无人机信号传输中断解决方案探究范文

《测绘与空间地理信息杂志》2016年第9期

摘要:

在福建地区从事无人机低空数码航空摄影测量项目时，我们发现数传电台信号中断是无人机飞行的一个重大安全隐患。如不能实时掌握无人机飞行动态，出现异常状况时不能第一时间处理，极有可能出现安全事故，造成重大损失。本文通过具体案例说明，提出无人机信号传输中断的解决方案。

关键词:

无人机;信号;电台

0引言

随着国家测绘地理信息局对无人机低空数码航空摄影测量技术的大力推广，无人机低空数码航空摄影获取的高分辨率影像满足了城市规划、城市建设、农田水利建设、基础设施建设、国土监察等方面数据更新的需求，尤其在重大自然灾害和公共事件灾害的应急测绘保障服务中发挥了重大作用，无人机低空航测系统越来越受到各级领导的关注。作为一项方兴未艾的新技术，今后必定会发挥越来越大的作用，应用领域也会更为广泛。然而在使用过程中，如何保证无人机航测系统的安全飞行，是不容忽视的重要问题。本文就生产实践中的具体案例，对无人机信号传输中断解决方案进行了初步探讨。

1影响无人机信号传输原因分析

一个完整的无人机航摄系统是由飞行平台(即无人机)、飞行导航与控制系统、地面站监控系统、影像传感器、数据通讯系统、发射与回收系统和地面保障系统组成，其中数据通讯系统是由无人机机载电台、地面站电台和天线等设备构成。无人机地面站利用数据通讯系统在起飞前将规划好的飞行计划传送到飞行控制器中，并在整个飞行过程中实时接收飞机的各项飞行姿态数据，查看飞机是否按照预定的航摄计划飞行。福建省地形条件复杂，呈典型多丘陵地貌，在福建省内从事无人机航摄往往受到诸多限制，由于受到地形条件、天气条件、高压电塔干扰、其他无线电台干扰等影响，无人机电台与地面站电台之间的信号传输距离和北方平原地区相比大大缩短。同样的通讯装备，在北方平原地区，信号传输距离会达到20km以上，最远的达到50km，而在福建地区，信号传输距离在5～10km之间，有些区域甚至超过1km就通讯中断。在通讯中断没有信号掌握无人机飞行实时动态的情况下飞行，行业内称之为无人机“盲飞”，“盲飞”时无人机在航摄过程中一旦出现异常情况，便无法在第一时间采取相应处理措施，极大地增加了飞行的不确定性和危险性。

2解决方案

福建省测绘院自2010年开始从事无人机低空数码航空摄影测量，每年航摄数百个架次，在无人机飞行方面具有丰富的经验，针对无人机信号传输中断问题，制定了两种切实可行的解决方案。

1)双地面站模式

在无人机起降点架设一台监控地面站，称之为“主地面站”，由“主地面站”上传航线，并监控无人机起飞、盘旋、往返测区飞行;在测区内或附近架设另一台监控地面站，称之为“从地面站”，无人机飞行至测区后，由“从地面站”实时监控无人机飞行状况，当出现异常现象时，由“从地面站”操控无人机返回起飞点或在测区附近迫降，原理如图1所示。2015年5月航摄闽清县东桥镇，因测区附近无起飞场地，故从闽侯白沙镇起飞，飞行高度为900m，起飞点和测区中间有1180m的高山，为安全飞行，在闽清县县城附近设计了航线拐弯点。因起飞点离测区距离为28km，而且测区周围均为高山，信号传输肯定有影响，为避免意外情况发生，机组人员经协商决定采取双地面站模式。“主地面站”设置在起降点———闽侯县白沙镇，“从地面站”设置在东桥镇。项目执行过程中，“主地面站”无信号后，“从地面站”随即接收到无人机信号，很好地保证了全程都有信号实时监控无人机的飞行状况。

