“空天地井”一体化应急通信——高空移动驻留通信载体

       浮空器是指由充满轻质气体的囊体产生浮力、任务高度处于距离地球表面20〜100km、能执行长期驻留任务的飞行器。浮空器按有无动力推进可分为飞艇、系留气球和自由气球，具体分类如图7.1所示。

       浮空器可以广泛应用于侦察、电子干扰、预警探测、通信中继、信号覆盖等领域。

图7.1   浮空器分类图

       利用系留气球实现通信应用最早可以追溯到18世纪末期的1794年，法国陆军在比利时地区的战争中用载人系留气球进行了空中军事侦察；随后，在第一次世界大战和第二次世界大战期间，系留气球广泛应用于战场观测、炮弹弹着点校正观测、军队配备与运动情况观察等军事行动中。苏联在20世纪30年代开始利用氢气填充系留气球搭载长波天线，与远洋舰艇进行通信，但由于氢气极易引起爆炸，系留气球通信发展受到阻碍。20世纪60年代，随着氮气开发技术的飞速发展，系留气球的安全性能得以大幅度提高,应用系留气球进行通信与中继转发越来越广泛。在越南战争期间，美军为适应越南南方丛林地带的特点，在系留气球上装备无线电调频装置，作为指挥所与前沿部队的无线电转发平台，当时使用的气球升空300m,在35km范围内传输无线电信号，同时能够监测对方军队的行动和通信信号。此后，美国的哥伦比亚TCDML.P公司、导弹防御局（MDA）、Westinghouse Electric公司等都致力于开发高空充氮飞艇以用于执行空中监视和通信中继。20世纪80年代以来，美国国防部将所研制的系留气球侦察系统根据不同部署的需要分别应用于TARS系留气球雷达系统、JLENS国土导弹防御网络传感系统、RAID系留气球快速布防系统、REAP系留气球快速升空系统、PTDS长期反恐监测系统、MARTS海军空中中继系统等。截至20世纪末，美国已经拥有体积几百万立方米的系留气球和飞艇，最高升限达到100km,载重量数以百吨。

       除美国外，其他国家也成功研制开发了一系列充氮气球和飞艇。如前所述，法国是最早开发研制系留气球和飞艇的国家。20世纪90年代中期，法国就长期保持拥有35万立方米气球的水平，其军方配备使用的Rasit气球雷达系统能够升空1500m,覆盖半径55km范围。法国航空与空间研究院和航空公司还共同研制了一种由4个独立气球组成的重型飞艇，其有效载重为500t。以色列在系留气球方面的研究也十分活跃，其名为Elta的电子工业公司于2003年研制完成了配备雷达的系留气球；以色列还釆购美国TCOM公司的气球装备其国产雷达用于海面监视和侦察。挪威的Tyra、英国的AllsoppHelikite公司等也提出了自己的系留气球ISR概念，即一种特殊的情报、监视、侦察与通信平台，该平台用于为特种部队提供敌方目标发现、确定和摧毁等态势感知能力的一种经济型解决方案。

       我国在20世纪70年代末也开始对系留气球进行开发研制，当时中国科学院进行的第一期高空气球工程就建造了容积5万立方米，载荷250kg的气球，最高升限达到30km,后来又相继研制出容积20万立方米，载重1.5t的气球。但是，我国的系留气球主要用于大气物理、气象报告等方面的研究。

       系留气球是一种依靠气球内部气体（一般为氮气）的浮力升空，并用缆绳进行收放、系泊固定的浮空器，借助于系留缆绳拖拽和气球浮力，它能在特定空域范围内长时间、定点系泊。系留气球系统一般可分为车载机动式、地面固定式和舰载机动式三大类。机动式系留气球系统主要包括任务设备、气球本体、锚泊平台（含绞车）、系留缆绳和综合控制等五大部分，车载机动式系留气球系统组成如图7.2所示。

       车载机动式系留气球的体积一般为（l-6）xl03m3,升空高度在两三千米以内。其载体为可移动的大型车辆，可以根据需要快速布置到任何地方，具有高机动、灵活等特点。它适合搭载通信、侦察、干扰等电子设备。因此，这里选择车载机动式系留气球作为应急通信监测系统的空中搭载平台之一。车载机动式系留气球系统包括气球、系留缆绳、锚泊设施和任务系统4个部分。如图7.2所示。

1）气球

       气球是任务设备的承载平台。它的任务是携带操纵舵面实现有控飞行；飞艇虽然也是靠空气浮力升空的，但它配置有发动机、空气螺旋桨（或其他类推进器）、操纵面，能实现由动力推进和可操纵、控制的飞行。

