系留无人机通信问题研究_郎为民.pdf

2023年 第1期0引言系留无人机的前辈是无人直升 机 和 多 旋 翼无人机等飞行器，它有一条与地面电源相连的长尾巴系留线缆，这样系留无人机就彻底告别“电量焦虑症”，可长时间在空中飞行或悬停，7 24 h工作，再也不需要在电量低时降落“充电”“找电源”了1-3。国际标准ISO 24356：2022民用系留无人机系统通用要求规定，系留无人机系统通常包括系留无人机平台、地面设备、任务载荷和数据链等四个部分3。类比于人体，系留无人机平台是系留无人机系统的骨骼，由机体、动力系统、电气系统、飞控与导航系统和电源监控系统等构成，负责支撑系留无人机系统的基本运行；地面设备是系留无人机系统的血液，由地面电源、系留线缆、地面控制单元和收放线装置构成，负责为系留无人机系统持续运行提供保证，让系统时刻处于“打鸡血”的状态；任务载荷是系留无人机系统的四肢，由通信中继、应急通信和图像采集等设备或装置构成，负责完成侦察监视、长时照明、目标搜索、通信中继、应急通信等任务；数据链是系留无人机系统的神经，负责系留无人机系统的数据、指令和情报信息的上传下达4-5。数据链是系留无人机系统的重要组成部分，旨在建立一条双向空地数据传输通道，用于完成地面设备对系留无人机平台的遥控、遥测和任务信息传输。遥控是系留无人机系统的“调度师”，用于实现对系留无人机平台和任务载荷的远距离操作6-7；遥测是系留无人机系统的“晴雨表”，用于对系统状态进行监测；任务信息传输使系留无人机系统不再孤单，成为“社会系统”。1工作频段对于系留无人机系统来说，工作频段就像是车道。系留无人机系统的数据链需要使用无线电资源，不使用对应的工作频段，系留无人机系统就无法“自由飞翔”。目前，全球范围内的系留无人机所用频谱主要集中在C频段（1.02.0 GHz）、L频段（4.08.0 GHz）和UHF（特高频，3003000 MHz）频段，少量系留无人机也使用其他频段。2015年3月10日，工业和信息化部发布了关于 无 人 驾 驶 航 空 器 系 统 频 率 使 用 事 宜 的 通知，将840.5845 MHz、14301444 MHz和24082440MHz频段分配给无人驾驶航空器系统，满足森林防火、应急救灾、科研试验和环境监测等应用需求。系留无人机通信问题研究郎为民，李宇鸽，王振义，邹力，余亮琴（国防科技大学信息通信学院，湖北省武汉市430010）摘要通信链路是系留无人机系统的重要组成部分，旨在建立一条空地双向数据传输通道，以完成地面设备对系留无人机平台的遥控、遥测和任务信息传输。文章描述系留无人机使用的工作频段，按照通信链路和应用场景对无人机通信进行分类，最后介绍遥控、遥测、定位和任务载荷信息传输四种通信类型的系留无人机的主要功能和工作流程。关键词系留无人机；通信；工作频段；任务载荷技 术 交 流基金项目：装备综合研究计划2021年度研究类项目“系留升空中继通信系统组织运用研究”，国防科技大学装备综合保障技术重点实验室基金项目“通信装备智能诊断与故障预测研究”，国家自然科学基金资助项目“节能无线认知传感器网络协同频谱感知安全研究”。12023年 第1期系留无人机系统的上行遥控链路通常使用840.5845 MHz，且系留无人机系统的下行遥测链路可采用时分方式使用841845 MHz；系留无人机系统下行遥测与任务信息传输链路通常使用14301444 MHz频段，视频传输 通 常 使 用14301438MHz频段；系留无人机系统上行遥控、下行遥测与任务信息传输链路的备份频段为24082440 MHz。系留无人机频率划分见表1。2022年11月3日，工业和信息化部无线电管理局再次就 民用无人驾驶航空器无线电管理暂行办法公开征求意见。