系留多旋翼无人机及其在战术通信中的应用

渊中国电子科技集团公司第七研究所袁广东广州510310冤

付松源

摘要院介绍多旋翼无人机的发展和特点袁针对其在无线通信中继应用中存在的问题和局限性袁创新地提出通过加装系留供电系统实现系留多旋翼无人机的基本方案遥可持续稳定滞空飞行的特点袁使系留多旋翼无人机更适用于构建战术通信的无线中继平台遥结合军事应用需求袁分析对比了在不同地形下袁典型战术电台在地面直接通信和通过系留多旋翼无人机中继通信的距离预计值遥对比结果表明袁采用系留多旋翼无人机搭载战术电台构成的中继平台袁可显著提升战术通信系统的通信覆盖能力袁应用和发展前景广阔遥关键词院系留多旋翼无人机曰无线中继平台曰战术电台曰战术通信中图分类号院TN925曰V279+.2

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.172880

中文引用格式院付松源.系留多旋翼无人机及其在战术通信中的应用[J].电子技术应用袁2018袁44(4)院14-17袁22.

英文引用格式院FuSongyuan.Thetetheredmulti-rotorunmannedaerialvehicleanditsapplicationtotacticalcommunication[J].ApplicationofElectronicTechnique袁2018袁44(4)院14-17袁22.

Thetetheredmulti-rotorunmannedaerialvehicleanditsapplicationtotacticalcommunication

(The7thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation袁Guangzhou510310袁China)

Abstract院Thispaperintroducesthedevelopmentandcharacteristicsofmulti-rotorunmannedaerialvehicles(UAVs).Aimingattheproblemsandlimitationsinitsapplicationinwirelesscommunicationrelay,thispapercreativelyputsforwardthebasicschemeofconstructingthetetheredmulti-rotorunmannedaerialvehiclebyaddingthetetheredpowersupplysystem.Thecharacteristicsofsustainableandstableflightaremoresuitablefortheconstructionoftacticalcommunicationwirelessrelayplatform.Combinedwiththeneedsofmilitaryapplications,thepredictedvaluesofthecommunicationdistanceoftypicaltacticalradiostationsareanalyzedandcompared,underdifferentterrainandwithorwithouttheuseofmulti-rotorunmannedaerialvehiclerelayconditions.Thecomparisonofthedataresultsshowsthattherelayplatformcomposedoftacticalradiostationscanbeusedtoimprovethecommu鄄nicationcoverageoftacticalcommunicationsystem,andtheapplicationanddevelopmentprospectarebroad.

Keywords院thetetheredmulti-rotorunmannedaerialvehicle曰wirelessrelayplatform曰tacticalradio曰tacticalcommunication

FuSongyuan

0引言

近年来袁无人机飞速发展袁形成了繁多的种类遥其中袁能够用于完成各类战术任务的无人机称为战术无人机遥战术无人机包括了固定翼和旋翼等多种类型的无人机遥

战术无人机主要用于战场的视频侦察监视和无线通信中继领域遥其中袁利用无人机作为通信中继平台进行通信支持袁与卫星通信和陆地移动通信相比袁具有部署方便尧控制灵活且通信设备容易升级换代的优点遥美军叶无人机系统路线图2005-2030曳中对利用无人机作为通信中继平台进行了相应规划遥

通常用于构建通信中继系统的平台主要为固定翼无人机和无人直升机袁这些平台既具有载荷搭载能力较强尧飞行距离远尧滞空工作时间较长等优点袁也存在体比较大尧地面测控和保障系统复杂尧维护保养要求高等缺

点遥因此袁固定翼无人机和无人直升机平台主要适用于上百公里范围的通信保障袁对小范围高机动战术作战通信保障的性价比较低遥新近发展起来的微小型多旋翼无人机在战术通信领域更具优势遥

1多旋翼无人机的发展及特点

1.1多旋翼无人机的发展

早在20世纪初和中期袁法尧美等国已开始研制四旋翼飞机遥但由于当时的设计受困于极差的发动机性能袁飞行高度仅仅能达到几米袁而且操作十分复杂袁在速度尧载重量尧续航能力等方面无法与传统飞行器竞争袁军事应用价值也不高遥直到20世纪90年代之后袁随着微机电系统渊Micro-ElectroMechanicalSystems袁MEMS冤研究的成熟袁重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发运用袁使制作多旋翼飞行器的自动控制器成为现实遥但是