 

图7.2   车载机动式系留气球系统组成示意图

 

2)系留缆绳

       系留缆绳主要用于气球的系泊和牵引，给球上的设备供电及通信。通过系留缆绳组件，实现气球与地面锚泊设施的物理连接、光信号和电力传输。

3)锚泊设施

      锚泊设施用于气球的地面停泊，对滞空后的气球进行操控。锚泊设施在运输状态下，釆用由牵引车加半挂拖车的运输形式，能够方便地转移，拥有快速布置能力、快速转移能力。

4)任务系统

       任务系统为空中无线通信网络系统，具有超远视距的通信和图像传输功能以及“通信中继”功能。

      系留气球与其他飞行器相比，有它不可比拟的优势。

       (1)滞空时间长：一般飞行器执行任务以小时计算，而系留气球最长可连续滞空30天左右，在国外通常釆用双站运行方式，一个处于空中工作状态；另一个作为补充，处于待升空状态，以提高效率，保证平台的不间断运行。

       (2)覆盖范围广：当升空高度到达4000多米时，可监测周边半径350km左右区域内的目标，若釆用更为先进的设备，其监控范围还可进一步提高。

       (3)侦察功能强：由于能长时间连续工作，并且能在目标所在地域上空悬停，可充分发挥球载传感器和电子设备釆集数据的能力。

      (4)生存能力强：气球的软体结构使其几乎没有雷达回波和红外特征信号，因此不易被发现。

      (5)机动性能好：车载移动式、舰载移动式系留气球可以机动灵活地完成任务。

      (6)使用成本低：制造一套系留气球的价格远低于同规模的无人机和卫星。据估算,系留气球的使用成本仅为飞机的5%,使用时，它可以比飞机降低约30%的能耗和飞行费用。

基于以上独有优势，系留气球受到了越来越多的关注，广泛地应用于各个领域。

       在灾害发生后，根据受灾区域大小，在任务系统相对固定的情况下，选用功能满足要求的车载机动式系留气球系统。根据受灾区域的特点和救灾的需要，将车载机动式系留气球系统布置到受灾区域外围的合适位置，利用系留气球将任务系统携带至工作高度，系留气球上的任务设备将接收到的图像数据和通信数据通过微波链路或光纤传输到地面接收设备，进而接入地面移动通信网，在最短的时间内实现受灾区域无线通信正常化，并可以将灾区最前沿的第一手灾情信息传递出来，从而得以全面部署救灾行动，以挽救更多的生命和国家财产。

1)系留气球应急通信系统组成

       系留气球应急通信系统主要由前端信息釆集设备(移动式地面无线电通信站)、车载系留气球通信平台、移动通信指挥车、地面通信指挥中心等设施设备组成。其中，根据实际需求配以相应的通信信息子系统作为系统支撑实现具体功能，如信息釆集系统、数据处理系统、加密转发系统、导播切换系统以及远程传输系统等。图7.3所示为系留气球应急通信系统组成结构。

图7.3   系留气球应急通信系统组成

      (1)前端信息采集设备：也可称为移动式地面无线电通信站，是基本信息釆集单元,内置信息釆集系统。布设6〜8个信息釆集点，通过小型背负式无线传输设备，将各采集节点的视频、音频信息和GPS定位信息统一编码、调制，经加密编码后，发送到5〜10km半径内的车载系留气球通信平台。

      (2)车载系留气球通信平台：包括气球主体、系留缆绳、搭载在气球主体上的通信接收与转发设备、气球地面控制设施设备以及车载通信平台。系留气球接收和发射射频信号，并通过与之相连的光缆将信号传送至车载通信平台中的图像接收机、TS流复用器、光纤射频转发系统、DVB-S调制器、语音发射机等设备，实现数据与信息的处理、解调放大与发射转发。

      (3)移动通信指挥车：是一个中继转发平台，内置数据处理系统、加密转发系统等通信信息子系统，其主要作用就是延长系留气球通信距离，能相对减少车载系留气球通信平台上的设备，从而极大地减轻气球的重量，提高空中稳定性。如果地面指挥中心在系留气球平台覆盖范围内，移动通信指挥车可以不参与通信；如果车载系留气球通信平台无法将信号送至地面指挥中心，则可通过移动通信指挥车进行中继转发。

      (4)地面通信指挥中心：位于远端，通过导播切换系统、远程传输系统等通信信息子系统，接收并处理来自移动通信指挥车的语音与视频信号，将切换出的有效画面和声音进行解析、编码、加密等数据转换后，再通过光纤通道传送至其他通信节点。图7.4为车载系留气球通信信号收发原理示意图。