该办法第2章第4条规定了民用无人驾驶航空器的直连频率，即民用无人机机载电台及与其开展遥测、遥控和信息传输等业务的地面无线电台（站）可 以 使 用 的 频 率，包 括14301444 MHz、24002476 MHz和57255829 MHz三个频段，这些频段同样适用于系留无人机。其中，所谓直连通信，就是系留无人机、地面设备和任务载荷之间不需要基站等基础设施所实现的通信。同时，民用无人机搭载微功率短距离雷达设备时，可使用2424.25 GHz频段来实现避障和探测等功能。此外，民用无人机若使用14301444 MHz频段频率的，应向无线电管理机构申请并取得无线电频率使用许可，按规定办理执照并缴纳频率占用费；民用无人机若使用24002476 MHz和57255829 MHz频段，无需取得无线电台执照。该办法第2章第7条规定了民用无人驾驶航空器的设备搭载问题：在危及国家安全、公共安全和人民生命财产安全等紧急情况下，民用无人机可临时搭载移动通信基站、广播电台、对讲机中继台、雷达等无线电台（站），但应于48 h内向所在地无线电管理机构报告，并在紧急情况消除后及时关闭。2无人机通信类型2.1按通信链路划分国际标准ITU-R M.2171-2009无人机系统特点及其在非隔离空域安全飞行的频谱要求提出PC（有效载荷通信）、CNPC（控制与非载荷通信）两大概念8。PC是指基于任务需求，无人机平台需要及时向包括终端或网关在内的地面设备发送或接收任务相关数据，如高速视频、航空图像和中继数据包；CNPC是指为确保无人机安全、可靠和高效飞行，在无人机平台和地面设备之间完成信息交换的数据链接。对于无人机的大规模部署来说，建立安全可靠的CNPC链路是必不可少的。典型的CNPC信息应该包括：无人机平台到地面设备的遥测数据，如飞行高度和速度；无人机的实时远程指挥控制和常规飞行命令更新，如航路点更新；与导航设备以及感知和规避相关的信息，以确保无人机与附近障碍物、飞行器保持足够的安全距离；空中交通管制信息中继，以确保无人机不会对传统飞行器构成安全威胁，特别是在飞行器密度高的地方。CNPC对数据速率要求较低，但对安全性、可靠性和时延的要求非常高，而有效载荷通信对数据速率的要求更高，特别是对于无人机机载通信速率要求更高，如为支持无人机平台到地面设备的全高清视频传输需要兆级以上的数据速率。图1描述了无人机系统的内部和外部信息交换需求。其中包括：a）支持指挥和控制的无人机系统遥控和遥测控制链路。b）来自导航设备的数据。c）包括天气雷达数据和视频图像在内的感知和规避数据。d）无人机系统的感知和规避链路提供的态势感知监控数据。e）无人机平台与地面设备之间由中继通信实现的空中交通管制话音消息。f）无人机平台与地面设备之间由中继通信实现的空中交通服务数据。参照ITU-R M.2171-2009无人机系统特点及其在非隔离空域安全飞行的频谱要求，对于无人机表1系留无人机频率划分表频段业务840.5845 MHz上行遥控链路841845 MHz时分方式用于上行遥控链路和下行遥测链路14301438 MHz系留无人机系统视频传输24082440 MHz上行遥控、下行遥测与信息传输链路的备份频段技 术 交 流22023年 第1期图1无人机系统的内部和外部信息交换需求图2无人机系统的通信链路技 术 交 流来说，保障无人机安全可靠飞行所需的系统包括指挥与控制、空中交通管制中继以及感知和规避等三种通信链路，如图2所示。指挥与控制链路，是指无人机和地面设备之间为实现飞行管理目标而形成的数据链接，由遥控上行链路、遥测下行链路、助航设置更改和助航显示数据构成。遥控上行链路是指地面设备向飞机发送远程控制命令来对导航设备和飞行设备进行控制所用的数据链接。遥测下行链路是指无人机向地面设备发送诸如飞行状态等遥测数据的数据链接，在特定空域中或在某些飞行条件下，可能还需要用于传输视频的下行链路。