无线网络技术—无人机通信技术

无人机全称“无人驾驶飞行器”，（Unmanned Aerial Vehicle）英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人类完成空中作业。随着无人机研发技术逐渐成熟，制造成本大幅降低，无人机在各个领域得到了广泛应用，除军事用途外，还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域，且其适用领域还在迅速拓展。进入21世纪，随着轻型复合材料的广泛应用，卫星定位系统的成熟，电子与无线电控制技术的改进，尤其是多旋翼无人机结构的出现，整个无人机行业进入快速发展阶段。

一、无人机结构组成

        A.机架机身

　　无人机的机架机身指无人机的承载平台，一般选择高强度轻质材料制造，例如：玻纤、玻纤维、ABS、PP、尼龙、改性塑料、改性PC、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上面，支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。优秀的无人机机架设计可以让其他各个元器件安装合理，坚固稳定，拆装方便。

　　B．动力系统

　　无人机动力系统，就是为无人机提供飞行动力的部件，一般分为油动和电动两种。电动多旋翼无人机是最主流的机型，动力系统由电机、电调、电池三部分组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合电池，由于一些客观原因，传统每300g锂电池，可以为无人机500g（含电池）自重，提供17分钟飞行时间。氢燃料电池、太阳能电池等受制于现有的技术水平和成本，暂时还无法普及。无人机主要在露天作业，对电机、电调系统的稳定性要求较高，需要定期进行检查、保养、防水、防潮。

　　C．飞控系统

　　飞控系统就是无人机的飞行控制系统，不管是无人机自动保持飞行状态（如悬停）还是对无人机的人为操作，都需要通过飞控系统对无人机动力系统进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行导航功能以外，还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心，主要包括飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多部件组成。

　　D．遥控系统

　　无人机遥控系统，主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台，接收器接到遥控器信号进行解码，分离出动作信号传输给伺服系统，伺服系统则根据信号做出相应的动作。

　　E．辅助设备系统

　　辅助设备系统，主要包括无人机外挂平台简称云台，外挂轻型相机，无线图像传输系统。云台是安装在无人机上用来挂载相机的机械构件，能满足三个活动自由度：绕X、Y、Z轴旋转，每个轴心内都安装有电机，当无人机倾斜时，会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力，防止相机跟着无人机“倾斜”，从而避免相机抖动，云台对于稳定航拍来说却起着非常大的作用。外挂轻型相机，主要为体积重量小巧，高清晰度相机。无线图像传输系统，在无人机航拍时候，将天空中处于飞行状态下无人机拍摄的画面，实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备，优秀的无线图像传输系统具备传输距离远、传输稳定、图像清晰流畅、抗干扰、抗遮挡、低延时等特性。

二、无人机应用构想

1.1 无人机网络中心站的通信中继站

1） 具体使用构想

无人机不仅可以用于侦查，还可以作为通信平台，与卫星通信平台相比，系统构筑简单，高速、低滞后通信能力。举例使用如下：

有效利用通信数据链等高速通信能力的因特网架构；

宽带存取点；

与雷卡西通信系统等联络的通道；

链接探测器、信息处理系统等的网络；

取代战区卫星通信；

2） 重要技术

作为实现上述使用构想的技术列举如下：

软件可编程网络节；

多波束天线；

小型，质量轻

低功耗实现

安全可靠性

网络管理简化

网络修复

伴有认证的自动网架构筑

无接点增强

链接稳定

为满足上述要求，必须努力开发新技术，2003年1月，美国某公司与该国空军共同进行了利用全球鹰无人机向监视、共计雷达系统和地面部队发送图像信息实验，在这方面的通信研究开发还在进行。