图7.4   车载系留气球通信信号收发原理示意图

2)系留气球应急通信系统工作原理

       结合图7.3和图7.4,系留气球应急通信系统的工作原理如下。

      (1)首先将系留气球升空至500m高度，当前端的多个信息釆集设备将拍摄的图像通过调制的无线电信号发射出去时，该NINW&路调制信号波使用各自的8MHz带宽和载波频率，之间是相互正交的关系，即正交频分复用的信号，系留气球平台即可以通过接收天线将发射的多路图像信号通过同步检波分别解调岀各路基带信号进行接收，然后通过滤波放大器处理后再由气球光纤射频转发模块转换为光信号。

       (2)光信号经由光缆送入指挥车并通过光纤射频转发模块转换成射频信号，然后将各路图像信号分路送入图像接收机，图像接收机将上述各路图像信号复用成一路输出。

       (3)合路后的信号通过光纤射频转发模块，经由光缆传送回系留气球平台，然后将光信号还原成射频信号，通过双工器，将射频信号与语音发射机的射频信号分离，射频信号送入转发功放通过转发功放天线发送，语音射频信号通过语音功放天线发送。

      (4)前端的地面无线电通信站接收音信号，远端的移动通信指挥车、地面通信指挥中心接收并处理语音信号和射频信号。

        飞艇是一种轻于空气的无人飞行器，以太阳能转化成的电能为主要能源，再生式燃料电池为辅助能源，釆用电驱动螺旋桨或者新型离子推进器，能在20〜30km的高空范围内长时间地定点悬停或低速机动飞行。飞艇具有长时定点能力，可长时间相对于地球准静止，这个特点使飞艇在完成任务时有其他飞行器无法替代的作用。

       飞艇是具有推进装置的轻于空气(Lighter-Than-Air,LTA)的飞行器，它与系留气球最大的区别在于：气球没有动力装置实现飞行，也没有操纵舵实现有控飞行；飞艇虽然也靠空气浮力升空，但它配置有发动机、空气螺旋桨(或其他类推进器)、操纵舵，能实现由动力推进、可操纵、可控制的飞行。飞艇升降控制方法有多种，如抛掉水、沙袋等压舱物或冷却回收发动机尾气中的水分补充压舱物；经排气阀门放掉一些气体或用储气罐补充气体；操纵螺旋桨转向，改变推力矢量方向产生垂直方向升力。

1)飞艇分类

       飞艇按结构类型分为软式飞艇、半硬式飞艇和硬式飞艇；按升空高度和体积大小分为平流层飞艇和对流层飞艇。平流层飞艇由于技术难度大，尚处于研发阶段。对流层飞艇按照驾驶方式可分为载人飞艇和遥控飞艇。载人飞艇指由专业飞艇驾驶员全程操纵、驾驶的飞艇。遥控飞艇是一种能实现超视距动态实时监测遥控和程序控制的无人飞行器系统。它具有遥控飞行和自主控制飞行两种控制模式，遥控飞行主要用于起飞和降落，自主控制飞行主要用于巡航或任务飞行。它具有有效载重大、留空时间长、可在空中定点和悬停、使用成本低、无须专用机场和跑道、安全性高等特点，能够实现对飞艇的目测遥控飞行、超视距实时监控以及自主控制飞行并完成特定的任务。在空中预警、电子对抗、通信指挥、城市交通监控、环境监测和地质勘探等领域遥控飞艇都能发挥出重要的作用SR。因此，无人遥控飞艇是应急通信系统空中平台的较佳选择。

2)飞艇组成

       遥控飞艇系统主要包括空中部分和地面部分。空中部分主要由囊体、尾翼、吊舱、头锥和任务系统等部件及必要的功能分系统组成，见图7.5。地面部分为测控指挥车。

(1)囊体：飞艇的囊体内部分隔为1个主气囊和2个副气囊，主气囊用于存储氮气,副气囊存储空气，用于维持飞艇内部的压差和重心调节。

(2)尾翼：尾翼安装于囊体尾部，一般为x型布局，尾翼上设有舵面，用于维持飞艇的稳定性和操纵。

(3)吊舱：吊舱一般设在囊体的下部，主要用于装载发动机、油箱、动力转向系统、电池、控制系统以及镇重等设备。

图7.5     遥控飞艇系统组成结构图

       (4)头锥：头锥位于囊体前端，其主要作用是为满足地面牵引和地面系留的需要，将牵引和系留的集中载荷分散均匀地传递给囊体，避免囊体受损。

      (5)任务系统：任务系统主要由航拍系统和空中无线通信网络系统组成。航拍系统可以实时航拍突发事件地区的图像，并对重点区域进行长时间的立体监控。空中无线通信网络系统可以使受灾地区和外面能够正常通信，准确地把最前沿的灾情报告传递出来。

