主页（http://www.pttcn.net）：天枢系留无人机及典型载荷应用概述 随着科技的发展,更多的应用场景为了达到更好的效果由地面向空中拓展,系留无人机系统就是将平台从地面升级到空中的新型高空平台,平台本身不做任务,为了实现应用需要搭配各种负载,例如光电摄像头、通信基站等等。下面就关于系留平台和负载的配合做个简要论述,以飨读者。 1 系统概述 天枢A6是一种通过线缆连接地面供电系统来获取能源的系留多旋翼无人机设备,相对于通过自身携带电池或燃料来获取能源的无人机,天枢A6能够实现长时间不间断的空中悬停,如图1所示。 天枢A6系统由无人机、系留线缆、系留综合控制箱、发电机、地面站、RTK基站、遥控器、工具箱等部分组成。
2 系统特点 航时长,车载供电24小时全天滞空 载荷大,15kg有效净载荷 飞行稳定性好,100m高空稳定平台 定位精度高,厘米级精确定位 智能化程度高,与自由移动基站车辆位置精确跟随 操作简单,一键自动起降、自动收放线缆 安全可靠性高,多重传感器备份,断电保护、信号中断保护等保护模式 平台适应性强,地面固定、车载、舰载应用均可 3 系统功能 通过地面发电机进行供电,可不间断滞空 该单元可用车辆载运 通过地面站设置高度并实现一键起降、一键改变高度、一键改变航向 自动收放线缆、自动排线 双天线定向,无需校磁 支持人工控制模式和自动飞行模式 人工控制模式时,通过摇杆控制无人机运动 自动飞行模式时,可实现无人机自动悬停和车辆自动跟随 车辆静止时,无人机自动悬停在车辆上方 车辆运动时,无人机自主跟随车辆运动 断电自动降落保护、控制失联自动降落保护。 4 系统性能参数 表2 天枢A6系统性能参数表
5 系统设备清单 天枢A6系留无人机系统设备清单如表2所示。 表2 天枢A6系统清单
6 典型载荷应用 系留无人机基于其长时间不间断留空的能力,可发挥“移动瞭望塔”、“移动信号塔”的作用,搭载光电吊舱、相机、雷达、基站、电台、天线等光电设备载荷和通信设备载荷载荷长时间悬停于空中执行各类任务。 6.1挂载光电设备载荷 系留无人机挂载光电设备载荷可对地面进行居高临下的长时间、多角度、大范围监控,由于无人机是高空监测,观察角度多样,在地面上看不见的或看不清的情况,从空中看则是一目了然,这样就能获取目标区域更为全面的图像信息。系留无人机平台上可搭载的光电设备种类形式多样,包括以下典型设备: 光电吊舱:可见光/红外/激光等多种光电吊舱; 相机:倾斜相机、高速相机等; 雷达:侦察雷达、成像雷达等; 如图2所示是系留无人机挂载光电载荷的一种典型应用,主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分: 无人机升空平台:多旋翼无人机平台、光电吊舱设备(亦可挂载雷达、相机等其它光电设备); 地面系统:系留综合控制箱、发电机、地面站、遥控器、吊舱地面控制设备。
图2 系留无人机光电吊舱监控系统示意图 通过在系留无人机上搭载光电吊舱,从高空对地面情况进行监测,并将得到的图像信息通过系留线缆中的光纤传输到地面车辆内部的监控操作席位上,同时也可通过光纤将监控操作席位对无人机和吊舱的控制指令发送到空中平台上,实现视频和数据的空地双向交互。同时,根据需要还可以通过机载或地面通信设备,将监控信息传输至后方的监视指控中心,并根据监视指控中心的命令对无人机和吊舱进行操作。 轻型光电吊舱是专为系留无人机设计研发的一款用于低空观测的高精度光电吊舱设备,配备高清彩色可见光摄像机及高分辨率红外热像仪,具有体积小、重量轻、功耗低、传输远、操作简便,安装快捷等特点,如图3所示为光电吊舱和配套的吊舱控制手柄。 2轴稳定平台,体积小、重量轻、精度高 稳定精度优于50μrad 双系统陀螺仪,可靠性高 SONY原装可见光摄像仪 FLIR原装红外机芯及镜头 高清HD-SDI输出接口 碳纤维外壳,航空铝合金框架 电机、旋变、连接器等电器插件按军标选用,质量可靠
图 3 光电吊舱和吊舱控制手柄 该型光电吊舱可对地上、海上、空中目标进行搜索、监视、跟踪,并提供可见光和红外两路视频图像,主要包括以下功能: 具有在运动载体上对视轴进行稳定的功能(二轴稳定); 可进行在线零位校准、零漂修正等维护操作; 可实现搭载光电设备的调焦、变倍、视场切换功能; 可通过高清视频信号接口将可见光与红外视频图像对外输出; 可通过通讯接口接收系统外设备发出的指令信息。 光电吊舱的主要技术指标如下表3所示: 表3 光电吊舱技术参数