1.2 据德国某公司介绍，在欧洲也有上述美国的开发动向，以下具体介绍将无人机系统作为通信系统应用的构想，当然在实现过程中技术和政策上还有相当的困难。

1） 无人机作为通信系统利用的波段---视距状态的空地直接链路。中远距离：C/X波段；中近距离：KuKa波段。虽然频率高，电波的空中传输损失越大，但利用同样规模的指向性天线可以利用指向性增益。而在低频区，电波混杂程度不断增大，这是一个需要解决的问题。

在无人机之间采用Ku波段和Ka波段（高空），高度越高，即便采用高频，为减少损失，也必须选择适当的频率，在使用双向指向性天线的远距离通信中继中，如果与空地链路的频率不同，也会有相当的技术问题。而且由于无人机上上装备天线等的能力有限，同样限制了传输距离和速度，在双向传输中的指向性天线的控制功能，以及与中继机的通融性即加入和脱离通信系统等功能方面还有很多必须解决的问题。

2） 战术无人机的数据链参数

现在水平：100Mbps/150km

将来水平：50Mbps/200km

开发目标：10/50/137/274Mbps/400Km

3） 调制方式

正交频率分割多路传输（OFDM）的采用

这种方式主要用于地面波数字电视、广播等，用于移动通信时其衰减很强，目前必须在发射功率非常充裕的状态下使用，而机载发射机体积大，价格高，所以在远距离传输系统和小型无人机系统上应用时必须进行充分探讨。

4） 通用性

根据使用要求，必须以成像系统标准通用数据链为依据进行设计，基本波段元件要是先软件化。

三、无人机技术现状

       续航

　　市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20分钟至30分钟之间。因无人机技术方案不同，续航时间有所差别，无人机需要尽可能减轻起飞重量，所以无法携带较重的大容量电池，大多数无人机维持二十分钟有效飞行之后，就必须更换电池或者插上充电线。无人机电池充电时间，一般每次一个小时以上。这是无人机一个致命的短板，大大限制了行业的快速良性发展，解决无人机电池续航能力迫在眉睫。

　　通信系统

　　无人机通信系统，目前主要使用900MHz、1.4GHz、2.4GHz无线电频段，其中1.4GHz主要作为数据通讯频段，2.4GHz主要作为图像传输频段，900MHz不建议使用。工信部已经制定无线电相关使用准则，规范无人机行业的无线电频段使用。公共无线电通信链路，抗干扰能力弱，尤其是同频干扰无法避免。只需采用几种特殊干扰方法，就可以实施对无人机指定无线电频段的定向干扰，今年五一西安无人机编队表演异常就是通信信号干扰造成的。随着无人机的数量指数级增长，无人机通信系统干扰的问题，将日渐突出。

　　定位导航

　　无人机系统的定位导航，普遍采用GPS和北斗双模模式。GPS定位分为码定位和载波定位，码定位速度快，一般民用精度为3-10米，军用精度为0.3米；载波定位速度慢，不分民用和军用。北斗系统定位精度在10-20米。基于导航卫星的无人机定位系统，各大无人机厂商优化自己的算法，使精度勉强达到米级。但受地形、天气等客观条件影响，导航卫星信号易干扰，精度稳定性不足的问题有待解决。民用无人机依靠卫星定位，在不用差分定位技术辅助的情况下，米级精度已经是极限。这样精度，在工业应用领域远远不够。米级的定位精度，不足以支撑无人机自动控制。

　　差分辅助定位技术，其原理是通过GPS或北斗卫星信号与已知真实基准站坐标对比，实现快速厘米级精度定位。无人机千机编队表演基本都采取这种技术，但在自由空间中，不具备这样条件。

　　避障

　　避障技术，对于主流的无人机飞行至关重要，但现有的解决方案仍处于探索阶段。为确保公共安全，需要不断改进传感器、传感算法和无人机设计。无人机避障技术主要有四套解决方案：红外线传感器方案、超声波传感器方案、激光传感器方案以及视觉传感器方案。在地面行驶的无人汽车避障问题彻底解决之前，无人机避障技术还有漫长路要走。