      (6)测控指挥车：测控指挥车为飞艇的地面移动测控指挥平台，集飞艇监测、飞艇遥控指挥、地面指挥调度、信息转换、汇报演示、商务办公及生活保障等多种功能为一体，强化了飞艇系统的实用功能，提髙了整个系统的品质。

       由于高空环境条件特殊，飞艇研发生产技术除了要研制高性能的任务系统，还必须解决轻质、大跨度结构设计与特种材料、高效太阳能电池与储能系统、高效推进动力系统、自适应定点控制等方面的关键技术。其中自适应定点控制关键技术成为制约高空飞艇平台发展的核心关键技术，它涉及浮升气体控制、位置修正、姿态调整、推进动力控制、专家系统控制等方面的综合主动控制问题。总的来说，飞艇自适应控制要解决以下关键问题：浮力控制、位置修正、姿态调整、推进动力控制、专家系统控制。

1)浮力控制

       浮力控制要解决浮升气体的压力与温度控制问题。

       (1)浮升气体的压力控制：为了维持设计的低阻飞艇外形和飞艇具有足够的刚度，飞艇内部需要保持高于艇体外部一定的压力(3%〜5%)。飞艇从地面升到高空，空气密度与气压越来越低，为了使気气产生的浮力与气囊内外压差不变，氮气体积需要膨胀。在地面，気气只占艇体体积的7%左右，而到20km高空后気气需要充满艇体体积的96%以上，氮气体积要膨胀到地面的约14倍。如此大的氮气膨胀范围给浮升气体压力控制带来了很大的难度。另外，依据目前的技术水平，期望的设计速度为30〜40m/s,若要承受1〜2t的任务载重，所需的艇体体积在400000-1500000m3,长度在200m左右，要实现均匀的压力控制难度很大。

     （2）浮升气体的温度控制：平流层昼夜温差很大，引起大气压的变化。由于太阳能电池吸收效率较低，与太阳能电池接触的一面温度起伏范围在70〜100°C与-70〜-100C,温差造成艇体内部气体温度、压力变化，继而影响到飞艇的外形和浮力，造成飞艇的高度漂移、姿态变化和抗风能量下降。高空空气密度低，使太阳能电池表面的余热不能被及时带走，不仅使艇体内部氮气温度升高，还降低了太阳能电池效率。由于浮升气体占很大的空间，温度控制变得十分困难。

2）位置修正

       高空飞艇在执行任务时，由于环境变化，其位置发生漂移，位置修正是指由控制系统根据定点要求不断地修正环境变换所引起的飞艇漂移。位置修正是浮升气体控制、姿态调整、推进动力控制等方面的综合控制。影响高空飞艇位置精度的主要因素有高空的大气风和温度变化。季节和昼夜变化的温差引起飞艇浮力的扰动，使飞艇发生垂直方向的位置变化。水平方向的大气风是影响飞艇位置精度的关键因素，平流层的大气风随季节、区域会发生很大变化。一般来说，冬季风速较大，夏季风速较小；中高纬度风速较大，赤道附近风速较小。在日本稚内市，冬天最高风速达到59m/s,飞艇保持位置的能源需求达到850kW；风向在水平面内变化，基本上是层流，紊流度很小，中高纬度地区夏天是东风，其他时间是西风，在春夏之交与夏秋之交会发生逆变换，发生逆变换时风向会有剧烈的反复变化。因此，必须要解决大气风、大气温度对飞艇位置修正造成的影响问题。

3）姿态调整

       飞艇在低速和低密度情况下，艇面气动效率降低，再加上飞艇体积庞大，表面为布纹结构，运动时会带动周围气团一起运动，产生附加质量和惯量，使飞艇动态飞行品质比一般航空飞行器变得更为复杂。当航向与风向夹角小于90。时，动态操纵响应时间增大，姿态调整能力变差，需要增加直接力控制，这样就要解决复杂的舵面与直接力混合控制问题。

