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1、系留式无人机应急平台搭建及测试卢洪涛;黄毅华;陈玥【摘 要】描述运营商在系留式多旋翼无人驾驶飞机的基础上,搭载多种应急通信设 备和辅助设备,结合地面传输和动力设备,搭建系留式无人机应急平台.重点分析了飞 行平台选取和搭载设备,对设备进行现场测试,验证了平台的性能、功能和可靠性.期刊名称】广东通信技术年(卷),期】2018(038)012【总页数】5页(P13-16,20)关键词】 系留式无人机应急平台;测试;运营商 【作 者】 卢洪涛;黄毅华;陈玥【作者单位】 中国电信股份有限公司广东研究院;中国电信股份有限公司广州研究 院;中国电信集团正文语种】 中 文1 引言通信运营商承担着保障国家应急通
2、信的责任，目前国内三大主流通信运营商都组建 了应急通信保障队伍，准备应急通信装备，其中包括应急通信车，车辆安装有升降 桅杆安装应急通信基站天线，实现应急场景下的移动通信覆盖桅杆的最大升降高度 为 15 米。受限于桅杆高度，应急通信车的覆盖范围也受限。如能使用高度更高的 平台安放基站和天线，可以有效提高覆盖范围。本文针对空中平台等多项技术进行 对比分析，提出使用系留式无人机的技术方案搭建无人机应急平台，对该平台进行 测试。2 应急通信对飞行平台的要求 应急通信对飞行平台的要求包括几个方面，（1）续航时长长：由于应急通信场景 的需要，续航时间越长越好，基本要求是需要在 20 小时以上；（2）快速反
3、应： 由于应急通信事件的突发性，需要在出现突发情况时在尽量短的时间开始运作； （3）运输便利：由于应急事件发生的地点不确定性，需要在短时间内将设备运输 的突发事件发生地点；（4）搭载设备多：由于应急通信需求的复杂性，需要平台 有较大起飞重量，可以搭载多种应急通信设备；（5）具备悬停能力；（6）经济 性好：为减少运营成本，平台运营的经济性也需要考虑。3 主流飞行平台技术适应性分析平台的选择可以根据有轻于空气与否分为两大类，轻于空气的平台是气球和飞艇， 重于空气的平台是飞机。飞机平台按操控方式可以分为固定翼飞机和旋翼飞机，飞 机平台还可以分为有人驾驶飞机和无人驾驶飞机。气球是没有动力装置的，升空后
4、可随风飘动或根据需要被系留在固定的位置上。而 飞艇则装有发动机、螺旋桨等动力装置，且飞行路线可以控制。轻于空气的气球和 飞艇又称为浮空器，系留式浮空器是由缆绳拴系固定的浮空器，依靠气囊内的气体 产生的浮力、气动升力、整体的重力以及缆绳的拉力处于动态平衡的状态，若用综 合缆绳代替普通缆绳还可以进行信号传输和用电供给，使得系留浮空器可以在空中 特定范围内实现定高度、长时间驻留。将无人驾驶飞机和系留综合缆绳结合起来实现系留式无人驾驶飞机，系留式无人驾 驶飞机通过综合缆绳传输电能和信号，其结构大小、制作材料可以根据应用需求来 设计不会受到较大限制，且机动性能强。4 飞行平台技术适应性分析从应急通信的需
5、求进行分析，从第一个条件续航时长来判断，有人驾驶飞机和飞艇 由于考虑驾驶员的因素，续航时长受限，气球和无人驾驶飞机均可以满足续航时长 长的要求。采用系留技术，将电动力通过复合系留电缆从地面送至在一定高度的无 人驾驶飞机，理论是续航时长可以超过24 小时甚至更长。从第二个因素考虑，飞 艇和气球需要在使用前充入比空气轻的大量气体，可以是惰性气体或者氢气。氢气 由于存在危险性，一般使用的是惰性气体。充气需要大量的准备时间，从反应速度 上来看，不是一个好的选择。固定翼飞机和旋翼飞机中，固定翼飞机需要跑道滑行 起飞和降落，需要有合适的场地。旋翼飞机的起降条件限制最少，可以在平整场地 垂直起飞和降落，反应