2)信号中继模式

通过增加具有一定高度的信号中继设备来解决信号被遮挡问题。考虑到中继设备的灵活性和方便性，可在备用无人机上架设信号中继设备，在起飞点附近区域的高空盘旋，实现无人机与地面站之间信号实时传输。信号中继设备很大程度上扩大了通讯的范围，尤其适用于福建省内多山、多干扰的环境，在无人机起飞点架设信号中继设备使得机组人员在同一地点便可安全完成航摄任务，方便了机组人员之间的沟通。因备用无人机只是作为信号中继器的搭载平台，只需要采用小型电动固定翼或多旋翼无人机便可胜任。在执行航摄作业前，将信号中继设备安装在备用小型无人机上，执行航摄作业的无人机飞往测区后，备用无人机起飞并在起飞点附近区域盘旋，根据无线信号传播的特性，在飞行至一定高度时，信号的传输基本处于同一水平面，周围障碍物对信号的遮挡大幅减小，大大增加了传播距离。电动小型无人机续航时间一般为20～30min，而油动作业无人机续航时间一般在1h以上甚至更长，但是由于电动小型无人机的便利性，可在10min内完成小飞机的回收、电池更换、起飞等工作，因此，基本可以保证全程监测作业，无人机原理如图2所示。此外，亦可根据不同实际情况，合理安排航飞计划，根据经验值尽量在信号传输的安全距离内更换电池，以保证备用小无人机续航。

3结论

福建省测绘院在实施无人机航摄时，先后多次试验了两种方案，两种方案的优缺点总结如下:

1)双地面站模式

双地面站模式比较简单，容易操作，在发生比较严重的突发状况时(如无人机持续降低高度，无法返回起飞点降落)，可由“从地面站”监控人员采取在测区附近迫降的方式，将第三方损失降到最低。但也存在较为明显的缺点:①在某些特殊地形的测区，单兵地面站也不一定能够做到信号全覆盖，需要单兵地面站人员在测区内某个制高点上设站，但不一定有路通到山顶制高点，如果只在半山腰的话需要考虑到周围树木遮挡信号的问题，这就增加了难度，而且也给单兵地面站人员增加了一定的危险性;②存在沟通不畅现象，当出现突发情况时，不能形成统一意见;③需分配人员至测区内或附近，增加了人员投入，并且降低了工作效率。

2)信号中继模式

信号中继模式是将地面站提高至作业无人机相对的高度，能很好地解决地形因素导致的信号传输受损情况，大大提高信号传输距离。其缺点:①如由飞控手操控中继无人机在起飞点长时间盘旋，会影响飞控手对作业无人机的降落操控，如在中继无人机上增加自驾仪，则增大了投入，应考虑在中继无人机上增加简易飞行控制器和OSD设备，以较小的投入达到期望的效果;②不能很好地解决因电磁干扰导致的信号传输受损情况。两种模式，具有各自的优缺点，应因地制宜、因时制宜，灵活机动地采取其中一种模式。无人机的飞行，存在太多的偶然性和不确定性，截止到目前，仍然没有哪种方式能称得上绝对地好，在今后无人机航摄工作中，福建省测绘院将会一如既往地深入研究、解决信号传输中断问题。

4结束语

福建省测绘院在近几年的项目执行过程中，先后多次使用了两种模式，保障了无人机的安全飞行。本论文旨在抛砖引玉，希望无人机厂家或用户能更好地解决无人机飞行过程中的信号中断问题。

参考文献:

［1］崔洪霞，林宗坚，孙杰．无人机遥感监测系统研究［J］．测绘通报，2005(5):11－14．

［2］李兵．无人机摄影测量技术的探索与应用研究［J］．北京测绘，2008(1):1－3．

［3］郑团结．无人机数字摄影测量系统的设计和应用［J］．计算机控制与测量，2006，14(5):613－615．

［4］国家测绘局．低空数字航空摄影规范［S］．北京:测绘出版社，2003．

作者:张永年 单位:福建省测绘院