       作用在高空飞艇上的力有气动力、浮力和直接力等，所以在定点控制时姿态调整与飞机等有很大区别。飞艇在抗风时需要保证迎角与侧滑角为0。，这样就能使飞艇所受到的阻力最小，使动力需求降低。在风向发生变化后，飞艇要立即控制偏航操纵系统，使航向始终对准风向。由于风速与风向是随机变化的，使航向始终对准风向的这种姿态调整的复杂度明显增加。在冬季，飞艇驻空抗风时航向基本处于东西方向，中高纬度区域风速很大，由南向北斜射的太阳光无法照射到面北的太阳能电池，摄取的太阳能总量降低，飞艇推进动力系统无法获取足够的能量来抵御风力，导致飞艇可能被大风吹离执行任务区域。因此飞艇在冬天抗风过程中，除了要使航向与风向完全对准，还需要研究飞艇随纬度变化的姿态调整，使太阳能电池随着太阳偏转。

4）推进动力控制

       在飞艇上釆用了电动机带动螺旋桨，以抵消风力。由于风速、风向变化具有很大的随机性，推进动力控制系统需要根据当时飞艇的位置、姿态以及风向、风速大小调整电机转速大小，改变推力，使位置保持在预定的区域内。因此，需要研究动力系统的最佳  

控制策略和控制方案。

5)专家系统控制

       平流层的大气环流虽然复杂，但研究表明，平流层大气环流变化是造成对流层季节变换的主要因素。由此可见，平流层的大气风宏观上呈现季节性周期变化，但微观上有很大的随机性，若不进行优化控制，必然会使飞艇的动态响应时间变长，推进动力负荷增加，能耗增加，还有可能造成飞艇漂移程度无法满足其完成任务的要求，所以需要研究使飞艇具有环境自适应能力的专家系统。

       飞艇相对于飞机来说最大的优势就是它具有无与伦比的滞空时间。飞机在空中飞行的时间是以小时为基本单位来计算的，而飞艇则是以天来计算的。飞艇还可以悄无声息地在空中飞行，这一点在军事上的应用中同样重要。1957年3月，美国一艘ZPG-2型软式飞艇在一次飞行中创造了连续飞行264.2小时的世界纪录，其总里程长达15200km。军用飞艇一般都使用氮气保持浮力，因此能安静并且平稳地完成升降和飞行，这对其携带高科技监视设备至关重要。飞艇可以在其气囊中携带大型雷达天线，而后者的形状和尺寸几乎不受限制。与飞机相比，军用飞艇可降低约30%的能耗和飞行费用，其雷达反射面积也比现代飞机小许多。

       现代飞艇的安全性己经有了质的提高。氮气是一种稀有气体，不可燃。由于飞艇气囊中的氮气压力并不是很大，仅仅只需要能保持其外形即可。所以即使被枪弹击中，如果弹孔不大，那么氮气的泄漏速度将是非常缓慢的，几乎可以暂时不用处理。如果枪洞很大，飞艇就不得不取消既定的行动计划，但仍然有足够的时间返回基地。另外，飞艇还可以在恶劣天气下照旧飞行，只要当时的风速不要超过30节即可。但其高昂的造价制约了其发展和普及。

       飞艇在灾害救援中也提供了新思路。因为当自然灾害发生时，救援力量如何能够尽快到达灾区，提供应急电力、应急通信等服务，无疑是一项生死攸关的重要问题。

       在灾害发生后，根据受灾区域大小，在任务系统相对固定的情况下，选用功能满足要求的飞艇系统。根据受灾区域的特点和救灾的需要，将飞艇系统布置到受灾区域外围的合适位置。飞艇在测控指挥车的遥控指挥下，从受灾区域外围的临时放飞场起飞，通过巡航机动和上下机动直接奔赴受灾区域内部，对重点区域进行监测，飞艇上的任务设备将接收到的图像数据和通信数据通过微波链路传输到地面接收设备，进而接入地面移动通信网，将灾区最前沿的第一手灾情信息传递出来。飞艇完成任务以后原路返回，并在原放飞场降落。

       无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全或间歇地自主操作。而系留式无人机作为一种近两年发展起来的无人机分支，克服了普通多轴无人机留空时间短、载重量小、飞行不稳定的缺点，非常适合各种专业领域应用。

临近空间是指“空”与“天”的结合部，普遍将其定义为海拔20〜100km空域。该领域己成为世界大国战略博弈和角逐的新兴战略空间。临近空间超长航时无人机是支撑临近空间信息产业发展的重要基础设施之一。