6、时间最短。第三个因素分析，飞艇和气球如果需要达到一定 的载荷，体积方面必然需要大体积，在运输方面会受限。固定翼飞机和旋翼飞机， 在运输方式上面相对比较便利。第四个因素中，理论上每种平台均可以实现大载荷， 但是在目前建造水平下相同的载荷，气球和飞艇的结构更简单。第五个因素中，固 定翼飞机无法实现垂直悬停，气球、飞艇和旋翼飞机均可实现垂直悬停。最后的经 济性因素，气球和飞艇所需的惰性气体，目前无法回收，每一次使用的成本都很高。 固定翼飞机和旋翼飞机采用油或电作为动力。电动力的经济性更好，使用更方便， 可维修性更佳。从以上多个因素分析，采用无人驾驶系留式旋翼飞机比较适合搭建空中平台。旋翼 飞机包括直
7、升机和多旋翼机，多旋翼飞机和直升飞机相比，具有结构简单，操纵便 利，可靠性高，造价低，后勤维护难度低的特点，目前市场上缺乏系留式技术的无 人直升机。综上所述，无人驾驶系留式多旋翼飞机是现阶段合理选择。5 系留式无人机平台搭载设备 根据应急通信的需求，搭载在系留式无人机平台（下文简称平台）上的设备，可以 实现移动通信网络覆盖、空中无线中继、图像采集、应急照明、应急喊话等功能。 为实现上述功能，需要搭载相应的设备。如图 1 所示是平台搭载移动通信基站RRU的示意图。图1平台搭载基站RRU组网示意图5.1 平台搭载一体化基站应急覆盖测试组网平台搭载小型化-TDD-LTE基站，设备内置全向天线，双发双
8、收，支持2 600 MHz频段。设备可独立组网或接入大网，支持有线网口/光口和LTE中继接入。 平台通过光电复合线缆从地面获得源源不断的电力供应，同时通过光电复合线缆中 的光纤进行通信传输。信号经过地面起降平台传送至核心网，图2和图3分布为 一体化基站和组网图。5.2平台搭载基站RRU设备组网图2 一体化基站图3 平台搭载一体化基站组网图图4基站RRU设备图5平台搭载基站RRU组网图平台搭载FDD-LTE基站RRU，设备内置定向天线，双发双收，支持2 100 MHz 频段。平台搭载RRU设备升空，通过光电复合线缆从地面获得源源不断的电力供 应，同时通过光电复合线缆中的光纤进行通信传输。信号经过
9、地面起降平台传送至 地面光电站，随后信号从地面光电站经地面BBU设备接入核心网。图4和图5分 别为RRU设备和组网图。5.3 平台搭载自组网电台组网平台搭载自组网电台，设备可外接天线，支持1.0-5 GHz , 340-470 MHz频段。 使用直流12-14 V供电。可以组成16个电台的自组织、自愈合的网状网络。平 台搭载的自组网电台可以与地面多个自组网电台组网，传输语音、数据。图6和 图7分别是自组网电台和组网图。图6 自组网电台图7 平台搭载自组网电台组网图5.4 平台搭载其它设备平台还可以搭载应急照明设备和应急喊话设备。实现应急场景下的照明和喊话。图8为照明和喊话设备。图8 照明和喊话
10、设备6 现场测试环境及测试组网测试在广东电信机动通信基地及广东电信卫星中心基地进行，基地位于广州市天河 区，属于丘陵地貌。广东电信机动通信基地（下文简称为机动局）及广东电信卫星 中心（下文简称为卫星中心）为本次平台起飞地点。测试组网情况见上文1、2和 3章节（如图9所示和10所示）图9 测试区域卫星图图10 测试区域地形地貌7 现场测试结果及分析7.1 平台搭载一体化基站测试平台搭载TDD-LTE体化基站进行覆盖测试，飞行高度分别为50米、60米、70米、80米和100米。基站采用全向天线。测试现场距离飞行地点东西向和南北向 各有两条道路。往南北两个方向测试为建筑阻挡导致覆盖距离比较近，往东西
11、方向 测试是广汕路。除50米飞行高度对南北向道路进行测试，验证南北向传播环境 较差后。60、70、80和100米飞行高度测试均只对东西向道路进行测试。各项指标通过采样点统计得出，通过各项指标对比无人机升空80米各项指标都比 较好，不同飞行高度下，高度80米下运营商定义的有效覆盖距离最好，无人机升 空100米下，RSRP覆盖距离最远，但是测试过程中基站信号有中断，信号不稳 定。下载覆盖距离小于1 000米。详细指标见表1。综合RSRP、SINR和下载速率分析，无人机升空高度80米搭载一体化基站可以达到最好的覆盖效果。表1平台搭载一体化基站覆盖测试结果飞行高度（米）平均RSRP （ dBm ）平均
