鐘華超 王文博
中國人民解放軍91001部隊 北京 100000
在無人機(jī)領(lǐng)域,我國經(jīng)歷了50多年的發(fā)展,當(dāng)前在無人機(jī)的種類、技術(shù)水平、功能作用等方面都有了極大提升,并且逐漸應(yīng)用在民用領(lǐng)域,給人們生產(chǎn)生活帶來了巨大便利。但是當(dāng)前的無人機(jī)還存在一些問題,影響著應(yīng)用水平,具體表現(xiàn)在高空和超高空環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸,為了解決該項問題,研發(fā)人員投入了巨大的時間精力,希望可以減少高空環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟焕绊?,促進(jìn)無人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。
在對高空和超高空無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)傳輸問題進(jìn)行研究之前,我們需要對無人機(jī)的基本情況進(jìn)行了解,具體包括其含義、主要類型、應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特點、工作流程以及飛行控制。
無人機(jī)就是指由無線控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控,而非人工駕駛的飛機(jī),最大特點就是無須人工駕駛和操作,主要的飛行任務(wù)都是由地面站遠(yuǎn)程操控,在無人機(jī)內(nèi)部的設(shè)備接收到地面站的指令之后,才能開展一系列任務(wù)。相較于傳統(tǒng)的人工駕駛飛機(jī),無人機(jī)具有安全可靠的優(yōu)點,對于具備一定危險程度、不需要復(fù)雜操作的任務(wù)和工作,可以使用性價比更高的無人機(jī)[1]。將應(yīng)用領(lǐng)域作為分類標(biāo)準(zhǔn),無人機(jī)可以分為軍用和民用兩大類,對于軍用無人機(jī)來說,具體有靶機(jī)和偵察機(jī)兩種;對于民用無人機(jī)來說,各行各業(yè)都可以用無人機(jī)來開展工作,當(dāng)前最為常見的就是運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行航拍,將無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)中可以實現(xiàn)高效播種,與此同時,在植被保護(hù)、新聞報道、地質(zhì)測繪、災(zāi)難救援以及快遞運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)都能看到無人機(jī)的影子,在民用領(lǐng)域,無人機(jī)得到了真正的應(yīng)用和發(fā)展,甚至形成了一個新興的產(chǎn)業(yè),并且反過來也會促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)的改進(jìn)。
無人機(jī)存在三種基本的技術(shù)特征,在其下行鏈路中可以實現(xiàn)圖像視頻的采集,在采集影像方面最大的優(yōu)勢就是能夠保證高分辨率,如果在采集影像時選用傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感的方式,那么就可能會受到云層遮擋等方面的影響,無法獲取全面且清晰的影像,無人機(jī)可以有效彌補(bǔ)這一缺陷,同時也能夠避免衛(wèi)星遙感反應(yīng)過慢、重訪周期較長的問題[2]。無人戰(zhàn)斗機(jī)是第二種基本技術(shù)特點,可以借助信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)對周圍環(huán)境的偵察,同時裝配武器,發(fā)揮戰(zhàn)斗功能,此外,發(fā)射和回收功能是第三種特點,并且這種發(fā)射和回收不局限于一個平臺,可以實現(xiàn)在多個平臺上從事發(fā)射和回收工作。
其工作流程主要分為五個階段,第一階段是開始界面,工作人員對無人機(jī)的基本任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃,通過監(jiān)控保證無人機(jī)的任務(wù)可以自動歸檔,保證內(nèi)部設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行;第二階段是航前檢查,無人機(jī)開展任務(wù)時,工作人員首先需要保證安全性,在開展任務(wù)之前利用控制設(shè)備進(jìn)行問題檢測,確保每一個設(shè)備都能夠正常運(yùn)行,這樣才可以避免飛行和執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)問題,影響到數(shù)據(jù)傳輸工作;第三階段是規(guī)劃飛行任務(wù),不同模式下飛行任務(wù)是不同的,工作人員需要對混合、導(dǎo)航和區(qū)域空照三種狀態(tài)下進(jìn)行規(guī)劃工作;第四階段是飛行的監(jiān)控工作,通過監(jiān)控,地面站工作人員可以對無人機(jī)狀態(tài)進(jìn)行全面了解,從而準(zhǔn)確判斷其是否具備執(zhí)行后續(xù)任務(wù)的能力,能夠在很大程度上確保任務(wù)的執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸;第五階段是對影像的拼接,在數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù)執(zhí)行完畢之后,地面站已經(jīng)接收到來自無人機(jī)的數(shù)據(jù)信息,然后可以對影像進(jìn)行詳細(xì)處理和分析。