美国外交学者网站2017年7月18日报道称，据中方媒体报道，中国航天科技集团最新研发、性能最强的攻击和侦察无人机“彩虹”・5无人机已经量产。作为一款中空长航时无人机，据说“彩虹”・5无人机的翼展长达21m,最大航程为6500km,实用升限超过7000m,可承载高达1200kg的有效载荷，见图7.6。

图7.6   国产“彩虹”-5查打一体无人机

 

1.无人机分类及特点

       目前无人机主要分为民用级无人机和专业级无人机两个领域，民用级无人机的代表为深圳市大疆创新科技有限公司出品的一系列无人机，如精灵系列、悟系列、御系列等航拍用无人机以及农业用的行业应用无人机，这些无人机因其主要面向民用，载荷都很小，自带蓄电池的设计在保证了机体轻便的同时也使得飞行时间都在25min左右，因此无法匹配高空基站的需求。

       专业级无人机领域又主要分为旋转翼无人机、系留式无人机和固定翼无人机三种，如图7.7所示。

图7.7   三种专业级无人机

     （1）旋转翼无人机操控非常简单，它不需要跑道便可以垂直起降，起飞后可在空中长时间悬停；共轴双旋翼无人机的主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。这种直升机因无尾桨，所以也就不需要装长长的尾梁，机身长度也可以大大缩短。有两副旋翼产生升力，每副旋翼的直径也可以缩短。机体部件可以紧凑地安排在直升机重心处，所以飞行稳定性好，也便于操纵。与单旋翼带尾桨直升机相比，其操纵效率明显有所提高。此外，共轴式直升机气动力对称，其悬停效率也比较高。代表型号有北京航空航天大学研制的F300和北京中航智科技有限公司的TD220等。可以在3000m高空悬停3h以上。电源系统、特定定制电缆供电及传输，可实现在一定载荷下长时间悬停（超过24h）在30〜500m的空中，搭配不同的载荷，实现远距离通信覆盖。

     （2）系留式无人机具有携带方便、开设迅速、操作简单的特点，可实现大范围通信覆盖。根据绞车的固定位置，可分为地面固定式、车载移动式和便携移动式三种工作方式以适应各种工作环境的需求；系留式无人机由于体型较小，负载非常有限，目前载荷为2〜10kg,这一点限制了其应用范围。中国电子科技集团公司第七研究所、中国航天科工集团有限公司、北京大工科技有限公司等都开发了相应的产品。

    （3）固定翼无人机尺寸相对较大（翼展几米到几十米），操控距离较远（如果搭载卫星通信链路可实现超视距操控，几百上千公里都可以），飞行高度较高（几千米到上万米），负载相对较大（几百公斤）；固定翼无人机速度快（一般在150km/h以上），航程远，航时长，但起降受场地限制比较多；由于固定翼无人机巡航速度快，对于无线通信的传输和基站设备要求较高；另外，固定翼无人机操作复杂，需要培训专业的人员操控；国内，成都飞机设计研究所的翼龙、中国航天动力院的云影等都是很优秀的产品。表7.1是三种无人机主要参数对比。

表7.1三种无人机主要参数对比

	旋转翼无人机	系留式无人机	固定翼无人机
飞行高度	>3000m	>100m	>5000m
载荷重量	50〜100kg	10kg左右	>100kg
供电方式	220V交流/48V直流	220V交流	—
滞空时间	3〜6h	>8h	>20h

       可以看出，固定翼无人机虽然载荷大，续航久，但是由于对各项设备要求较高，不适合用于高空基站的快速搭建，更适合做采集前端，主要的升空平台还是将从旋转翼无人机和系留式无人机中选取。

     目前世界上研制生产无人机系统的国家至少有20多个，其中美国、中国和以色列处于领先地位。美国是世界上生产无人机系统品种最多、使用最广泛的国家，在发展长航时无人机系统方面占主导地位。无人机关键技术可以归纳为以下几方面。

1）跟踪、测控、通信一体化信道综合技术 

       早期无人机数据链大都釆用分立体制，遥控、遥测、视频传输和跟踪定位用各自独立的信道，设备复杂。为了简化设备或节省频谱，20世纪80年代后，大量釆用先进的统一载波综合体制，根据需要和可能来进行不同程度的信道综合，构成不同形式的无人机综合数据链。无人机数据链常用的信道综合体制是“三合一”和“四合一”综合信道体制。