空中交通管制中继链路是无人机和地面设备之间为实现空中交通管制信息收发而形成的数据链接，由空中交通管制话音中继和空中交通服务数据中继构成。为了与空中交通管制系统进行通信，无人机使用与有人驾驶飞机相同的设备。对于管制空域的安全管理来说，这些通信非常重要，特别是在飞机密度较高的热点进场区，国际民航组织后续标准对这些通信的要求将是强制性的。感知和规避链路是在所有空域中贯彻“看见并避开”驾驶原则以确保无人机能够避开危险区域或敏感目标而形成的数据链接，由感知和规避目标轨迹数据、机载气象雷达数据和视频（态势感知）构成。在这种情况下，无人机操作手负责确保与附近地形和障碍物的隔离。2.2按应用场景划分按应用场景，无人机系统通信分为无人机测控通信和无人机辅助通信两大类，如图3所示。隔离空域内运行的无人机可只考虑系统本身的通信问题（即无人机测控通信或无人机测控与信息传输系统），主要设备包含用于无人机遥测、遥控、跟踪定位和任务载荷信息传输的整套设备，由数据链和控制站构成。测控是对无人机设备状态和飞行状态的测量与控制；信息传输是指无人机搭载的激光测距、可见光和合成孔径雷达等任务载荷传感器数据的信息传输。无人机辅助通信是指以无人机为承载平台，通过搭载特定通信载荷，实现通信网络的功能拓展与范围延伸，主要包括无人机辅助中继、无人机辅助基站和无人机辅助信息收集与分发等。3系留无人机通信类型数据链是用于系留无人机遥控、遥测、定位和任32023年 第1期图3无人机系统通信的应用场景划分技 术 交 流务载荷信息传输的数据终端和数据通信规程所建立的数据通信网络。按照传输媒介，数据链分为有线和无线两种；按照功能属性，数据链可分为机载数据终端和地面数据终端。3.1遥控通信遥控链路主要担负从地面设备向系留无人机平台发送控制指令和注入数据，通常为单向，地面设备负责发送遥控指令，系留无人机平台接收遥控指令，最终完成对系留无人机飞行状态和机载设备工作状态的遥控。为了提高遥控指令的可靠性，有时需要系留无人机平台将控制指令回传以完成确认。通常，遥控链路采用遥控器通过无线电来控制空中系留无人机平台，主要包含发射器与接收器两部分。遥控器控制杆的位移被转换为控制指令，并通过无线电波发送给空中系留无人机平台，并通过接收无线电波、解调控制杆的读数，将其转换为数字信号，送至机载飞控计算机。遥控器与系留无人机飞行控制器之间的通信协议有很多种，常见的协议包括PWM（脉宽调制）和PPM（脉位调制）等。3.2遥测通信遥测链路为单向链路，主要担负从系留无人机采集无人机自身以及所处环境的重要参数，最终完成对系留无人机飞行参数和机载设备工作状态参数的遥测。遥测链路可传输系留无人机当前的速度、航向、转速、位置等遥测信号，地面设备可基于遥测数据来判断系留无人机系统的工作状态。从指标需求来分析，遥测链路对可靠性和实时性要求较高。3.3定位通信定位链路的基本任务是提供系留无人机的瞬时速度和准确位置等参数信息，向系留无人机提供相对于参考坐标系的位置、速度和飞行姿态，引导系留无人机沿指定航线准确、安全、准时飞行。定位链路用于确认系留无人机的位置，可采用惯性导航、无线电测距测角导航、北斗导航、GPS（全球定位系统）导航等技术，既可以是单向的，又可以是双向的。定位链路的功能包括：获得包括高度、航向、姿态、速度等导航数据；提供满足精度要求的经纬度定位信息；引导系留无人机按规定计划飞行；接收预定任务航线计划的加载，并动态管理任务航线；接收地面设备的导航模式控制指令，可实现预定航线飞行模式与指令导航模式相互切换的功能。3.4任务载荷信息传输任务载荷（有效载荷）是系留无人机平台搭载的、用于完成特定任务的装置或设备，它可极大地扩展系留无人机的应用领域。根据功能类型的不同，系留无人机平台搭载的任务载荷也不尽相同，如军用系留无人机的任务载荷有情报侦察类、通信保障类、电子对抗类、武器弹药类、综合保障类等，民用系留无人机的任务载荷有安防报警类、航拍摄像类、激光测距类、巡检维护类和农林作业类等。