CN103051373B - 基于自旋翼无人机的空中应急通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自旋翼无人机的空中应急通信系统。该系统包括自旋翼无人机、地面控制站、数据链路和高空移动基站任务载荷。其中，高空移动基站任务载荷安装在自旋翼无人机上，地面控制站通过无线上行链路控制无人机按设定航线飞抵灾区上空后，控制飞行器在设定位置上空小范围盘旋，移动基站开通开始工作，通过无线下行链路的数据通道传递移动通信数据至地面控制站，实现高空基站手机信号落地，并通过有线方式接入公网，完成移动通信。本系统续航飞行时间长，负载能力强、可迅速、便捷抵达灾害现场上空，为地震等灾害情况下应急通信提供保障。

Description

基于自旋翼无人机的空中应急通信系统

技术领域

本发明涉及应急无线通信系统，具体涉及一种基于自旋翼无人机的空中应急通信系统。

背景技术

地震、洪水、泥石流等自然灾害发生时，地面通信设施会遭到严重破坏，致使通信中断。通常可以采用氦气艇或热气球搭载移动基站，前往灾区上空形成空中移动平台，实现应急通信。但氦气艇成本高、地面设备复杂庞大、操作维护难度大，很难进入实际应用区域和现场；热气球难于控制、安全性差。虽然固定翼飞机或直升机能方便快捷进入灾区，但由于其负载能力有限，不能搭载移动基站，小型固定翼无人机在通信方面大多只用于设备体积、重量较小的中继转发。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于自旋翼无人机的空中应急通信系统，在自旋翼飞机上搭载移动基站，可迅速、便捷地抵达灾害现场上空，为地震等灾害情况下应急通信提供保障。此外，旋翼飞行器的稳定性是所有航空器中最高的，具有高安全性，而且自旋翼飞机起飞、降落滑跑距离小，更适应于着陆场地狭小的山地、丛林等实际场所，并且自旋翼飞机无需发射和回收装置，地面保障设备简单，造价及使用维护成本低。

本发明的基于自旋翼无人机的空中应急通信系统包括自旋翼无人机、移动通信基站任务载荷和地面控制站。

其中，自旋翼无人机是在拆除自旋翼有人机驾驶部分的基础上安装有自动驾驶系统，自动驾驶系统包括测姿及导航设备、飞控器和操纵装置。其中，测姿及导航设备用于测量自旋翼无人机的倾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度和航线，并采用微机械惯组/卫星导航组合导航系统引导飞机按照预定的航线飞行；测姿及导航设备与飞控器之间采用串行接口连接，飞控器实时接收测姿及导航设备的测量数据和遥控命令，形成控制指令并发送给操纵装置；操纵装置为机电式执行机构，根据飞控器的控制指令移动自旋翼无人机的翼面，实现对自旋翼无人机的飞行控制。

移动通信基站任务载荷集成在自旋翼无人机上，所述移动通信基站任务载荷包括基站设备和基站天线；其中，基站天线安装在驾驶舱下部；基站设备采用轻量化基站，集成安装在驾驶舱内。

地面控制站用于规划任务、标定与修改飞行路线、监控飞行器位置、控制飞行器、控制和监视移动通信基站任务载荷、存储与处理移动通信基站任务载荷数据、发射与回收自旋翼无人机。

在自旋翼无人机上设有机上无线通信终端设备，机上无线通信终端设备与飞控器、移动通信基站任务载荷以及机上其他设备相连；在地面控制站上设有地面无线通信终端设备；所述基于自旋翼无人机的空中应急通信系统通过机上无线通信终端设备和地面无线通信终端设备建立数据链路，通过数据链路进行指挥和通信，其中数据链路包括上行链路和下行链路：

（1）上行链路用于地面站对飞行器以及机上设备的控制；

（2）下行链路有两个通道，一个通道为状态遥测通道，用于向地面站传递当前的飞行器状态及机上设备状态信息；第二个通道用于向地面站传递移动通信基站任务载荷数据。

本发明的基于自旋翼无人机的空中应急通信系统中的基站天线采用吸顶式全向天线。

本发明的基于自旋翼无人机的空中应急通信系统中的自旋翼无人机的油箱为205升，发电机功率为2kW，油箱安装在自旋翼无人机的重心上。

一种采用本发明的基于自旋翼无人机的空中应急通信系统的通信方法，包括以下步骤：

步骤一，根据任务需要，选择飞行器的起降点和地面控制站架设点。

步骤二，按照任务要求，地面控制站进行任务规划，装订设置无人机飞行路线、到达位置。

步骤三，当无人机具备起飞条件，发动机点火起飞；地面控制站通过无线上行链控制无人机按设定航线飞抵灾区上空；无人机通过无线下行链路的遥测通道，实时向地面控制站传递当前的飞行器状态及机上设备状态信息，地面控制站监视飞行器状态、位置，控制飞行器在设定位置上空小范围盘旋。