       所谓“三合一”综合信道体制是指跟踪定位、遥测和遥控的统一载波体制，即利用遥测信号进行跟踪测角，利用遥控与遥测进行测距，而使用另外的单独下行信道进行视频信息传输。

      所谓“四合一”综合信道体制是指跟踪定位、遥测、遥控和信息传输的统一载波体制，即视频信息传输与遥测共用一个信道，利用视频与遥测信号进行跟踪测角，利用遥控与遥测进行测距。视频与遥测共用信道的方式包括两种：一种是模拟视频信号与遥测数据副载波频分传输；另一种是数字视频数据与遥测复合数据传输。釆用“四合一”综合信道体制，就要解决直接接收宽带调制信号的天线高精度自动跟踪问题。

       “四合一”综合信道体制的信道综合程度最高，在现代无人机数据链中得到广泛应用，但“三合一，，综合信道体制将宽带与窄带信道分开，从某种角度来说具有一定的灵活性。

2)通信数据抗干扰传输技术

       在数据链的工作频段方面，为了适应数据传输能力和系统兼容能力增高的需求，除少数低成本、近距离或备用系统仍采用较低的VHF(30〜300MHz)、UHF(300〜3000MHz)频段以及L(1〜2GHz)、S(1.55〜3.4GHz)波段外，已大都釆用较高的C(4.0〜8.0GHz)、X(8〜12GHz)、Ku(10.7〜18.1GHz)波段。

      抗干扰能力是无人机测控系统性能的重要指标。无人机测控系统常用的抗干扰方法有抗干扰编码、直接序列扩频、跳频和扩频结合。既要不断提高上行窄带遥控信道的抗干扰能力，也要逐步解决好下行宽带图像/遥测信道的抗干扰问题。此外还要解决好低仰角条件下，以及山区或城市恶劣环境条件下的抗多径干扰问题。

3)超视距中继传输技术

       当无人机超出地面测控站的无线电视距范围时，数据链必须釆用中继方式。根据中继设备所处的空间位置，又分为地面中继、空中中继和卫星中继等。

       地面中继方式的中继转发设备置于地面上，一般架设在地面测控站与无人机之间的制高点上。由于地面中继转发设备与地面测控站的高度差别有限，所以该中继方式主要用于克服地形阻挡，适用于近程无人机系统。

空中中继方式的中继转发设备置于某种合适的航空器(空中中继平台)上。空中中继平台和任务无人机间釆用定向天线，并通过数字引导或自跟踪方式确保天线波束彼此对准。这种中继方式的作用距离受中继航空器高度的限制，适用于中程无人机系统。

       卫星中继方式的中继转发设备是通信卫星(或数据中继卫星)上的转发器。无人机上要安装一定尺寸的跟踪天线，机载天线釆用数字引导指向卫星，釆用自跟踪方式实现对卫星的跟踪。这种中继方式可以实现远距离的中继测控，适用于大型的中程和远程无人机系统，其作用距离受卫星天线波束范围限制。

       以色列I/ELTA公司的EI/K-1850数据链，经无人机空中中继作用距离从200km扩展到370kmo美国在“捕食者”和“全球鹰”长航时无人机使用Ku波段和UHF波段的卫星中继数据链,Ku波段地面天线口径分别为5.5m和6.25m,机上天线口径分别为0.76m和1.22m,上行遥控数据速率可达200Kbit/s,下行图像/遥测数据速率分别为1.544Mbit/s和50Kbit/s，作用距离3000km以上。

4）一站多机数据链技术

       在无人机任务传感器视频信息传输方面，从20世纪90年代起已开始应用图像数字传输技术，目前已在大部分无人机系统中使用。无人机动态图像压缩编码后，图像/遥测复合数据速率已减到最小为1〜2Mbit/s（例如，美国的1.544Mbit/s,以色列的2.2Mbit/s）,对应的图像分辨率为720像素x576像素。

       一站多机数据链是指一个测控站（地面或空中）与多架无人机之间的数据链。测控站一般采用时分多址方式向各无人机发送控制指令，釆用频分、时分或码分多址方式区分来自不同无人机的遥测参数和任务传感器信息。如果作用距离较远，测控站需要采用增益较高的定向跟踪天线，在天线波束不能同时覆盖多架无人机时，则要釆用多个天线或多波束天线。在不需要任务传感器信息传输时，测控站一般釆用全向天线或宽波束天线。当多架无人机超出视距范围以外时，需要釆用中继方式。根据中继方式不同，又分为空中中继一站多机数据链和卫星中继一站多机数据链。

5）多信道多点频收发设备的电磁兼容技术

       无人机数据链有上下行信道，又要考虑多机多系统兼容工作和必要时的中继转发，再加上由于安装空间的限制，多信道多点频收发设备的电磁兼容问题十分突出。要根据这些特点，在频段选择和频道设计上周密地考虑，并采取必要的滤波和隔离措施。

