0 引言

    近年來，無人機飛速發(fā)展，形成了繁多的種類。其中，能夠用于完成各類戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的無人機稱為戰(zhàn)術(shù)無人機。戰(zhàn)術(shù)無人機包括了固定翼和旋翼等多種類型的無人機。

    戰(zhàn)術(shù)無人機主要用于戰(zhàn)場的視頻偵察監(jiān)視和無線通信中繼領(lǐng)域。其中，利用無人機作為通信中繼平臺進行通信支持，與衛(wèi)星通信和陸地移動通信相比，具有部署方便、控制靈活且通信設(shè)備容易升級換代的優(yōu)點。美軍《無人機系統(tǒng)路線圖2005-2030》中對利用無人機作為通信中繼平臺進行了相應(yīng)規(guī)劃。

    通常用于構(gòu)建通信中繼系統(tǒng)的平臺主要為固定翼無人機和無人直升機，這些平臺既具有載荷搭載能力較強、飛行距離遠、滯空工作時間較長等優(yōu)點，也存在體比較大、地面測控和保障系統(tǒng)復(fù)雜、維護保養(yǎng)要求高等缺點。因此，固定翼無人機和無人直升機平臺主要適用于上百公里范圍的通信保障，對小范圍高機動戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)通信保障的性價比較低。新近發(fā)展起來的微小型多旋翼無人機在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域更具優(yōu)勢。

1 多旋翼無人機的發(fā)展及特點

1.1 多旋翼無人機的發(fā)展

    早在20世紀初和中期，法、美等國已開始研制四旋翼飛機。但由于當(dāng)時的設(shè)計受困于極差的發(fā)動機性能，飛行高度僅僅能達到幾米，而且操作十分復(fù)雜，在速度、載重量、續(xù)航能力等方面無法與傳統(tǒng)飛行器競爭，軍事應(yīng)用價值也不高。直到20世紀90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS）研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被開發(fā)運用，使制作多旋翼飛行器的自動控制器成為現(xiàn)實。但是由于當(dāng)時單片機的運算能力有限，不足以滿足復(fù)雜的多旋翼飛行自動控制器算法的需要，多旋翼飛行器只是以獨特的方式通過玩具市場進入消費領(lǐng)域。2005年～2010年德國Microdrones公司先后推出的md4系列四旋翼無人機系統(tǒng)在全球?qū)I(yè)無人機市場取得了成功。在學(xué)術(shù)方面，2005年之后四旋翼飛行器需求快速發(fā)展，更多的學(xué)術(shù)研究人員開始研究多旋翼，使得一些制約多旋翼飛行器系統(tǒng)的瓶頸技術(shù)得到逐步解決，多旋翼無人機的集成化、小型化、模塊化、標準化、自動化水平迅速提高。特別是近兩三年來，移動終端大量應(yīng)用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器大規(guī)模興起，集成度更高，成本更低，有力地推動了多旋翼無人機技術(shù)的發(fā)展。目前，中國已有多家民營企業(yè)生產(chǎn)多旋翼無人機，并占據(jù)了相當(dāng)大的國際市場。

1.2 多旋翼無人機的特點

    與固定翼無人機和無人直升機相比，多旋翼無人機具有以下特點：

    在操控性方面，多旋翼無人機的操控是最簡單的。它不需要跑道便可垂直起降，起飛后可在空中懸停。

    在可靠性方面，多旋翼表現(xiàn)最出色。多旋翼無人機沒有活動部件。它的可靠性基本上取決于無刷電機的可靠性，因此可靠性比較高。

    然而，多旋翼也有自身的發(fā)展瓶頸。它的運動和簡單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時的速度改變，以調(diào)整力和力矩。該方式不宜推廣到更大尺寸的多旋翼。當(dāng)然，可以通過增加槳葉的方法提高多旋翼載重能力，但該方式會極大地降低可靠性、維護性和續(xù)航性。種種原因分析表明，最具發(fā)展優(yōu)勢的是微小型多旋翼無人機^[1]。

    例如，某微型四旋翼無人機的主要性能參數(shù)：最大起飛重量為5 550 g；最大有效載荷為1 200 g；電池重量為1 750 g；留空時間約40 min(有效載荷500 g時)；爬升速率為7.5 m/s；巡航速度為15.0 m/s；環(huán)境風(fēng)力為9 m/s；飛行高度為最大1 000 m；工作海撥為最大4 000 m；動力配置4×250 W盤式無刷直驅(qū)電機；導(dǎo)航系統(tǒng)為DGPS；控制方式：遙控、GSM網(wǎng)絡(luò)遙控、自動駕駛。