無人機(jī)和地面站是完成任務(wù)的重要組成部分,與此同時,數(shù)傳電臺對于連接無人機(jī)和地面站具有重要作用,數(shù)傳電臺通常采用一些接口來發(fā)揮功能,基本的接口類型有RS485和TTL等,不同的接口產(chǎn)生的頻率也不同,最為常見的頻率是433MHZ,其具備了波長較長、開放性和較強(qiáng)穿透力等方面優(yōu)勢[3]。在飛行控制工作中,首先需要地面站進(jìn)行設(shè)備啟動工作,對航線進(jìn)行事先規(guī)劃,然后開啟飛行控制設(shè)備,再對具體的飛行速度、爬升坡度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,檢查設(shè)備,確保所有設(shè)備都處于正常狀態(tài)后,就可以進(jìn)行飛行工作,執(zhí)行完任務(wù)之后就可以進(jìn)行降落,選擇降落方式和降落地點,盡可能在空曠地區(qū),防止對行人等造成傷害。
在對無人機(jī)的狀況有了基本了解之后,我們可以深入分析高空和超高空狀態(tài)下無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的問題,具體包括傳感器、飛行狀態(tài)以及機(jī)體遮擋、氣候環(huán)境等,這樣才能夠針對問題制定解決措施。
隨著無人機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟,對其的應(yīng)用已經(jīng)不僅局限于軍事領(lǐng)域,當(dāng)前的無人機(jī)還被廣泛應(yīng)用在社會生產(chǎn)和生活中,發(fā)揮著重要作用。為了實現(xiàn)對高空超高空無人機(jī)的精準(zhǔn)控制,在設(shè)計過程中需要運(yùn)用到多種傳感器,常見的傳感器有陀螺儀、加速度計、氣壓和磁羅盤四種,不同的傳感器發(fā)揮著不同的功能,目的就是更好地控制高空無人機(jī),使其精準(zhǔn)、安全和高效率工作。
設(shè)計者用陀螺儀傳感器對三軸角速度進(jìn)行監(jiān)測,通過對角度信息的監(jiān)測,無人機(jī)可以根據(jù)實際情況維持自身的飛行穩(wěn)定,這是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)和前提。磁羅盤傳感器是專門為無人機(jī)提供方向的裝置,其會收集到磁場內(nèi)部的全部數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行運(yùn)算,然后實現(xiàn)對地理位置的偵測[4]。
除了上述基礎(chǔ)傳感器之外,還有一些功能性的傳感裝置,如濕度傳感器的應(yīng)用可以準(zhǔn)確檢測氣候狀況,在傳感器采集到了數(shù)據(jù)之后,必須要將傳統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆瑥亩鴮π畔⑦M(jìn)行有效處理和利用,這個傳輸過程中軟件數(shù)據(jù)庫具有重要作用。然而上述這些傳感器在應(yīng)用過程中都會受到各種因素的影響,從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
當(dāng)前,越來越多的國家注重對于無人機(jī)的研發(fā),期望其在作戰(zhàn)過程中充分發(fā)揮靈活、高效、機(jī)動的特點,無人機(jī)要實現(xiàn)這些特點,就必須建設(shè)一個安全可靠且高效的通信系統(tǒng),只有依靠這個系統(tǒng),各種數(shù)據(jù)、影像和信息才能夠得到安全傳輸,無人機(jī)才可以接收到確切的指令,從而展開后續(xù)工作[5]。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,信道特征具有重要影響,在無人機(jī)的不同飛行狀態(tài)下,信道呈現(xiàn)出不同的特點,從而對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響,所以我們需要對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行研究。
在無人機(jī)飛行的過程中,其和地面控制站之間的距離越遠(yuǎn),就會使得直視分量不斷減少,多徑分量不斷增大,從而加劇多徑效應(yīng),導(dǎo)致誤碼率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性受到影響,事實證明,在高空和超高空飛行的無人機(jī),如果不對其采取控制技術(shù),那么就會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)重失真。在高空和超高空飛行的無人機(jī),必須要保證此種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題,具體可以從減少多徑效應(yīng)來解決,現(xiàn)有的均衡技術(shù)和分集技術(shù)就可以在很大程度上降低多徑效應(yīng)對無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響。