6）无人机任务规划与监控技术

       无人机地面控制站要完成复杂的任务规划和监控功能，要根据处理数据量大和要求实时性强的特点，解决好多任务数据处理、组合定位、综合显示和大容量记录等问题，做到显示清晰、操作方便、人机友好。

7）机载设备的耐溫、抗振、小型化结构设计技术

       无人机机载设备小型化一直是无人机系统始终追求的目标。随着无人机测控系统性能的提高，设备小型化的要求越来越高。应根据无人机的使用特点，解决好机载设备耐温和抗振问题，不断研究机载设备小型化综合设计技术，使高性能的复杂设备的规模控制在允许范围内，使具有基本功能的设备能在微小型无人机上安装。

8）地面设备的机动、便携结构设计和装车技术

       为了发挥无人机系统使用机动灵活的优势，一般要求地面测控站能车载机动，某些简单小型测控站还能便携使用。这就要求地面设备也尽量小型化，既要符合车载或便携设备的相关规范，又要根据无人机地面控制站和地面数据终端的设备特点，解决好设备的材料、结构和工艺问题，满足耐温、抗振、防雨和防盐雾等环境适应性要求，并便于操作、使用和维修。

       我国的无人机测控技术经过20多年的发展，已突破了综合信道、图像数字化压缩、宽带信号跟踪、上行扩频、低仰角抗多径传输、多信道电磁兼容、空中中继、卫星中继、组合定位、综合显示和机载设备小型化等一系列关键技术，已成功研制生产多种型号的数据链和地面控制站，釆用视距数据链、空中中继数据链或卫星中继数据链，分别实现对近程、短程、中程和远程无人机的遥控、遥测、跟踪定位和视频信息传输。产品已与多种无人机型号配套，小批量生产，装备使用。

       无人机一方面比卫星更便宜、更灵活；另一方面，相比执行监视侦察的飞机和船只，它们飞得更高，更加远离战场。因此，在应急通信应用中，无人机既可以做前端釆集设备，又可以做空中通信平台；既可以用于无线信号覆盖，又可以用于信号传输中继。

       高空移动驻留应急平台是将基站通过无人机、飞艇、气球等作为通信载体，从空中向下覆盖目标区域的通信系统。高空移动驻留应急平台与地面之间以及平台之间的传输链路可以是卫星，也可以是电台。高空移动驻留应急平台主要优点如下：具有很强的灵活性，可快速部署；部署不受道路条件限制，在地震、近海类抢险中优势明显；可进行大范围覆盖，更加方便与地面受灾人员进行语音、视频通信联系。

      高空移动驻留应急平台构成如图7.8所示，无人机、飞艇或气球迅速飞到受灾区域上空，对应急区域进行覆盖。应急平台可以通过地面电台或卫星与核心网进行连接。

图7.8   高空移动驻留应急平台构成

       高空移动驻留应急平台一般在1000〜3000m的高空工作，主要设备除无人机、飞艇、气球等通信载体，还包含主基站设备、天线、传输设备、电源设备、监控设备等。

       主基站设备：中国有超过90%的移动用户使用GSM网络，高空移动驻留应急平台可以选择宏蜂窝设备，也可以选择无线Mesh基站设备。

       天线：最好选择覆盖和传输双频段天线，这样干扰小。以覆盖为目的，选择方向性较好的近似半球形的天线。

       传输设备：以点对多点的微波、卫星为传输手段，同一场景下的应急平台仅考虑使用一种传输手段。

       电源设备：通常使用高空移动驻留通信载体自备电源，如系留气球的系留供电缆绳、飞艇的发电机以及无人机的锂电池、太阳能电池等。

       监控设备：对设备、环境进行监控。

       表7.2为某高空移动驻留应急平台各设备相关参数。

表7.2某高空移动驻留应急平台设备配置和参数

序号	设备	重量/kg	尺寸	-功耗/kW
1	GSM主设备	150	600mm X 600mm X 1800mm	3.5
2	G网天线	75	2500mm X 600mm X 150mm	—
3	微波天线	7	直径1500mm	—
4	传输设备	25	500mm X 300mm X 300mm	I
5	监控设备	10	600mm X 300mm X 300mm	1
6	电源设备	10	600mm X 600mm X 50mm	—

       按照上述对天线的选择，模拟天线增益约为3dBi,天线挂高1km。以自由空间模型加上20dB的穿透损耗，手机接收电平设为-95dBm,则覆盖半径可达到30km,几乎逼近GSM系统的覆盖极限。