1.3 在通信應(yīng)用中存在的問題

    微小型多旋翼無人機系統(tǒng)日漸成熟。因其具有便于攜行、起降環(huán)境要求低，操作簡單、訓(xùn)練保障要求低，無需空域協(xié)調(diào)等突出特點，在航拍、監(jiān)視、快遞投送等民用領(lǐng)域發(fā)展迅速；在軍事領(lǐng)域也已成功應(yīng)用于偵察監(jiān)視和地理測繪。

    然而，由于現(xiàn)有微型多旋翼無人機都采用電池供電，續(xù)航時間十分有限。一般搭載約1 kg任務(wù)載荷條件下的滯空時間還不到1小時。雖然采用多架無人機輪流工作的方式也是一種解決方案，但保障性將大打折扣。在實際戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下，由于微型多旋翼無人機無法提供持續(xù)的通信中繼保障，直接由其構(gòu)建的通信中繼節(jié)點基本不具備實用性。

    因此，要將多旋翼無人機用于無線通信中繼，必須解決持續(xù)滯空問題。最近出現(xiàn)的系留多旋翼無人機采用地面有線系留供電的方式實現(xiàn)多旋翼持續(xù)滯空工作，為多旋翼無人機在戰(zhàn)術(shù)通信中的應(yīng)用開辟了新思路。

2 系留多旋翼無人機工作原理和特性

2.1 系統(tǒng)組成

    系留多旋翼無人機是在普通多旋翼無人機上外掛系留機載電源模塊和超輕型光電復(fù)合系纜，連接地面電源設(shè)備，代替原來的機載電池^[2]。如圖1所示，系統(tǒng)主要組成包括：多旋翼飛行器、任務(wù)載荷（含天線）、機載電源、超輕型復(fù)合系纜、系纜收放機構(gòu)以及地面電源設(shè)備等。

2.2 工作原理及性能

    系留多旋翼無人機的最關(guān)鍵改進是增加了系留供電系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示^[2]。地面電源將地面220 V交流電變換為高壓后通過系纜傳輸?shù)綑C載電源，再變換為飛行器及任務(wù)載荷的供電電源。系纜中除了供電導(dǎo)線，還有兩條單模光纖，可用于機載任務(wù)載荷與地面設(shè)備之間的寬帶信號通信。

    地面供電部分中功率因子校正模塊效率可達95%以上，飛行器及載荷的供電直流28 V的額定輸出電流約為40 A(輸出功率1 120 W)。

    輕型光電綜合系纜由2根電線、2根B1.1單模緊包光纖和芳綸絞合而成，纜芯外松包聚乙烯護套。系纜可承受100 N拉力，導(dǎo)體直流電阻不大于0.094 Ω/m，絕緣線芯間耐壓1 000 V，重量僅約11 g/m。

    機載電源模塊代替了原自由飛行四旋翼無人飛行器的電池部分，峰值功率可達1 500 W，效率可達90%以上。在機載電源模塊中還保留一個小容量的鋰電池，用于地面供電發(fā)生意外中斷或系留供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時給飛行器提供應(yīng)急電能，保證飛行器有足夠的時間安全降落回地面。整個機載電源模塊連同附著有散熱片的結(jié)構(gòu)外殼總重量不大于1 200 g。

    有效載荷包括任務(wù)載荷重量以及從飛行器到地面所用系纜重量。根據(jù)系纜單位長度重量11 g/m可得出不同任務(wù)載荷重量條件下的可搭載系纜長度，也即最大滯留高度如表1所示。可見，當(dāng)系留飛行高度為100 m時，有效的任務(wù)載荷能力約為1 kg。

3 系留多旋翼無人機在軍事通信中的應(yīng)用

3.1 軍事需求

    未來一體化戰(zhàn)斗系統(tǒng)追求真正的移動通信，作戰(zhàn)人員在寬帶移動的網(wǎng)絡(luò)中移動作戰(zhàn)指揮，各作戰(zhàn)平臺之間無縫寬帶連接共享信息。然而在地面通信網(wǎng)絡(luò)中，連通性、移動性和大容量之間相互矛盾，提高任何一方的性能都會限制其他兩個性能的發(fā)揮，綜合提高連通性、移動性和大容量是軍事通信發(fā)展面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信和大中型無人機空中通信節(jié)點能夠有效地解決軍事通信中覆蓋、移動和大容量之間的矛盾。然而由于衛(wèi)星資源有限，大中型無人機起降、保障條件要求苛刻，無法滿足輕型高機動步兵、特種作戰(zhàn)、空降、海軍陸戰(zhàn)隊等旅以下前出部（分）隊末端戰(zhàn)術(shù)通信保障需求。

