原因。空中中继系统可以克服地面中继系统的许多限制，直升机或卫星配备有无线中继装置。使用直升机的空中中继系统不受地面条件（人迹罕至的地区，高大的树木，建筑物等）的影响。在本文中，我们提出了无人机中继系统（DRS）的概念，以克服当前移动无线中继系统的局限性。研究和无人驾驶飞机的应用目前在军事领域，商业交货，医药递送应用，监控基础设施和电力网络的评估。
2、当前移动中继系统的局限性
2.1地面车辆中继系统
配备有无线中继设备的地面车辆，例如轮式车辆和轨道车辆，被用作无线中继系统。地面车辆与地面单元一起被操纵到操作区域中。此外，机器人也可以用作移动中继系统。但是，这些地面车辆，无论其类型如何，都具有成功完成无线中继任务的局限性。首先，地面车辆由于地面条件而无法进入某些区域，例如结冰的道路或没有通过的道路，即使履带车辆也无法轻易在结冰的道路上行驶。其次，由于车辆的大小，地面车辆很容易被敌人发现。在作为中继系统进行操作时，天线和其他设备随车配备或部署在车辆周围。第三，操作区域的环境通过阻塞或干扰无线信号来影响无线通信中继的质量。最后，车队必须跟上移动的前线装置；否则，可能会导致无线通信的实时中继出现延迟。
2.2航空器中继系统
为了克服地面中继车辆的某些限制，还使用诸如直升机，气球和卫星之类的飞行器来链接无线通信以进行替换。通过使用飞行器，可以实现移动中继系统的高度移动性，以支持无线通信。通过这些方法，它们可以避免使用地面方法时的延迟或遇到的任何干扰。但是，直升机或气球的使用也有局限性，例如比地面车辆更大或噪音更大。卫星需要高性能的接收器才能接收相对较弱的信号，并且无法随时随地将无线信号中继到其他地方。
3、无人机多模态信号一体化中继系统的概念和特征
本文提出了一种将无人机无线中继系统的概念，以解决当前中继方法的局限性。我们使用多个无人机来链接命令中心和一个或多个命令中心之间的无线通信。配备有无线通信中继设备的多架无人机分配给每个梯队。这些指定的无人驾驶飞机被发射并在地面梯队之后的操作区域上形成空中中继系统（空中中继节点）。在不考虑梯队和指挥中心的位置，周围环境和部署时间（发射时间）的情况下，多架无人机可以为地面单位提供无线通信。
本项目主要解决问题有：第一，传统的无人机图传与控制信号是由于发送端设备位于控制端上，接收端设备位于飞机上，故而存在收发天线失配问题，设备发送端天线采用一对垂直分布的线极化天线。同时多台设备启动通信时有互相干扰问题。第二，当无人机飞行途中遇到障碍物（高山、树木）时，图传信号会变弱甚至无图传信号。目前DJI的无人机系统遥控器和地面控制端的上下行链路是通过2.4G信道传输，由于2.4G干扰比较多，并且绕射性能差，将此无线通信链路改造成多路信号链路可移动基站通过无人机挂载中继将信号进行桥接使距离传输更远质量更好，使飞机的作业范围更大。
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搭载移动基站的无人机设备，飞到高空，可以看到预定目标且不受阻挡，再操控另一台工作无人机，通过移动基站传输信号，间接控制无人机，进而完成飞行任务。将DJI无人机遥控端与飞机中继端互相传输的数据通过外置的第三方设备进行传输，拓展无人机控制的距离，增强图传信号的传输。遥控器与地面端数传电台通过UART接口连接到数传电台，地面数传电台通过无线链路将数据传给飞机端数传电台，飞机端数传电台通过CAN接口（或UART口）将数据传给飞控。此外，为达到无线高清视频远距离中继传输的目的，可选用COFDM方案的图传设备来将飞机端的视频传送至地面端。
4、多模态信号一体化中继系统的技术特性
4.1高机动性
无人机可以在空中飞行，因此无人机的飞行路径不受地面条件的影响。与目前的方法（地面车辆和空中车辆）相比，无人机还需要更少的部署时间。无人机可以快速响应对空中中继系统的请求。
4.2成群飞行
为了确保无线链路的质量和覆盖范围，无人机必须以恒定的距离飞行和/或与其他无人机和地面车辆一起编队飞行。无人机在空中中继系统中充当无线链接节点。因此，需要大量的飞行技术来实现完美的无人机飞行距离和/或编队。
4.3避免碰撞
无人机跟随地面部队飞行时可能会遇到意外障碍。他们可能会遇到意外的障碍，例如其他无人机，高大的树木，高大的建筑物或敌人的进攻。在这些情况下，为了确保地面单元的实时无线中继服务，无人机可以在碰撞或撞到障碍物之前检测到意外事件并避免意外事件发生。
4.4避免检测
与目前（地面和空中交通工具）的方法相比，无人驾驶飞机的尺寸相对较小，从而降低了与敌人接触的可能性；但是这种微型尺寸由于无人机转子发出的噪音而不能确保安全。例如，在特种部队行动中，隐蔽性（无噪音）是确保特种行动成功的关键因素。
4.5飞行与移动地面单元（车辆）的协调
地面部队根据行动进度和时间表继续移动。因此，无人机必须飞越操作区域并保持对峙距离，以确保成功进行无线中继服务。此功能利用跟踪技术，该技术已探索许多研究者。
4.6工作时间长
军事行动的持续时间因行动类型而异。它可以少于一个小时，也可以大于一天。无论运行时间长短，在运行期间，无人机都应该是空中无线中继系统。尽管燃料电池目前有局限性，但与电池性能相比，燃料电池为无人机提供了更长的飞行时间。
4.7抵抗恶劣天气
无人机的飞行可能会受到天气条件的影响。首先，强风导致无人机消耗更多的燃料，以保持飞行稳定，甚至使它无法通过强风飞行。其次，大雨或大雪也会干扰无人机的飞行，最后，明显的低温可能导致无人机电池的性能下降。因此，抵抗恶劣天气因素是确保无线通信中继在实时和真实世界中的特征之一。然而，最近的一项测试显示，无人驾驶飞机在每秒15m的水平风中飞行的性能极佳。
5、结论
本文提出了用于无线通信中继的无人机中继系统的概念。为了解决当前无线中继方法的局限性，例如对路况的不可控性，较低的移动性和较长的部署时间，建议使用无人机多模态信号一体化中继系统。通过开发和/或开发无人机技术，这一概念将成为可能。
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论文作者:1李博、2董军、3赵伟、4陈睿
论文发表刊物:《中国电业》2019年第21期
论文发表时间:2020/4/15
标签：无人机论文; 地面论文; 系统论文; 无线通信论文; 车辆论文; 信号论文; 设备论文; 《中国电业》2019年第21期论文;