12、 SINR（dB）速率（Mbit/s）RSRP覆盖有效距离RSRP覆盖最远距离（米）SINR覆盖 距离（米）下载覆盖距离（米）50 -105.78 14.39 0.78 720 1000 1000 1000 60 -94.16 20.18 4.72 650 950 1000 600 70 -94.42 20.94 4.97 820 1000 1000 1000 80 -98.12 20.14 3.57 1000 1000 1000 1000 100 -100.68 17.03 1.08 530 1200 1410 6007.2平台搭载基站RRU测试搭载华为FDD-LTE小型化RRU进行覆盖测试
13、，平台需要使用两套系留电缆分别 为无人机和RRU供电，RRU重量较大，平台最大飞行高度为68米。测试采用30 米、60米和68米3种飞行高度，基站采用内置定向天线进行覆盖，机械下倾角 度小于3。测试现场距离飞行地点东西向和南北向各有两条道路。30米和60米 高度测试东西方向道路。南北向道路进行了60米和68米的测试。经过对比测试，平台搭载FDD-LTE基站，基站使用内置定向天线，下倾角度小于 3时，飞行高度在60米覆盖效果最佳。受限于平台载荷能力，无法测试更高的飞 行高度。测试采用的是RRU内置的定向天线，现场的无线传播环境也对测试结果 有一定影响。在现网有周边基站同频覆盖的影响下，根据运营商
14、覆盖率的定义，最 大覆盖距离为843米。7.3 平台搭载自组网电台测试 平台分别在机动基地和卫星中心升空。详细测试结果如表2所示。7.4 无人机平台测试7.4.1 长时间飞行测试为验证无人机长时间飞行能力。开展了24小时长时间不间断飞行测试。测试情况 如表3所示。7.4.2 断桨保护测试 为验证无人机六轴飞行保护功能，开展断桨模拟测试，验证在有一个电机或螺旋桨 失效的情况下，无人机能否正常降落。测试通过。测试情况如表4所示。7.4.3 载重测试 为验证平台装载不同重量和类型设备的能力，开展载重测试。测试验证平台最大装 载重量为6.6 kg，最大起飞重量为25.5 kg，最大飞行高度为120米。
15、详细测试 情况如表5所示。表2平台搭载自组网电台覆盖测试结果无人机升空高度（米）无人机升空地点自组网电台距离（米）平均时延（单位：ms ）平均速率（单位：Mbit/s ）是否视距 是否遮挡50 35 8.8 Y N 100 4 8.8 83 4 8.8 198 35 7.6 220 33 7.2 219 4 8.8250 40 6.8 766 65 2.24w 775 45 1.36 60 207 16 8.8 Y Y 662 42 2.4 30 Y Y 卫 星中心100 6 7.28 Y N 150 4 7.04 641 32 4.8 200 8 4.8 364 10 4.8 100 Y Y
16、 415 13 3.7 429 10 4 532 15 3.6 60 机动基地 627 65 1.6 Y Y 98 86 1.68 表3平台长时间飞行测试结果测试项目挂载设备挂载设备重量（kg ）飞行留空时 间（小时）飞行高度（米）系留线重量（kg ）起飞重量（kg ）连续飞行自组网电 台 1.5 24小时连续不间断飞行15米 0.385 17.885 表4平台断桨保护测试结果测试项目 挂载设备挂载设备重量（ kg ）起飞重量（kg ）断桨保护自组网飞行留空时间（小时）飞行高度（米）系留线重量（kg ） 电台 1.5 模拟空中一轴故障 50 1.25 18.757.5 平台应急照明测试平台搭载探照灯进行测试，测试项目包括不同距离下探照灯的亮度。测试还包括一 定飞行高度下最合适的探照灯光圈大小。探照灯的光照度伴随距离的变化，
