無人機(jī)信號傳輸中斷解決方案探究范文

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《測繪與空間地理信息雜志》2016年第9期

摘要:

在福建地區(qū)從事無人機(jī)低空數(shù)碼航空攝影測量項目時，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)傳電臺信號中斷是無人機(jī)飛行的一個重大安全隱患。如不能實時掌握無人機(jī)飛行動態(tài)，出現(xiàn)異常狀況時不能第一時間處理，極有可能出現(xiàn)安全事故，造成重大損失。本文通過具體案例說明，提出無人機(jī)信號傳輸中斷的解決方案。

關(guān)鍵詞:

無人機(jī);信號;電臺

0引言

隨著國家測繪地理信息局對無人機(jī)低空數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)的大力推廣，無人機(jī)低空數(shù)碼航空攝影獲取的高分辨率影像滿足了城市規(guī)劃、城市建設(shè)、農(nóng)田水利建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國土監(jiān)察等方面數(shù)據(jù)更新的需求，尤其在重大自然災(zāi)害和公共事件災(zāi)害的應(yīng)急測繪保障服務(wù)中發(fā)揮了重大作用，無人機(jī)低空航測系統(tǒng)越來越受到各級領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)注。作為一項方興未艾的新技術(shù)，今后必定會發(fā)揮越來越大的作用，應(yīng)用領(lǐng)域也會更為廣泛。然而在使用過程中，如何保證無人機(jī)航測系統(tǒng)的安全飛行，是不容忽視的重要問題。本文就生產(chǎn)實踐中的具體案例，對無人機(jī)信號傳輸中斷解決方案進(jìn)行了初步探討。

1影響無人機(jī)信號傳輸原因分析

一個完整的無人機(jī)航攝系統(tǒng)是由飛行平臺(即無人機(jī))、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面站監(jiān)控系統(tǒng)、影像傳感器、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)和地面保障系統(tǒng)組成，其中數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)是由無人機(jī)機(jī)載電臺、地面站電臺和天線等設(shè)備構(gòu)成。無人機(jī)地面站利用數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)在起飛前將規(guī)劃好的飛行計劃傳送到飛行控制器中，并在整個飛行過程中實時接收飛機(jī)的各項飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，查看飛機(jī)是否按照預(yù)定的航攝計劃飛行。福建省地形條件復(fù)雜，呈典型多丘陵地貌，在福建省內(nèi)從事無人機(jī)航攝往往受到諸多限制，由于受到地形條件、天氣條件、高壓電塔干擾、其他無線電臺干擾等影響，無人機(jī)電臺與地面站電臺之間的信號傳輸距離和北方平原地區(qū)相比大大縮短。同樣的通訊裝備，在北方平原地區(qū)，信號傳輸距離會達(dá)到20km以上，最遠(yuǎn)的達(dá)到50km，而在福建地區(qū)，信號傳輸距離在5～10km之間，有些區(qū)域甚至超過1km就通訊中斷。在通訊中斷沒有信號掌握無人機(jī)飛行實時動態(tài)的情況下飛行，行業(yè)內(nèi)稱之為無人機(jī)“盲飛”，“盲飛”時無人機(jī)在航攝過程中一旦出現(xiàn)異常情況，便無法在第一時間采取相應(yīng)處理措施，極大地增加了飛行的不確定性和危險性。

2解決方案

福建省測繪院自2010年開始從事無人機(jī)低空數(shù)碼航空攝影測量，每年航攝數(shù)百個架次，在無人機(jī)飛行方面具有豐富的經(jīng)驗，針對無人機(jī)信號傳輸中斷問題，制定了兩種切實可行的解決方案。

1)雙地面站模式

在無人機(jī)起降點架設(shè)一臺監(jiān)控地面站，稱之為“主地面站”，由“主地面站”上傳航線，并監(jiān)控?zé)o人機(jī)起飛、盤旋、往返測區(qū)飛行;在測區(qū)內(nèi)或附近架設(shè)另一臺監(jiān)控地面站，稱之為“從地面站”，無人機(jī)飛行至測區(qū)后，由“從地面站”實時監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀況，當(dāng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象時，由“從地面站”操控?zé)o人機(jī)返回起飛點或在測區(qū)附近迫降，原理如圖1所示。2015年5月航攝閩清縣東橋鎮(zhèn)，因測區(qū)附近無起飛場地，故從閩侯白沙鎮(zhèn)起飛，飛行高度為900m，起飛點和測區(qū)中間有1180m的高山，為安全飛行，在閩清縣縣城附近設(shè)計了航線拐彎點。因起飛點離測區(qū)距離為28km，而且測區(qū)周圍均為高山，信號傳輸肯定有影響，為避免意外情況發(fā)生，機(jī)組人員經(jīng)協(xié)商決定采取雙地面站模式。“主地面站”設(shè)置在起降點———閩侯縣白沙鎮(zhèn)，“從地面站”設(shè)置在東橋鎮(zhèn)。項目執(zhí)行過程中，“主地面站”無信號后，“從地面站”隨即接收到無人機(jī)信號，很好地保證了全程都有信號實時監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀況。