在無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)內(nèi)部,分為上行和下行兩種鏈路完成信息的傳輸工作,其中上行主要包括任務(wù)裝訂數(shù)據(jù)和飛行控制,下行主要包括影視圖像等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),為了保證遙測數(shù)據(jù)實時更新,上行鏈路需要采用擴(kuò)頻體制,并且對抗干擾性有著很高要求,由于下行鏈路本身傳輸?shù)男畔⒕哂兄貜?fù)性,所以傳輸中斷也不會影響信息的可用性,隨著實際應(yīng)用水平不斷提升,人們對無人機(jī)有了更高要求,它將承擔(dān)起傳遞信息、進(jìn)行指揮和加強(qiáng)控制等更多方面的任務(wù),這就對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵в辛烁咭?,不斷加深多徑效?yīng)導(dǎo)致的信道衰落現(xiàn)象。
除了上述提到的多徑效應(yīng)導(dǎo)致信道衰落之外,還有其他因素也會導(dǎo)致信道衰落,影響數(shù)據(jù)傳輸,在研究過程中,我們可以發(fā)現(xiàn)機(jī)體遮擋也會導(dǎo)致信道衰落,具體來看,無人機(jī)腹部位置配有天線,這個天線與地面站的天線保持通視狀態(tài),無人機(jī)的飛行方向和動作會對通視狀態(tài)產(chǎn)生影響,例如呈水平狀態(tài)飛行時通視狀態(tài)最好,但是當(dāng)機(jī)體爬升、旋轉(zhuǎn)時就會影響機(jī)載天線和地面站天線之間的連接的穩(wěn)定性,這種爬升和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)持續(xù)時間越久,對信道衰落的影響就越大[6]。
此外,機(jī)體進(jìn)行反射吸收也會對信道衰落產(chǎn)生影響,在早期無人機(jī)機(jī)體的設(shè)計制作中,碳纖維和玻璃鋼等是主要的制作材料,當(dāng)前越來越多的有人機(jī)開始應(yīng)用無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),也有對有人機(jī)進(jìn)行改造使其能夠發(fā)揮無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能,在這種環(huán)境下,由于有人機(jī)的機(jī)體設(shè)計制作主要采用金屬材料,金屬會對機(jī)載天線的信號造成干擾,同時也會影響地面站的反射干擾信號,進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_可靠[7]。在高空和超高空飛行的無人機(jī),其機(jī)載數(shù)據(jù)采集、接收和傳輸?shù)脑O(shè)備也處于高速高空運(yùn)動的過程,數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘枙艿蕉嗥绽招?yīng)的影響出現(xiàn)失真問題,同時,氣象條件也會對高空信號傳輸產(chǎn)生影響,周圍環(huán)境中的無線電波也會影響信號傳輸效果。總之,高空和超高空的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸會受到各方面限制,相關(guān)人員需要對無人機(jī)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),盡可能降低不利影響。
在改善無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸問題的眾多技術(shù)中,大體上可以分為兩種,一種是傳統(tǒng)的改善技術(shù),例如擴(kuò)頻與RAKE接受技術(shù),其屬于路徑分集技術(shù),在高空飛行中的無人機(jī)出現(xiàn)的多徑反應(yīng)中不會起到改善作用,除此之外,還包括顯分集技術(shù)和前向糾錯技術(shù),但是這兩種技術(shù)由于存在一定缺陷,在適用性上存在問題。因此,工作人員需要研究新型改善技術(shù),在實踐過程中,研究人員發(fā)現(xiàn)了一種斷鏈重傳技術(shù),首先運(yùn)用該技術(shù)可以在發(fā)送階段就對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,這些編碼具備強(qiáng)大的糾錯能力,通過前向渠道傳輸?shù)浇邮斩?,在此環(huán)節(jié)完成糾錯工作,無錯就會直接傳遞給地面站,有錯就會自動發(fā)出重傳指令,重復(fù)這個流程,直至錯誤被糾正。借助斷鏈重傳技術(shù),數(shù)據(jù)可以被有效傳輸,并且也可以最大限度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量,減少數(shù)據(jù)真實的可能性[8]。
綜上所述,在高空和超高空環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的提升,是無人機(jī)發(fā)展必須要克服的問題,數(shù)據(jù)傳輸功能作為無人機(jī)的核心目標(biāo)任務(wù),其安全性和可靠性必須要得到保證,事實證明,借助斷鏈重傳技術(shù),能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽砍潭?。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展也不會止步于此,必然會朝著更高水平的方向前進(jìn),為軍事和民用領(lǐng)域帶來巨大效益。