微小型無人機(jī)平臺(tái)中繼在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

韓林

（北京消防救援總隊(duì)海淀支隊(duì)，北京市 100192）

一、微小型無人機(jī)中繼通信優(yōu)勢(shì)

為了迅捷、穩(wěn)健的完成救援任務(wù)，各種研究機(jī)構(gòu)都在積極研究新的緊急通信解決方案。研究表明，理論上可行的解決方案是基于高空的優(yōu)勢(shì)使用高架平臺(tái)承載各種中繼設(shè)備以建立任務(wù)區(qū)域內(nèi)的通信覆蓋范圍。發(fā)射臺(tái)可以有效地將阻擋傳輸更改為視距傳輸?？梢愿鶕?jù)需要隨時(shí)更改通信范圍的位置和大小。

（一）設(shè)置便捷。靈活的機(jī)動(dòng)性使配備有通信設(shè)備的無人機(jī)中繼能夠快速建立通信鏈接，而無需有線通信連接；可以隨時(shí)控制無人機(jī)平臺(tái)的升降以確保中繼平臺(tái)在任務(wù)區(qū)域的通信系統(tǒng)搭建；微型無人機(jī)體積小、重量輕、易于攜帶，一名士兵就可以完成無人機(jī)中繼器的發(fā)射和復(fù)位。

（二）由于功能多樣而不受地形環(huán)境限制。傳統(tǒng)的無線通信方法容易受到障礙物（如高山和高大建筑物）的影響，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。一旦發(fā)射到空中，微型中繼無人機(jī)就可以利用無人機(jī)平臺(tái)的空中優(yōu)勢(shì)來避開障礙物并建立可靠的通信鏈接。

（三）低成本、高可靠性。微型和小型無人機(jī)價(jià)格便宜，可以同時(shí)采取多架無人機(jī)空中飛行搭建平臺(tái)，只要通過保持一架飛機(jī)的機(jī)載通信設(shè)備的工作狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)中繼通信。如果中繼設(shè)備或空中通信設(shè)備發(fā)生故障，備用中繼無人機(jī)可以快速喚醒以更換原始中繼機(jī)，以保持通信鏈路的可靠性。

（四）通信設(shè)備信息傳輸質(zhì)量高。微型和小型無人機(jī)平臺(tái)可以輕松實(shí)現(xiàn)中繼通信設(shè)備的現(xiàn)代化，并提高中繼通信的質(zhì)量。將無人機(jī)用于中繼通信也可能會(huì)使用更多的頻率資源來實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)制。

二、飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

對(duì)于空中的無人機(jī)中繼通信平臺(tái)來講，無人機(jī)不僅執(zhí)行飛行任務(wù)，而且還協(xié)同工作中繼通信系統(tǒng)組建。對(duì)于地面管理人員，不僅需要通過發(fā)送飛行命令來不斷調(diào)整無人機(jī)在空中的飛行狀態(tài)，以使無人機(jī)可以根據(jù)任務(wù)要求更改位置和通訊范圍，而且還需要不斷地輸入控制命令來調(diào)節(jié)無人機(jī)上通信設(shè)備的各種參數(shù)，例如發(fā)射功率、天線角度等，以始終保持空中通信設(shè)備處于最佳狀態(tài)。

三、飛行控制模塊冗余保障設(shè)計(jì)