基于系留无人机平台的光电监控系统是系留无人机平台与光电设备深度结合的应用,具有高效、不受空间和地形制约、观察角度多样、响应快速等特点,可以取得传统手段无法获得的巨大功效,可广泛应用于公共安全、反恐、边防、消防、战车和舰船视距扩展等领域。 6.2挂载通信设备载荷 系留无人机可自由搭载自组网电台、LTE微型基站、天线等多种通信载荷,形成多种灵活的通信应用配置方式,在核心区域快速开通通信服务,在后方指挥中心、现场指挥部与前方任务队伍间形成超短波通信和宽带视频通信的大区域覆盖应急通信网络,可提供语音、视频等应急通信保障服务,具有全天候工作、滞空时间长、高机动性、快速部署、一体化小型设计、使用简单、支持分布式组网通信等特点,可广泛应用于应急通信各领域。 传统应急通信车虽然在某些场景下能满足一定范围内区域的应急通信需求,但由于一般的应急通信车天线高度有限,而且很多时候容易受被地形影响或被周围的山体、树木、建筑物等高物体遮挡,因此实际通信效果有限。 较之传统应急通信车,系留无人机应急通信系统即使架设位置相同,但由于通信设备和天线架高高度大,因此覆盖范围广、通信效果好;而且由于其体积小、重量轻,可通过背负、空降等方式架设于应急通信车辆无法到达的区域内部,通过链路构成通信中继节点。 典型的系留无人机应急通信系统如图4所示,主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分: 无人机升空平台:多旋翼无人机平台、LTE基站(亦可挂载电台、天线等其它通信设备); 地面系统:系留综合控制箱、发电机、地面站、遥控器、地面通信终端、地面通信核心网(用于管理LTE基站)设备。
图4 系留无人机应急通信系统组成 系留无人机应急通信系统的作业模式分为空地直接覆盖、空空中继两类。 1)空地直接覆盖 空地直接覆盖应急通信模式如图4所示,即挂载机载LTE基站设备的系留无人机快速升空后与远端连接各通信设备终端建立通信连接,然后将从各终端获取的信息经系留线缆中的光纤传输到地面的核心网设备,最终在屏幕上显示。 2)空空中继 空空中继应急通信模式如图5所示,即一辆应急通信车上挂载了机载LTE基站的系留无人机负责从远端终端处获取信息,然后将这些信息从空中经由无线电通信传输至另一端同样挂载了机载LTE基站的第二架系留无人机,第二架系留无人机上的LTE基站再将这些信息经系留线缆中的光纤传输到车载内部的核心网设备,根据需要还可经无线电传输至后方的指挥中心,最终在屏幕上显示。这种工作模式下,可支持更大范围的应急通信覆盖。
图5 系留无人机应急通信系统空地覆盖--空空中继工作模式 系留无人机应急通信系统中的通信设备主要包括机载端LTE基站和地面的核心网、CPE终端,如图6(a)、(b)、(c)所示。
(a)机载LTE基站 (b)地面CPE终端
(c)地面核心网 图6 通信设备 机载LTE基站 机载LTE基站采用一体化设计,具备体积小,集成度高,大容量和低功耗等特点,IP65的防护等级满足室内和室外不同环境,支持挂墙,抱杆和悬挂安装方式,方便工程施工,如图6(a)所示。 集成度高,安装方便LTE基站体积为10升,重量为10kg,方便运输和工程安装;支持抱杆、挂墙、悬挂安装,便于快速建网。 配置简单,维护方便 LTE基站产品各功能模块高度集成,单板种类少,减少了备件种类,降低了维护成本,可以进行灵活的配置。 节能设计,绿色环保 采用高效功放技术:Digital Pre-distortion(DPD)+Doherty技术大幅提高功放效率,降低设备功耗。同时,采用被动式散热设计大幅节省耗电,无噪音,适合于不同场景安装。 SDR架构 采用SDR架构,同一套硬件即支持无线接入网,又支持无线自组网,仅更换软件版本即可实现。 大功率、大容量 支持2x30W输出功率,2T2R; 无线接入模式下:最大支持下行90Mbps,上行30Mbps,最大支持64用户; 无线自组织网模式下:最大支持下行100Mbps,上行100Mbps,双向同传110Mbps,最大支持32节点,8个邻居节点; 2×30W的发射功率和贴近天线安装能进一步改善网络覆盖。 远覆盖 由于设备发射功率大,灵敏度高,因此在视距节点间,自组网模式下,覆盖范围很远,外场海面实际测试双向速率35Mbps@55km。 机载LTE基站的技术指标如表4所示。 表4 机载LTE基站技术指标
CPE终端 CPE是一种新型的无线终端接入设备,设备安装方式灵活,大量应用于农村,城镇,医院,单位,工厂,小区等无线网络接入,节省铺设有线网络的费用。CPE对上无线接口采用TD-LTE技术,对下实现以太网口及WIFI无线接口,可构建小型局域网供网内用户进行高速接入,实现路由转发等功能;使用WEB网关实现本地和远程管理。 系统中所采用的CPE设备ZY-XL-TC204如图6(b)所示,可以采用不同的安装配件,实现壁挂式安装及抱杆式安装。抱杆安装时可以根据需要配置不通的抱箍,满足不同的抱杆直径要求。 地面CPE主要技术指标如下表5所示: 表5 CPE终端设备技术指标
核心网设备 核心网设备用于管理LTE基站,主要提供交换、鉴权、用户管理等功能,本系统中采用的核心网设备如图6(c)所示,其硬件采用工业级计算机硬件,满足各特种行业恶劣工作环境要求,2U高的尺寸适合车载、小容量环境使用。 地面核心网主要技术指标如下表6所示: 表6 核心网设备技术指标
系留无人机应用在应急通信领域,具有快速部署、轻便灵活、起降环境要求低、响应快速等特点,能实现大范围快速、可靠、低廉的宽带通信,在突发自然灾害、通信基础设施受到破坏、通信环境恶劣等条件下,其应急通信能力优势明显,可以取得传统手段无法获得的巨大功效。 (中国集群通信网 | 责任编辑：李俊勇) |