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无人机系统电子技术ElectronicTechniquesofUAVSystem技术专栏由于当时单片机的运算能力有限袁不足以满足复杂的多旋翼飞行自动控制器算法的需要袁多旋翼飞行器只是以独特的方式通过玩具市场进入消费领域遥2005年耀2010年德国Microdrones公司先后推出的md4系列四旋翼无人机系统在全球专业无人机市场取得了成功遥在学术方面袁2005年之后四旋翼飞行器需求快速发展袁更多的学术研究人员开始研究多旋翼袁使得一些制约多旋翼飞行器系统的瓶颈技术得到逐步解决袁多旋翼无人机的集成化尧小型化尧模块化尧标准化尧自动化水平迅速提高遥特别是近两三年来袁移动终端大量应用加速计尧陀螺仪尧地磁传感器等袁MEMS惯性传感器大规模兴起袁集成度更高袁成本更低袁有力地推动了多旋翼无人机技术的发展遥目前袁中国已有多家民营企业生产多旋翼无人机袁并占据了相当大的国际市场遥1.2多旋翼无人机的特点

与固定翼无人机和无人直升机相比袁多旋翼无人机具有以下特点院

在操控性方面袁多旋翼无人机的操控是最简单的遥它不需要跑道便可垂直起降袁起飞后可在空中悬停遥

在可靠性方面袁多旋翼表现最出色遥多旋翼无人机没有活动部件遥它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性袁因此可靠性比较高遥

然而袁多旋翼也有自身的发展瓶颈遥它的运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变袁以调整力和力矩遥该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼遥当然袁可以通过增加桨叶的方法提高多旋翼载重能力袁但该方式会极大地降低可靠性尧维护性和续航性遥种种原因分析表明袁最具发展优势的是微小型多旋翼无人机[1]遥

因此袁要将多旋翼无人机用于无线通信中继袁必须解决持续滞空问题遥最近出现的系留多旋翼无人机采用地面有线系留供电的方式实现多旋翼持续滞空工作袁为多旋翼无人机在战术通信中的应用开辟了新思路遥

2系留多旋翼无人机工作原理和特性

2.1系统组成

系留多旋翼无人机是在普通多旋翼无人机上外挂系留机载电源模块和超轻型光电复合系缆袁连接地面电源设备袁代替原来的机载电池[2]遥如图1所示袁系统主要组超轻型复合系缆尧系缆收放机构以及地面电源设备等遥

成包括院多旋翼飞行器尧任务载荷渊含天线冤尧机载电源尧

图1系留多旋翼无人机的组成

例如袁某微型四旋翼无人机的主要性能参数院最大起飞重量为5550g曰最大有效载荷为1200g曰电池重量为1750g曰留空时间约40min(有效载荷500g时)曰爬升速率为7.5m/s曰巡航速度为15.0m/s曰环境风力为9m/s曰飞行高度为最大1000m曰工作海拨为最大4000m曰动力配置4伊250W盘式无刷直驱电机曰导航系统为DGPS曰控制方式院遥控尧GSM网络遥控尧自动驾驶遥1.3在通信应用中存在的问题

微小型多旋翼无人机系统日渐成熟遥因其具有便于携行尧起降环境要求低袁操作简单尧训练保障要求低袁无需空域协调等突出特点袁在航拍尧监视尧快递投送等民用领域发展迅速曰在军事领域也已成功应用于侦察监视和地理测绘遥

然而袁由于现有微型多旋翼无人机都采用电池供电袁续航时间十分有限遥一般搭载约1kg任务载荷条件下的滞空时间还不到1小时遥虽然采用多架无人机轮流工作的方式也是一种解决方案袁但保障性将大打折扣遥在实际战术环境下袁由于微型多旋翼无人机无法提供持续的通信中继保障袁直接由其构建的通信中继节点基本不具备实用性遥

2.2工作原理及性能

系统袁其基本原理如图2所示[2]遥地面电源将地面220V交流电变换为高压后通过系缆传输到机载电源袁再变换线袁还有两条单模光纤袁可用于机载任务载荷与地面设备之间的宽带信号通信遥