由于配備通信系統(tǒng)的無人機(jī)通常必須使用具有高有效載荷和長使用壽命，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)飛行控制系統(tǒng)時(shí)，飛行安全性和穩(wěn)定性是兩個(gè)主要考慮因素。在設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)時(shí)，為了保證無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和安全性，在不同的模塊中以及模塊之間進(jìn)行了很多冗余設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)在控制、執(zhí)行和管理方面具有雙重冗余結(jié)構(gòu)。從控制角度來看，考慮到無人機(jī)在整個(gè)飛行過程中最困難的操作也是最危險(xiǎn)的階段主要是起飛和著陸階段，并且起飛和著陸通常在近地點(diǎn)結(jié)束。因此，在起降控制中，飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙重冗余地面站控制結(jié)構(gòu)和手動(dòng)遙控，以確保無人機(jī)的起降穩(wěn)定可靠。從實(shí)施的角度來看，微小型無人機(jī)需要背負(fù)通信中繼設(shè)備，考慮到在整個(gè)無人機(jī)飛行中各種傳感器和飛行管理組件都承受著沉重的負(fù)荷，因此這些設(shè)備的可靠運(yùn)行對(duì)于順利完成整個(gè)任務(wù)非常重要，關(guān)鍵部件的每次故障都會(huì)對(duì)整個(gè)航空任務(wù)的執(zhí)行產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。因此，在冗余飛行操作設(shè)計(jì)中，除了對(duì)安裝位置有明確要求的設(shè)備（例如舵機(jī)）外，其余位置都配置有冗余備用的飛行管理組件（并且所有傳感器均設(shè)置有兩個(gè)相同的PX4FMU飛行管理組件）。它們同時(shí)安裝在人機(jī)終端上，執(zhí)行相同的功能，每個(gè)PX4FMU充當(dāng)其他PX4FMU的備份。。

在飛行過程中，命令模塊會(huì)根據(jù)其擁有的傳感器持續(xù)計(jì)算飛機(jī)的狀況，并從地面站接收數(shù)據(jù)。一旦確定PX4FMU無法正常執(zhí)行空中任務(wù)，它將由命令模塊控制，交換模塊啟動(dòng)并快速切換到另一個(gè)PX4FMU執(zhí)行飛行任務(wù)。從管理角度來看，考慮到LSIB飛行控制模塊在整個(gè)飛行控制系統(tǒng)中也起著至關(guān)重要的作用。在正常飛行期間，LSIB飛行控制模塊和命令控制模塊保持心跳關(guān)系，即它們定期相互發(fā)送心跳包。如果控制模塊無法收到飛行控制模塊的心跳包，則考慮到發(fā)生了意外情況，并將執(zhí)行returntoPX4FMU命令，要求無人機(jī)根據(jù)根據(jù)起飛過程中記錄的GPS位置信息自動(dòng)返回至起飛位置?？刂破鞲鶕?jù)GPS信息和事先設(shè)置的命令進(jìn)行順利到達(dá)指定位置。

四、飛行控制模塊工作目標(biāo)

地面站與無人機(jī)之間的無線通信是通過該主題所屬實(shí)驗(yàn)室的無線數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行的。在這種情況下，無線鏈路不僅傳輸飛行任務(wù)數(shù)據(jù)，還傳輸控制指令數(shù)據(jù)以控制空中中繼通信平臺(tái)，因此飛行控制系統(tǒng)必須控制無人機(jī)的飛行命令和控制指令，妥善識(shí)別并處理通信平臺(tái)的控制指令。

在飛行中，飛行控制模塊和命令控制模塊除了傳輸命令數(shù)據(jù)之外，還必須保持一定的相互聯(lián)系，以確保對(duì)方處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)LSIB飛行控制系統(tǒng)模塊的操作出現(xiàn)問題時(shí)，可以由命令模塊檢測(cè)到問題，并且命令模塊可以打開冗余的飛行控制組件，以保證微型無人機(jī)回到指定位置。

五、結(jié)語

緊急救援是最直接、最有效的抗災(zāi)措施。但是地震、洪水、雪災(zāi)等自然災(zāi)害發(fā)生后，通常會(huì)出現(xiàn)交通困難、電力中斷的情況，因此，開展救援行動(dòng)非常困難。此時(shí)，快速建立用于救援行動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)尤為重要。微小型無人機(jī)平臺(tái)的中繼通信技術(shù)具有良好的靈活性，易于實(shí)施并且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)于開展救援工作具有非常重要的幫助。