無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)特性分析

摘 要：本文采用系統(tǒng)性試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入分析。試驗(yàn)考察了地形、氣象和電磁3類環(huán)境因素，采用DJI Matrice 300 RTK無(wú)人機(jī)和配套設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，地形因素對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響最顯著，其次是氣象條件，電磁環(huán)境影響相對(duì)較小。城市環(huán)境和雨天條件對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響最大，分別導(dǎo)致信噪比平均下降10.1dB和5.3dB。多因素耦合效應(yīng)分析揭示了環(huán)境因素間的交互作用，例如城市環(huán)境下雨天條件對(duì)信號(hào)的負(fù)面影響更嚴(yán)重?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出了針對(duì)性的信號(hào)優(yōu)化策略，為提高無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和效率提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)；信號(hào)穩(wěn)定性；復(fù)雜環(huán)境；試驗(yàn)分析；干擾因素

中圖分類號(hào)：TP 181" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在工業(yè)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，復(fù)雜多變的實(shí)際環(huán)境對(duì)其信號(hào)穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。地形起伏、惡劣天氣和電磁干擾等因素均會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸造成不同程度的影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性和效率。為此，本文采用系統(tǒng)性試驗(yàn)，深入分析這些環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性的影響機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的優(yōu)化策略。主要目標(biāo)包括量化評(píng)估各環(huán)境因素的影響程度，構(gòu)建信號(hào)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的抗干擾技術(shù)，期望能夠提高無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作效能，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用提供有力支持。

1 研究目的

無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)中具有越來(lái)越重要的作用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。然而，復(fù)雜多變的實(shí)際環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，影響了系統(tǒng)的可靠性和效率[1]。地形起伏、惡劣天氣和電磁干擾等因素都會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸造成不同程度的影響。本研究旨在利用系統(tǒng)性試驗(yàn)，深入分析這些環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性的影響機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的優(yōu)化策略。研究目標(biāo)包括量化評(píng)估各環(huán)境因素的影響程度，構(gòu)建信號(hào)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的抗干擾技術(shù)，最終提高無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作效能，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用提供有力支持。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

本試驗(yàn)采用因子分析法，將影響無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性的環(huán)境因素分為地形、氣象和電磁3類。在每類因素中，選取3個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試[2]。地形因素包括平地、丘陵和城市環(huán)境；氣象因素包括晴天、雨天和大風(fēng)天氣；電磁因素包括工業(yè)區(qū)、高壓線路和通信基站附近。試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交表L9（34），共進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，以保證數(shù)據(jù)可靠性。信號(hào)穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)選用信噪比（SNR）、誤碼率（BER）和信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)配置

試驗(yàn)將DJI Matrice 300 RTK無(wú)人機(jī)作為主要測(cè)試平臺(tái)，配備32.26cm（12.7inch）螺旋槳，最大起飛質(zhì)量9kg，續(xù)航時(shí)間約55min[3]。通信系統(tǒng)使用DJI Lightbridge 2，工作頻段為2.4GHz和5.8GHz，最大傳輸距離8km。為模擬實(shí)際巡查任務(wù)，無(wú)人機(jī)搭載了30倍光學(xué)變焦相機(jī)和熱成像儀。地面站配備高性能工作站和16dBi全向天線，用于數(shù)據(jù)接收和實(shí)時(shí)分析。為了精確定位無(wú)人機(jī)位置，試驗(yàn)使用Trimble R10 GNSS接收機(jī)，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括Kestrel 5500氣象站（測(cè)量溫度、濕度和風(fēng)速）和Narda SRM-3006選頻輻射計(jì)（測(cè)量電磁場(chǎng)強(qiáng)度）。無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性試驗(yàn)流程如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集與分析方法

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)航線飛行，每隔10s記錄一次完整的數(shù)據(jù)集，包括GPS坐標(biāo)、高度、速度、信號(hào)強(qiáng)度和誤碼率等[4]。每次試驗(yàn)持續(xù)30min，共采集180個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。地面站實(shí)時(shí)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)分析采用MATLAB R2021b軟件。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除異常值（超過(guò)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）。其次，使用多元回歸分析方法，建立環(huán)境因素與信號(hào)穩(wěn)定性指標(biāo)間的關(guān)系模型。模型的擬合優(yōu)度（R2）為0.85以上。環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性的影響分析見(jiàn)表1。

3 復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1 地形因素試驗(yàn)

地形因素試驗(yàn)在平地、丘陵和城市3種典型環(huán)境中進(jìn)行。平地環(huán)境選擇開(kāi)闊草原，丘陵環(huán)境為起伏約50m～100m的山地，城市環(huán)境為高樓密集區(qū)[5]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，平地環(huán)境下信號(hào)最穩(wěn)定，平均信噪比（SNR）為25.3dB，誤碼率（BER）僅為1.5×10-6。丘陵環(huán)境次之，SNR降至18.7dB，BER增至4.2×10-6。城市環(huán)境對(duì)信號(hào)影響最大，SNR降至15.2dB，BER升至7.8×10-6。由頻譜分析可知，城市環(huán)境中存在明顯的多徑效應(yīng)，信號(hào)反射和散射嚴(yán)重。比較不同高度的數(shù)據(jù)可知，在城市環(huán)境中，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行高度從50m提升到100m時(shí)，SNR平均提高3.5dB，表明增加飛行高度能夠在一定程度上改進(jìn)信號(hào)質(zhì)量。

3.2 氣象條件試驗(yàn)