为飞行器及任务载荷的供电电源遥系缆中除了供电导

系留多旋翼无人机的最关键改进是增加了系留供电

图2多旋翼系留供电系统基本原理框图

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无人机系统电子技术ElectronicTechniquesofUAVSystem技术专栏地面供电部分中功率因子校正模块效率可达95%以上袁飞行器及载荷的供电直流28V的额定输出电流约为40A(输出功率1120W)遥

轻型光电综合系缆由2根电线尧2根B1.1单模紧包光纤和芳纶绞合而成袁缆芯外松包聚乙烯护套遥系缆可承受100N拉力袁导体直流电阻不大于0.094赘/m袁绝缘线芯间耐压1000V袁重量仅约11g/m遥

机载电源模块代替了原自由飞行四旋翼无人飞行器的电池部分袁峰值功率可达1500W袁效率可达90%以上遥在机载电源模块中还保留一个小容量的锂电池袁用于地面供电发生意外中断或系留供电系统出现故障时给飞行器提供应急电能袁保证飞行器有足够的时间安全降落回地面遥整个机载电源模块连同附着有散热片的结构外壳总重量不大于1200g遥

有效载荷包括任务载荷重量以及从飞行器到地面所用系缆重量遥根据系缆单位长度重量11g/m可得出不同任务载荷重量条件下的可搭载系缆长度袁也即最大滞留高度如表1所示遥可见袁当系留飞行高度为100m时袁有效的任务载荷能力约为1kg遥

表1不同任务载荷重量条件下的最大系留升空高度

任务载荷重量/kg

可搭载系缆重量/kg

最大滞留高度/m

0.20.52.92641.51

2.62.12361.61912.521.11450.6100553系留多旋翼无人机在军事通信中的应用

3.1军事需求

未来一体化战斗系统追求真正的移动通信袁作战人员在宽带移动的网络中移动作战指挥袁各作战平台之间无缝宽带连接共享信息遥然而在地面通信网络中袁连通性尧移动性和大容量之间相互矛盾袁提高任何一方的性能都会限制其他两个性能的发挥袁综合提高连通性尧移动性和大容量是军事通信发展面临的关键挑战遥卫星通信和大中型无人机空中通信节点能够有效地解决军事通信中覆盖尧移动和大容量之间的矛盾遥然而由于卫星资源有限袁大中型无人机起降尧保障条件要求苛刻袁无法满足轻型高机动步兵尧特种作战尧空降尧海军陆战队等旅以下前出部渊分冤队末端战术通信保障需求遥

通过上述分析可见袁系留多旋翼无人机小巧轻便袁在100m高度系留悬停时仍有约1kg的载荷搭载能力袁并且采用地面电源持续供电工作袁没有续航时间限制袁而且开设迅速尧无需空域申请尧操作保障简单袁是一个非常好的通信中继平台遥

3.2通信覆盖预计

升空无线中继平台主要是通过升高通信设备获得

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欢迎网上投稿www.ChinaAET.com视距的延伸袁将非视距传播信道改变为视距传播信道袁实现通信距离或覆盖范围的改善遥通常情况下袁视距随升空高度的增加而增加袁相应的传播条件改善也更显著遥考虑折射效应袁视距的计算公式为院

d式中袁o=4.12(do为视姨距h袁1+单位姨h2为)km曰h1和h(1)均为m遥

2为两端升空高度或天线高度袁单位在理想的平坦地表袁若通信双方均采用手持设备通信时袁天线高度均为1.5m袁理论计算视距为10.1km遥而当其中一方采用系留多旋翼无人机平台升高到100m时袁视距改善为46.2km遥

视距只是在理想条件下的通信极限距离袁而在实际应用中袁设备的通信距离受地形地物条件尧通信载荷设计指标影响遥在移动通信系统中袁奥村模型是在大量场强测试基础上袁经过对数据分析与统计处理后袁描述各种地形地物下传播损耗与距离尧频率以及天线高度关系的经典电波传播预测模型遥下面以美军典型战术通信电台为例袁根据典型设计指标估算采用系留多旋翼无人机搭载升空后袁在地形地物条件下的通信覆盖能力袁并与地面不升空使用时通信覆盖进行对比遥