    通過上述分析可見，系留多旋翼無人機小巧輕便，在100 m高度系留懸停時仍有約1 kg的載荷搭載能力，并且采用地面電源持續(xù)供電工作，沒有續(xù)航時間限制，而且開設(shè)迅速、無需空域申請、操作保障簡單，是一個非常好的通信中繼平臺。

3.2 通信覆蓋預(yù)計

    升空無線中繼平臺主要是通過升高通信設(shè)備獲得視距的延伸，將非視距傳播信道改變?yōu)橐暰鄠鞑バ诺?，實現(xiàn)通信距離或覆蓋范圍的改善。通常情況下，視距隨升空高度的增加而增加，相應(yīng)的傳播條件改善也更顯著?？紤]折射效應(yīng)，視距的計算公式為：

式中，d_o為視距，單位為km；h₁和h₂為兩端升空高度或天線高度，單位均為m。

    在理想的平坦地表，若通信雙方均采用手持設(shè)備通信時，天線高度均為1.5 m，理論計算視距為10.1 km。而當(dāng)其中一方采用系留多旋翼無人機平臺升高到100 m時，視距改善為46.2 km。

    視距只是在理想條件下的通信極限距離，而在實際應(yīng)用中，設(shè)備的通信距離受地形地物條件、通信載荷設(shè)計指標影響。在移動通信系統(tǒng)中，奧村模型是在大量場強測試基礎(chǔ)上，經(jīng)過對數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計處理后，描述各種地形地物下傳播損耗與距離、頻率以及天線高度關(guān)系的經(jīng)典電波傳播預(yù)測模型。下面以美軍典型戰(zhàn)術(shù)通信電臺為例，根據(jù)典型設(shè)計指標估算采用系留多旋翼無人機搭載升空后，在地形地物條件下的通信覆蓋能力，并與地面不升空使用時通信覆蓋進行對比。

    美軍現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)電臺中，3種典型設(shè)備的主要射頻指標如表2所示。為便于計算，工作頻率取各設(shè)備最高工作頻率的近似值。功率和天線指標考慮了常規(guī)多旋翼無人機平臺可搭載能力。

    奧村模型以準平坦地形大城市地區(qū)的路徑損耗為基準，對不同傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正?；居嬎惴椒ㄈ缦拢?/p>

    自由傳播損耗：

式中，A_m(f，d)為大城市中當(dāng)基站天線高度h_b為200 m、移動臺天線高度h_m為3 m時，相對自由空間的中值損耗；H_b(h_b，d)為基站天線高度增益因子，即實際基站天線高度相對于標準天線高度h_b為200 m的增益；H_m(h_m，f)為移動臺高度增益因子。A_m(f，d)、H_b(h_b，d)和H_m(h_m，f)在模型中都可以查閱文獻[3]中的圖表獲得。

    以準平坦地形中的中值路徑損耗為基礎(chǔ)，針對不同傳播環(huán)境和不規(guī)則地形中的各種因素，用修正因子加以修正，就可得到不規(guī)則地形及環(huán)境中的中值路徑損耗。如郊區(qū)、丘陵、水陸混合地區(qū)中值路徑損耗計算式分別為：

其中，K_mr、K_h、K_s分別是郊區(qū)、丘陵、水陸混合地形修正因子。

    在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各通信載荷的射頻指標，包括發(fā)射功率P、天線增益(發(fā)天線增益G_T和收天線增益G_R)、接收靈敏度S等，可獲得不同傳播環(huán)境下不同設(shè)備在不同覆蓋距離時的鏈路余量：

式中，鏈路損耗L根據(jù)不同場景選擇相應(yīng)計算公式，如L_城區(qū)、L_郊區(qū)、L_水陸等。

    當(dāng)式(7)中A=0時，對應(yīng)的距離d的值即為相應(yīng)條件下的極限覆蓋半徑。

    基于奧村模型，對表2所列3種典型戰(zhàn)術(shù)通信電臺在升空100 m條件下的通信覆蓋能力進行估算。通過查閱奧村模型中的相關(guān)圖表，帶入式(7)計算得到海岸(水陸比例100)、郊區(qū)、城區(qū)、50 m高差丘陵及100 m高差丘陵5種不同地形地物條件下通信覆蓋半徑預(yù)計值，如圖3所示。