2)信號中繼模式

通過增加具有一定高度的信號中繼設(shè)備來解決信號被遮擋問題。考慮到中繼設(shè)備的靈活性和方便性，可在備用無人機(jī)上架設(shè)信號中繼設(shè)備，在起飛點附近區(qū)域的高空盤旋，實現(xiàn)無人機(jī)與地面站之間信號實時傳輸。信號中繼設(shè)備很大程度上擴(kuò)大了通訊的范圍，尤其適用于福建省內(nèi)多山、多干擾的環(huán)境，在無人機(jī)起飛點架設(shè)信號中繼設(shè)備使得機(jī)組人員在同一地點便可安全完成航攝任務(wù)，方便了機(jī)組人員之間的溝通。因備用無人機(jī)只是作為信號中繼器的搭載平臺，只需要采用小型電動固定翼或多旋翼無人機(jī)便可勝任。在執(zhí)行航攝作業(yè)前，將信號中繼設(shè)備安裝在備用小型無人機(jī)上，執(zhí)行航攝作業(yè)的無人機(jī)飛往測區(qū)后，備用無人機(jī)起飛并在起飛點附近區(qū)域盤旋，根據(jù)無線信號傳播的特性，在飛行至一定高度時，信號的傳輸基本處于同一水平面，周圍障礙物對信號的遮擋大幅減小，大大增加了傳播距離。電動小型無人機(jī)續(xù)航時間一般為20～30min，而油動作業(yè)無人機(jī)續(xù)航時間一般在1h以上甚至更長，但是由于電動小型無人機(jī)的便利性，可在10min內(nèi)完成小飛機(jī)的回收、電池更換、起飛等工作，因此，基本可以保證全程監(jiān)測作業(yè)，無人機(jī)原理如圖2所示。此外，亦可根據(jù)不同實際情況，合理安排航飛計劃，根據(jù)經(jīng)驗值盡量在信號傳輸?shù)陌踩嚯x內(nèi)更換電池，以保證備用小無人機(jī)續(xù)航。

3結(jié)論

福建省測繪院在實施無人機(jī)航攝時，先后多次試驗了兩種方案，兩種方案的優(yōu)缺點總結(jié)如下:

1)雙地面站模式

雙地面站模式比較簡單，容易操作，在發(fā)生比較嚴(yán)重的突發(fā)狀況時(如無人機(jī)持續(xù)降低高度，無法返回起飛點降落)，可由“從地面站”監(jiān)控人員采取在測區(qū)附近迫降的方式，將第三方損失降到最低。但也存在較為明顯的缺點:①在某些特殊地形的測區(qū)，單兵地面站也不一定能夠做到信號全覆蓋，需要單兵地面站人員在測區(qū)內(nèi)某個制高點上設(shè)站，但不一定有路通到山頂制高點，如果只在半山腰的話需要考慮到周圍樹木遮擋信號的問題，這就增加了難度，而且也給單兵地面站人員增加了一定的危險性;②存在溝通不暢現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時，不能形成統(tǒng)一意見;③需分配人員至測區(qū)內(nèi)或附近，增加了人員投入，并且降低了工作效率。

2)信號中繼模式

信號中繼模式是將地面站提高至作業(yè)無人機(jī)相對的高度，能很好地解決地形因素導(dǎo)致的信號傳輸受損情況，大大提高信號傳輸距離。其缺點:①如由飛控手操控中繼無人機(jī)在起飛點長時間盤旋，會影響飛控手對作業(yè)無人機(jī)的降落操控，如在中繼無人機(jī)上增加自駕儀，則增大了投入，應(yīng)考慮在中繼無人機(jī)上增加簡易飛行控制器和OSD設(shè)備，以較小的投入達(dá)到期望的效果;②不能很好地解決因電磁干擾導(dǎo)致的信號傳輸受損情況。兩種模式，具有各自的優(yōu)缺點，應(yīng)因地制宜、因時制宜，靈活機(jī)動地采取其中一種模式。無人機(jī)的飛行，存在太多的偶然性和不確定性，截止到目前，仍然沒有哪種方式能稱得上絕對地好，在今后無人機(jī)航攝工作中，福建省測繪院將會一如既往地深入研究、解決信號傳輸中斷問題。

4結(jié)束語

福建省測繪院在近幾年的項目執(zhí)行過程中，先后多次使用了兩種模式，保障了無人機(jī)的安全飛行。本論文旨在拋磚引玉，希望無人機(jī)廠家或用戶能更好地解決無人機(jī)飛行過程中的信號中斷問題。

參考文獻(xiàn):

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［4］國家測繪局．低空數(shù)字航空攝影規(guī)范［S］．北京:測繪出版社，2003．

作者:張永年 單位:福建省測繪院