王剑飞
西安爱生无人机技术有限公司，陕西 西安 710129
摘要：针对输电线路巡检过程中无人机只能在视线范围内飞行的问题，根据输电线路巡检数据传输的要求，提出了一种利用无人机中继扩展通信距离的方法，分析了空间均衡等关键技术，无人机传输中继系统采用分集接收技术和奇偶校验编码技术设计，低密度无人机（LDPC）在电力系统中具有重要的应用价值。
关键词：无人机；通信中继；电力巡检
引言：
电力线路的检查长期依赖人力资源，不仅需要大量人力和设备，而且对电力线路检查员的安全也构成严重威胁。电线检查工作枯燥、危险、耗时，使得无人机巡线成为不可避免的趋势。
1无人机巡线信息传输需求
1.1数据传输
电力巡线期间传输的数据包括无人机的测量和控制数据、飞行任务设备收集的图像数据和视频数据。实时测量和控制数据包括无人机的控制数据和无人机状态参数数据。设备的高清摄像机拍摄的图像用于准确确定输电线路是否存在缺陷，包括红外+可见图像数据。视频数据是设备舱的摄像头采集的数据，用于快速检查输电线路的故障。电力巡线数据传输有以下要求:(1)测量控制数据的实时要求。测控数据是上行链路的遥控指令和下行链路的飞机状态信息，传输的数据量不大，一般不超过8kb/s，但实时要求和误码率高，传输时间不超过300毫秒。（2）传输距离要求。根据电力巡线任务的要求，通信线路复盖范围为0~50公里。（3）链路可靠性要求。无人机巡线的地面速度为5-20公里，如果同时发送任务装备中的高清图像和视频，通信速度将超过80 MB/秒。实时无线远程传输难以可靠地实现。因此，最好将图像数据存储在嵌入式任务设备中，返回后进行处理，并实时返回视频数据。因此，压缩传输速率仅为2.4 MB/s。
1.2通信模式
通过无人机巡线传输的数据包括测量和控制信息以及设备捕获的视频数据。如果两种数据通过同一数据传输装置传输，则不能同时满足测控数据的实时要求和视频数据通信带宽要求。为解决上述问题，以上测量控制信息数据和视频数据可通过各种数据传输设备实现:（1）测量控制信息通过数据传输终端传输，传输速度为19.2 kbps，收发转换时间小于10 ms。（2）任务设备视频数据通过图形传输终端传输，可转换压缩任务设备采集的视频信号，然后传输，实际效率为3.8 GHz/秒，可满足访问线路任务的需要。无论使用哪个通信终端，通信距离受设备的地形和通信能力的限制，不能用于架空线路操作。为了扩大巡线范围，通常使用通信中继。本文主要研究了无人机通信继电器的相关问题。
1.3用于无人机通信中继的关键技术
影响无人机通信中继质量的主要有两个方面:①空中和地面通信有严重影响正常信号接收的下降现象，无人机姿态变化也会影响信号接收；②在空中空空通信中，有选择地降低频域的信道质量差，降低多信道的空对地信道质量差为了提高通信中继的质量，采用了以下技术手段。
（1）具有均衡的空间分集接收技术针对地空通信中的各种衰落现象，采用在飞机不同位置安装双天线的设计。一方面可以在低仰角链路衰落时获得空间分集效应，提高传输质量；另一方面可以保证飞行姿态变化时两个天线的主波束不会同时受阻，为了克服平台姿态变化的影响，在分集接收机中加入了均衡器以减小多径衰落的影响。（2）编码技术。LDL纠错编码技术还可以降低接收阈值，增加链路数量，从而提高链路传输的可靠性，对于在多条强路径干扰下形成的不可演绎错误代码也具有相当好的抑制作用。LDPC具有较高的编码增益、较快的解码速度和并行解码的特点。
2无人机通信中继系统方案
空中中继系统包括地面测量和控制站、中继无人机通信设备和巡检无人机通信设备。传输前，通信设备将数据传输终端的测控信息与图形传输设备的视频数据重复使用。中继采用四点两面天线频双工传输模式
1地面测控站通信系统.地面测控站通信系统采用定向天线。系统图如图1所示。该系统包括一个20dBi(带伺服)定向天线和一套FDD通信设备。中继器和多路传输控制设备数据的测量和控制数据分开，并通过不同接口输出。
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2.中继无人机空中通信系统。中继无人机机场通信系统天线安装在机身左右两侧。两个天线用于发送和接收。发射机沿同一方向共用功率放大器，两台设备的发射机接收机通过多工器连接，包括两个3 dBi天线和两个FDD通信设备，中继无人机系统的外部接口只是无人机的测量和控制数据。巡检无人机发送的图像数据和巡检无人机的测量和控制数据直接传输。
3.巡检无人机通信系统。无人机通信系统天线安装在机身上方的头部和尾部。两个天线用于发送和接收。两个发射器共用一个功放，该发信机连接到DBI双工天线和一套FDD通信设备。复分接利用链路控制单元将图像数据和测控数据重新用于中继无人机。系统信道分为两个方向:前端链路和反馈链路；前链路只具有控制信息，采用低速波形；反馈链路包含反馈和反馈图像信息，通常采用高速波形。反馈链路通道退化时，地面测控站手动切换到纯测控模式反馈链路不传输图像信息，而是使用低速波传输反馈信息。在执行每个任务之前，确定是使用中继模式还是直接传输模式
4.由于要传输的信息分为测控和图像信息数据，每种数据的传输要求是不同的。系统中，每种类型的信息通过不同的频点传输。
5.基于无人机通信中继检测系统，选择最常用的单旋翼AF25B型无人机进行巡检，160公里最大航程。结合巡检作业区，巡检无人机的理想作业距离为测控站50 km。在通视条件下，中继无人机最大控制距离可达80-100km。为保证飞行安全，中继无人机与地面站的最佳距离控制在50km以内，测控巡检无人机与地面站的最大距离为25km，图像传输电台的最大传输距离为25km。因此，当无人机用于通信中继时，中继无人机与巡检无人机之间的最大距离不应大于25km，确保无人机控制和传输的可靠性图像传输，中继无人机与巡检无人机的距离控制在20 km以内，巡检无人机沿输电线路飞行，通常相对高度为40m。如果飞行高度过低，容易受到地面附近气流的干扰，影响接力的稳定性；如果飞行高度过低，容易受到飞行条件、飞行计划执行等因素的影响。继电器和检查无人机之间的通信链路被障碍物阻塞。无人机飞行高度不宜过高，一般在离地3km左右。
结语
根据电力系统无人机在线检测操作的具体要求，本文着重论述了无人机在电力系统中的应用。基于中继技术的输电线路巡检信息传输系统，无人机空间部件接收技术和纠正误差的有效编码技术，通过分析通信中继的有效性，验证了该方法的可行性，并研究了通信中继在无人机平台上的应用。无人机探测信息的超视距传输很重要，具有一定的参考价值。
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