0 引言

    近年來，無人機(jī)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(jī)稱為戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)。戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)包括了固定翼和旋翼等多種類型的無人機(jī)。

    戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)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(jī)作為通信中繼平臺進(jìn)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(jī)系統(tǒng)路線圖2005-2030》中對利用無人機(jī)作為通信中繼平臺進(jìn)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(jī)和無人直升機(jī)，這些平臺既具有載荷搭載能力較強(qiáng)、飛行距離遠(yuǎn)、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(hù)保養(yǎng)要求高等缺點。因此，固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)平臺主要適用于上百公里范圍的通信保障，對小范圍高機(jī)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(jī)在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域更具優(yōu)勢。

1 多旋翼無人機(jī)的發(fā)展及特點

1.1 多旋翼無人機(jī)的發(fā)展

    早在20世紀(jì)初和中期，法、美等國已開始研制四旋翼飛機(jī)。但由于當(dāng)時的設(shè)計受困于極差的發(fā)動機(jī)性能，飛行高度僅僅能達(dá)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(jì)90年代之后，隨著微機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)在全球?qū)I(yè)無人機(jī)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(jī)的集成化、小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)，并占據(jù)了相當(dāng)大的國際市場。

1.2 多旋翼無人機(jī)的特點

    與固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)相比，多旋翼無人機(jī)具有以下特點：

    在操控性方面，多旋翼無人機(jī)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(jī)沒有活動部件。它的可靠性基本上取決于無刷電機(jī)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(hù)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(jī)^[1]。

    例如，某微型四旋翼無人機(jī)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(jī)；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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)工作原理和特性

2.1 系統(tǒng)組成

    系留多旋翼無人機(jī)是在普通多旋翼無人機(jī)上外掛系留機(jī)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(jī)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(jī)載電源、超輕型復(fù)合系纜、系纜收放機(jī)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(jī)的最關(guān)鍵改進(jìn)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(jī)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(jī)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(dá)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(hù)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(jī)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(dá)1 500 W，效率可達(dá)90%以上。在機(jī)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(jī)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?？梢?，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(jī)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(jī)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(jī)起降、保障條件要求苛刻，無法滿足輕型高機(jī)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(jī)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)橐暰鄠鞑バ诺溃瑢崿F(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。考慮折射效應(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(jī)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(biāo)影響。在移動通信系統(tǒng)中，奧村模型是在大量場強(qiáng)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(biāo)估算采用系留多旋翼無人機(jī)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(jìn)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(biāo)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(biāo)考慮了常規(guī)多旋翼無人機(jī)平臺可搭載能力。

    奧村模型以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的路徑損耗為基準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)[3]中的圖表獲得。

    以準(zhǔn)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(biāo)，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(jìn)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(xiàn)[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(jī)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(kuò)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(jī)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(hù)保養(yǎng)要求很低，非常適用于班排級小型機(jī)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(jī)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(jī)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jìn)行輕量化改進(jìn)。在設(shè)計系留多旋翼無人機(jī)通信中繼平臺時，還應(yīng)盡量減小無人機(jī)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)的工作效率、載荷能力和穩(wěn)定性將進(jìn)一步提升，系留多旋翼無人機(jī)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(jī)自組網(wǎng)、一機(jī)多信道靈活配置、干線組網(wǎng)與無線接入結(jié)合等強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(xiàn)

[1] 全權(quán).解密多旋翼發(fā)展進(jìn)程[J].機(jī)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(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州510310）