美军现役战术电台中袁3种典型设备的主要射频指标如表2所示遥为便于计算袁工作频率取各设备最高工作频率的近似值遥功率和天线指标考虑了常规多旋翼无人机平台可搭载能力遥

表2美军典型电台主要射频指标

电台名称

工作频率/MHz功率/dBm灵敏度/dBm天线增益/dBi

HAVESINCGARSQUICK

100EPLRS4003350033-11033-110-3-10023奥村模型以准平坦地形大城市地区的路径损耗为基准袁对不同传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正遥基本计算方法如下院

自由传播损耗院L式中袁bsL=32.45+20lgbs为自由传d播+20lg损耗f

值(单位dB)袁d为通信距离((2)

单位km)袁f为工作频率(单位MHz)遥

准平坦地形大城市地区中值路径损耗[3]L院

城区式中袁A=Lbs+Am(f袁d)-Hb(hb袁d)-Hm(hm袁f)

(3)

移动台天线m(f袁d高度相对袁d于)为高度)为大标基准站h城m天天线为市3中线高高度m当时基度h增袁站b为益相天200因对自线高子m袁由度的即空h增实际间b为200m尧的中益基曰H站值m(h天线损耗曰Hb(hb为移动台高度增益因子遥Amm(f袁d)尧Hb(hb袁d)和Hm(hm袁f)袁在f)

模型中都可以查阅文献[3]中的图表获得遥

以准平坦地形中的中值路径损耗为基础袁针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素袁用修正因子加以修正袁就可得到不规则地形及环境中的中值路径损耗遥如

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无人机系统电子技术ElectronicTechniquesofUAVSystem技术专栏郊区尧丘陵尧水陆混合地区中值路径损耗计算式分别为院

L郊区L=L城区-Kmr(f袁d)丘陵L=L城区-Kh(h)

(4)(5)

水陆其中袁K=L城区-Ks(水陆比例)(6)

因子遥

mr尧Kh尧Ks分别是郊区尧丘陵尧水陆混合地形修正

在此基础上袁根据各通信载荷的射频指标袁包括发

射功率P尧天线增益(发天线增益G接收灵敏度S等袁可获得不同传播环境T和收天线增益G下不同设备在不R)尧同覆盖距离时的链路余量院

A(dB)=P(dBm)+G式中袁链路损耗L根据T(dB)+不同G场R(dB)-景选S择(dBm)-相应计L算(dB)

公式袁(7)

如L城区尧L郊区尧L水陆等遥

当式(7)中A=0时袁对应的距离d的值即为相应条件下的极限覆盖半径遥

基于奥村模型袁对表2所列3种典型战术通信电台在升空100m条件下的通信覆盖能力进行估算遥通过查阅奥村模型中的相关图表袁带入式(7)计算得到海岸(水陆比例100)尧郊区尧城区尧50m高差丘陵及100m高差丘陵5种不同地形地物条件下通信覆盖半径预计值袁如图3所示遥

图3典(一型方电升台空在不100同m地袁另形一下方的手覆盖持1.5半径m)

预计值

根据文献[4]中得到的类似电台在地面通信距离的预计结果袁分别对比各种地形条件下双方均在地面通信与单方升空100m通信时的3种设备的极限覆盖半径袁如图4所示遥

由图4对比可见袁地形对通信距离的影响随着起伏高差的增加而增大曰相同地形条件下袁频率较高或带宽较宽的战术电台的通信距离较小遥与地面通信相比袁采用系留多旋翼无人机升空100m对各种地形下的覆盖能力都有明显的改善袁覆盖半径扩大至少4倍以上遥对比不同类型战术电台在海岸尧城区或丘陵地形的覆盖效果可见袁地形越复杂改善效果越明显袁这是由于升空后有效克服了地形地物对信号传播的遮挡袁实现了视距直射传播遥3.3应用特点及发展趋势