氣象條件試驗(yàn)針對(duì)晴天、雨天和大風(fēng)天氣進(jìn)行。晴天試驗(yàn)在溫度25℃、相對(duì)濕度40%的條件下進(jìn)行；雨天試驗(yàn)在降雨強(qiáng)度20mm/h的環(huán)境中進(jìn)行；大風(fēng)天氣試驗(yàn)在風(fēng)速為10m/s的條件下進(jìn)行。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，晴天條件下信號(hào)最穩(wěn)定，平均SNR為24.8dB，BER為1.8×10-6。雨天條件對(duì)信號(hào)影響最大，SNR降至19.5dB，BER增至5.6×10-6。大風(fēng)條件下，SNR為21.3dB，BER為3.7×10-6。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雨天條件下，信號(hào)衰減與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，降雨強(qiáng)度每增加5mm/h，SNR平均下降1.2dB。在大風(fēng)條件下，無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性下降是導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)的主要原因，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增至10m/s時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差增加了2.1倍。氣象條件對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

3.3 電磁環(huán)境試驗(yàn)

電磁環(huán)境試驗(yàn)分別在工業(yè)區(qū)、高壓線路附近和通信基站周邊進(jìn)行。工業(yè)區(qū)電磁場(chǎng)強(qiáng)度平均為2.5V/m，高壓線路附近為3.8V/m，通信基站周邊為4.2V/m。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通信基站周邊的電磁干擾對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性影響最大，平均SNR僅為16.4dB，BER高達(dá)8.2×10-6。工業(yè)區(qū)和高壓線路附近的影響相對(duì)較小，SNR分別為17.6dB和20.1dB，BER分別為6.3×10-6和4.5×10-6。頻譜分析表明，通信基站周邊2.4GHz頻段存在明顯的干擾信號(hào)，峰值功率密度比背景噪聲高15dB。將無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的工作頻段從2.4GHz調(diào)整到5.8GHz，在通信基站周邊環(huán)境中，SNR提升了3.8dB，BER降低了40%，證實(shí)了頻段選擇對(duì)抗電磁干擾的有效性。電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 各環(huán)境因素對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響程度

本文對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析（Analysis of Variance，ANOVA），量化了各環(huán)境因素對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響程度。結(jié)果顯示，地形因素的影響最顯著，F(xiàn)值為28.6（plt;0.001）。其中，城市環(huán)境導(dǎo)致信噪比（SNR）比平地環(huán)境平均下降10.1dB。氣象條件次之，F(xiàn)值為19.3（plt;0.001）。雨天條件使SNR比晴天條件平均降低5.3dB。電磁環(huán)境的影響相對(duì)較小，F(xiàn)值為12.7（plt;0.01），但是在通信基站周邊，仍然觀察到SNR平均下降8.4dB。進(jìn)一步的多元回歸分析表明，這3類因素共同解釋了信號(hào)穩(wěn)定性變異的82.5%，剩余的17.5%可能源于設(shè)備誤差和其他未考慮，因素。

4.2 信號(hào)衰減與干擾模式分析

本文對(duì)信號(hào)強(qiáng)度隨距離變化的回歸分析，揭示了不同環(huán)境下的信號(hào)衰減模式。在平地環(huán)境中，信號(hào)衰減符合自由空間路徑損耗模型，衰減指數(shù)n=2.1，與理論值2.0較接近。然而，在城市環(huán)境中，n值增至3.8，表明信號(hào)衰減速度顯著加快。頻譜分析顯示，城市環(huán)境中存在明顯的多徑效應(yīng)，本文在主信號(hào)0.5MHz帶寬內(nèi)觀察到平均7.2個(gè)反射信號(hào)峰。對(duì)于氣象影響，在雨天條件下，每增加1mm/h的降雨強(qiáng)度，信號(hào)額外衰減0.24dB/km。在電磁干擾方面，通信基站周邊2.4GHz頻段的底噪比其他環(huán)境高5dB～8dB，并且存在間歇性的強(qiáng)干擾信號(hào)，峰值功率密度比底噪高18dB。

4.3 多因素耦合效應(yīng)討論

為了研究環(huán)境因素的耦合效應(yīng)，本文采用主成分分析（PCA）和交互項(xiàng)回歸分析。PCA結(jié)果顯示，前2個(gè)主成分解釋了總方差的76.3%，其中第一主成分（解釋54.2%的方差）主要由地形和電磁因素構(gòu)成，第二主成分（解釋22.1%的方差）主要與氣象條件相關(guān)。由交互項(xiàng)回歸分析可知，地形與氣象因素間存在顯著的交互作用（β=0.37，plt;0.01）。具體來(lái)說(shuō)，在城市環(huán)境下，雨天條件對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的負(fù)面影響比平地環(huán)境大1.8倍。同時(shí)，地形與電磁因素的交互也較顯著（β=0.29，plt;0.05），在通信基站密集的城市區(qū)域，信號(hào)質(zhì)量劣化程度超過(guò)了單獨(dú)考慮這2個(gè)因素時(shí)的疊加效果，SNR額外下降了2.7dB。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)性試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析揭示了復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明，地形因素，特別是城市環(huán)境，對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響最顯著。在氣象條件中，雨天對(duì)信號(hào)質(zhì)量的負(fù)面影響最大。電磁環(huán)境雖然影響相對(duì)較小，但是其在通信基站周邊仍然會(huì)導(dǎo)致明顯的信號(hào)劣化。多因素耦合效應(yīng)分析揭示了環(huán)境因素間的復(fù)雜交互作用，強(qiáng)調(diào)了在實(shí)際應(yīng)用中考慮多重環(huán)境影響的重要性?；谶@些發(fā)現(xiàn)，本文提出了一系列針對(duì)性的信號(hào)優(yōu)化策略，包括自適應(yīng)功率控制、動(dòng)態(tài)頻率選擇等。這些研究成果為提高無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和效率提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)，有望推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展。

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