任务载荷信息链路为单向链路，负责将系留无人机搭载的任务载荷获取的信息发送到地面设备，如红外系统、电视、合成孔径雷达等设备，所需数据带宽通常较高。数据转发（分发）链路用于转发无人机获取的信息。4结束语在支撑无人机完成飞行任务和载荷任务方面，系留无人机通信系统必不可少，其数据链性能的优（下转第13页）42023年 第1期（上接第4页）劣将会直接影响到无人机的性能。只有当系留无人机通信始终处于良好状态时，系留无人机平台才能实时可靠地接收地面设备发送的指令信息，地面设备才能正确接收系留无人机平台和任务载荷发来的各类数据。随着系留无人机载荷能力的提高、应用范围的扩大、通信技术的迅猛发展，系留无人机开始搭载宽带数据链和卫星设备，以满足其全球范围大容量信息传输需求。参考文献1侯洁明，孙桂祥.系留无人机自动收放线设备设计与研究J.设备管理与维修，2022（1）：126-128.2郑华利，靳朝，雷超.系留无人机通信中继系统作战应用研究J.兵工自动化，2022，41（11）：73-76.3ISO 24356：2022，General requirements for tethered un-manned aircraft systemsS.4王世勇，刘满，倪蜂棋，等.系留无人机视觉定位技术J.兵工自动化，2022，41（11）：77-83.5郎为民，马卫国，赵卓萍，等.系留无人机系统研究J.电信快报，2022（11）：1-6.6郎为民，田尚保，邹力，等.系留升空中继通信系统组网模式研究J.电信快报，2022（2）：1-4.7郎为民，田尚保，李宇鸽，等.升空中继通信系统研究J.电信快报，2022（3）：1-5.8ITU-R M.2171-2009，Characteristics of unmanned aircraftsystems and spectrum requirements to support their safeoperation in non-segregated airspaceS.郎为民（1976），男，研究员，硕士生导师，博士，主要研究方向为智能与无人系统、物联网、云计算和大数据。收稿日期：2021-12-20时器超时后UE将恢复原来的小区配置并发起RRC请求。该值设置过大，可能引起切换失败并无法回退原小区重建连接。4结束语5G移动通信网络中，小区的范围越来越小，5G用户在通话过程中，切换会更加频繁。要想保证通话的连续性并期望得到较高的通话质量，就有必要提高切换的质量。设置合理的切换测量发起门槛，及时发起邻区测量，是高质量切换的前提。针对不同的小区设置恰当的接入门槛，才能保证切换接入的可靠性，同时避免发生乒乓效应。对于不同的小区无线环境、系统环境，亦需配置对应的切换触发事件，才能保证5G及时切换。同时，设置合适的相关定时器，对于切换的可靠实现也具有保证作用。在5G系统中，还引入了INACTIVE（非激活态）状态，实现在celllist（小区列表）范围内的快速接入切换，从而保证了超低时延业务的实现。参考文献1周宏成.5G移动性管理解决方案J.电子技术与软件工程，2017（7）：39-41.23GPP TS 23.500.Technical Realization of Service BasedArchitectureS.2020.3薛晓宇.5G NSA组网下锚点站的选择策略 J.移动通信，2020，44（5）：52-55.4封陆游，高骏远，朱伟，等.中国移动5G SA系统内同频干扰 分 场 景优 化策 略 研究J.江 苏 通 信，2021，37（5）：4-6，19.陈金权（1970），男，副教授，主要研究方向为无线数据、移动计算网络、传输网等。收稿日期：2022-09-19技 术 交 流13