系留多旋翼无人机体积小巧袁可以单兵携带袁也可采用轻型车辆装载袁对起降场地和维护保养要求很低袁

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(a)海岸

(b)郊区

(c)城区

图4各种地形条件(d下)丘陵地面驻与=50升空m

通信覆盖半径对比

非常适用于班排级小型机动作战单位使用遥主要作战应用场翼无人机(1)景包括改善院

将作作战战单单元元内内部重的要成通信员覆盖渊如班率长遥冤采的用电系留台升多高旋

袁形成优势节点袁实现与其他成员的可靠连接袁构成星形全连通网络袁解决由于地形地物的遮挡造成的作战单元内部各成员之间的通信不畅问题遥

(下转第2217

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无人机系统电子技术5结论ElectronicTechniquesofUAVSystem技术专栏实验结果表明袁该方法控制下袁飞行器可以从50毅横滚角的情况下迅速恢复到平衡袁且高度控制尧抗干扰能力较之串级PID控制反应更加迅速袁平稳遥在接下来的工作中袁会对四旋翼飞行器的避障和路径规划进行研究袁利用超声波测量四旋翼与障碍物之间的距离袁采用单目视觉对飞行器进行定位袁最终实现四旋翼飞行器自主飞行遥参考文献

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尔滨院哈尔滨工业大学袁2014.

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(收稿日期院2017-12-19)

(1)院19-23.

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作者简介院

翼飞行器自主飞行遥

姜海涛(1992-)袁男袁硕士研究生袁主要研究方向院四旋常青(1975-)袁通信作者袁男袁博士袁副教授袁主要研究方E-mail院tychangqing@126.com遥向院嵌入式系统尧音视频渊AVS冤编码尧信息系统设计理论袁

王耀力(1965-)袁男袁博士袁副教授袁主要研究方向院信息系

[5]王璐袁李光春袁王兆龙袁等.欠驱动四旋翼无人飞行器的

滑膜控制[J].哈尔滨工程大学学报袁2012袁33(10)院1248-[6]曲仕茹袁马志强.改进的粒子滤波在四旋翼姿态估计中

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统设计尧人机视觉分析与处理以及嵌入式系统电路设计理论遥

(上接第17页)

4结论

通过加装系留供电系统袁可以解决多旋翼无人机的持续滞空问题袁为其在战术通信领域的应用创造了条件遥将系留多旋翼无人机作为通信中继平台能改善战术电台的覆盖范围袁可应用于机动作战单位的内部通信尧横向通信及对上回传通信袁显著提高作战指挥能力遥随着相关技术的推动袁未来由系留多旋翼无人机平台构成的超低空战术通信网络具有不可低估的发展前景遥参考文献

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anditsvariabilityinVHFandUHFlandmobileradio[4]KIMJ袁OGUNTADEA袁OZAM袁etal.Rangeestimationof

tacticalradiowaveformsusinglinkbudgetanalysis[C].MilitaryCommunicationsConference袁MILCOM袁2009院18-21.

渊收稿日期院2017-06-28冤

service[M].ReviewoftheECL袁September-October袁1968.中国院201210510858.3[P]袁2016-1-13.83.

单位之间需要协作沟通但又因距离或地形影响无法直接建立连接时袁各单位可采用系留多旋翼无人机搭载一部电台升高袁建立跨作战单位的超视距沟通链路袁实现作战单位间的横向协作通信遥

(3)作为信息回传通道遥当前出作战单位远离后方通

(2)作为作战单位之间的横向协作通信链路遥当作战

信基础设施或无线传输路径上被障碍遮挡无法直接通信时袁可采用系留多旋翼无人机搭载一部电台升高袁建立作战单位与后方基础设施之间的沟通桥梁袁实现作战信息和回传遥

目前袁受多旋翼无人机载荷能力的限制袁可搭载的通信中继设备重量一般不能大于2kg遥所以大部分战术通信电台无法直接搭载袁必须进行轻量化改进遥在设计系留多旋翼无人机通信中继平台时袁还应尽量减小无人机和系留供电系统的电磁干扰辐射袁避免对通信载荷造成干扰袁影响通信效果遥

不久的将来袁随着无人机技术的发展袁多旋翼无人机的工作效率尧载荷能力和稳定性将进一步提升袁系留多旋翼无人机通信中继平台的通信载荷能力尧升空高度尧通信覆盖能力也相应提高袁将实现具有多机自组网尧一机多信道灵活配置尧干线组网与无线接入结合等强大功能的超低空战术通信网络遥

作者简介院

向院战术通信系统尧电波传播遥

付松源渊1973-冤袁男袁硕士袁高级工程师袁主要研究方

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