    根據(jù)文獻[4]中得到的類似電臺在地面通信距離的預(yù)計結(jié)果，分別對比各種地形條件下雙方均在地面通信與單方升空100 m通信時的3種設(shè)備的極限覆蓋半徑，如圖4所示。

    由圖4對比可見，地形對通信距離的影響隨著起伏高差的增加而增大；相同地形條件下，頻率較高或帶寬較寬的戰(zhàn)術(shù)電臺的通信距離較小。與地面通信相比，采用系留多旋翼無人機升空100 m對各種地形下的覆蓋能力都有明顯的改善，覆蓋半徑擴大至少4倍以上。對比不同類型戰(zhàn)術(shù)電臺在海岸、城區(qū)或丘陵地形的覆蓋效果可見，地形越復(fù)雜改善效果越明顯，這是由于升空后有效克服了地形地物對信號傳播的遮擋，實現(xiàn)了視距直射傳播。

3.3 應(yīng)用特點及發(fā)展趨勢

    系留多旋翼無人機體積小巧，可以單兵攜帶，也可采用輕型車輛裝載，對起降場地和維護保養(yǎng)要求很低，非常適用于班排級小型機動作戰(zhàn)單位使用。主要作戰(zhàn)應(yīng)用場景包括：

    (1)改善作戰(zhàn)單元內(nèi)部的通信覆蓋率。采用系留多旋翼無人機將作戰(zhàn)單元內(nèi)重要成員（如班長）的電臺升高，形成優(yōu)勢節(jié)點，實現(xiàn)與其他成員的可靠連接，構(gòu)成星形全連通網(wǎng)絡(luò)，解決由于地形地物的遮擋造成的作戰(zhàn)單元內(nèi)部各成員之間的通信不暢問題。

    (2)作為作戰(zhàn)單位之間的橫向協(xié)作通信鏈路。當(dāng)作戰(zhàn)單位之間需要協(xié)作溝通但又因距離或地形影響無法直接建立連接時，各單位可采用系留多旋翼無人機搭載一部電臺升高，建立跨作戰(zhàn)單位的超視距溝通鏈路，實現(xiàn)作戰(zhàn)單位間的橫向協(xié)作通信。

    (3)作為信息回傳通道。當(dāng)前出作戰(zhàn)單位遠離后方通信基礎(chǔ)設(shè)施或無線傳輸路徑上被障礙遮擋無法直接通信時，可采用系留多旋翼無人機搭載一部電臺升高，建立作戰(zhàn)單位與后方基礎(chǔ)設(shè)施之間的溝通橋梁，實現(xiàn)作戰(zhàn)信息和回傳。

    目前，受多旋翼無人機載荷能力的限制，可搭載的通信中繼設(shè)備重量一般不能大于2 kg。所以大部分戰(zhàn)術(shù)通信電臺無法直接搭載，必須進行輕量化改進。在設(shè)計系留多旋翼無人機通信中繼平臺時，還應(yīng)盡量減小無人機和系留供電系統(tǒng)的電磁干擾輻射，避免對通信載荷造成干擾，影響通信效果。

    不久的將來，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無人機的工作效率、載荷能力和穩(wěn)定性將進一步提升，系留多旋翼無人機通信中繼平臺的通信載荷能力、升空高度、通信覆蓋能力也相應(yīng)提高，將實現(xiàn)具有多機自組網(wǎng)、一機多信道靈活配置、干線組網(wǎng)與無線接入結(jié)合等強大功能的超低空戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

    通過加裝系留供電系統(tǒng)，可以解決多旋翼無人機的持續(xù)滯空問題，為其在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。將系留多旋翼無人機作為通信中繼平臺能改善戰(zhàn)術(shù)電臺的覆蓋范圍，可應(yīng)用于機動作戰(zhàn)單位的內(nèi)部通信、橫向通信及對上回傳通信，顯著提高作戰(zhàn)指揮能力。隨著相關(guān)技術(shù)的推動，未來由系留多旋翼無人機平臺構(gòu)成的超低空戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)具有不可低估的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 全權(quán).解密多旋翼發(fā)展進程[J].機器人產(chǎn)業(yè)，2015(2)：72-83.

[2] 付松源，彭革新，楊濤，等.多旋翼無人飛行器系留系統(tǒng).中國：201210510858.3[P]，2016-1-13.

[3] OKUMURA Y，OHMORI E，KAWANO T，et al.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service[M].Review of the ECL，September-October，1968.

[4] KIM J，OGUNTADE A，OZA M，et al.Range estimation of tactical radio waveforms using link budget analysis[C].Military Communications Conference，MILCOM，2009：18-21.

作者信息:

付松源

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州510310）