步骤四，移动基站开通开始工作，通过无线下行链路的数据通道传递移动通信数据至地面控制站，实现高空基站手机信号落地。

步骤五，地面控制站接收手机信号后，通过有线方式接入公网，完成移动通信。

有益效果：

（1）本发明的基于自旋翼无人机的空中应急通信系统，可以迅速、便捷地抵达灾害现场上空，为地震等灾害情况下应急通信提供保障。

（2）加大自旋翼无人机油箱至205升，发电机功率增大至2kW，提高旋翼无人机的续航能力，续航时间大于6h。

（3）本发明可以采用人为遥控或程序控制的飞行方式控制自旋翼无人机的飞行，控制半径为100km、高度为3km。

（4）本发明采用自旋翼无人机搭载移动通信基站，可搭载130kg以上的任务载荷，载重量大，且抗风能力强，可抗6级风，有效供电功率大于2kW。

附图说明

图1为自旋翼无人机空中应急通信系统应用示意图。

图2为自旋翼无人机设备安装结构图。

图3为自旋翼无人机的空中应急通信系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于自旋翼无人机的空中应急通信系统，该系统包括自旋翼无人机、移动通信基站和地面控制站。

自旋翼无人机是在有人驾驶自旋翼飞机的基础上进行无人化改造，具体实施方式为：

（1）首先对自旋翼飞机进行气动特性分析和操纵响应特性分析。通过分析自旋翼无人飞行器的飞行动力学模型，建立自旋翼无人飞行器的非定常运动方程组；对自旋翼飞行器的配平进行计算和分析，给出全飞行高度范围和全飞行速度范围内的配平操纵量、姿态角、旋翼挥舞角以及旋翼转速等，主要包括油门开度随前飞速度变化配平曲线、旋翼横向周期变矩随前飞速度变化配平曲线、旋翼纵向周期变矩随前飞速度变化配平曲线、方向舵舵角随前飞速度变化配平曲线、机体侧倾角随前飞速度变化配平曲线、机体俯仰角随前飞速度变化配平曲线、旋翼后倒角随前飞速度变化配平曲线、旋翼旋转角速度随前飞速度变化配平曲线等。

以自旋翼飞机气动特性为基础，通过采用对自旋翼飞机进行几何测绘、称量、飞行过程中的实时动态数据采集与系统辨识等技术手段，完成全尺寸几何-质量模型和实时飞行参数模型的建立与修订；对各个控制通道的构成、运动特性进行分析，掌握飞行控制操作流程；在此基础上，获得自旋翼无人机的基本控制律，传感器、伺服机构的选型及其配置方式。

（2）在自旋翼无人机上安装自动驾驶系统，包括测姿及导航设备、飞控器和操纵装置（舵机扩展板），各部分之间通过总线进行通讯。其中，测姿及导航设备与飞控器之间采用RS422串行接口连接，将航姿、导航数据传输给飞控器；飞控器根据测姿及导航设备的检测数据和遥控命令，形成控制指令，并将控制指令发送给操纵装置，进而控制相应的伺服电机运动。

其中，测姿及导航设备采用微机械惯组/卫星导航组合导航系统，设备包括三轴微机械陀螺仪、三轴加速度计、气压高度传感器、磁航向传感器等，可对自旋翼无人机的倾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度、航线等进行精确测量。

飞控器集成有多路串行口接口，支持外部载荷的通讯和控制。串行接口支持标准的数传调制解调器和组合导航设备。飞控器实时接收传感检测数据和遥控命令，形成控制误差信号，误差信号经放大后用于设定控制翼面的适当位置，从而产生一个力来让飞行器到期望的位置，使误差信号逼近于零，实现飞行自动控制。可对飞行控制参数进行调整，以满足安装不同种类任务载荷时，自旋翼无人机的稳定性和操纵性。

操纵装置为机电式执行机构，根据飞控器指令，产生所需的力来移动翼面。系统支持4路舵机输出，通过外置伺服驱动电路板，最多可外扩展8路舵机输出。

（3）根据载荷重量、续航能力要求，油箱增大到205升，发电机功率增大到2kW。油箱安装位置至于飞机重心上。

（4）在自旋翼机上集成移动通信任务载荷。移动通信基站任务载荷包括基站设备（主设备）和基站天线。其中，基站天线安装在驾驶舱下部，基站设备集成安装在驾驶舱内。

其中，基站设备采用轻量化基站，基本配置为6载频，同时定制机架以保证设备的抗震能力。考虑到旋翼飞行器不做空中悬停而是在目标上空盘旋的特点，同时考虑设备安装空间有限，基站天线采用吸顶式全向天线设备。

（5）地面控制站建设。地面控制站包含任务规划计算机、控制计算机、任务载荷数据的显示和任务载荷的控制设备，主要实现如下功能：规划任务、标定与修改飞行路线、监视飞行器位置、控制飞行器、控制和监视移动通信基站任务载荷、存储与处理移动通信基站任务载荷数据、发射与回收飞行器等。地面站设备集成在一辆机动载车上，具有良好的机动性能。地面控制站采用模块化结构，具有开放性、互用性、公共性。

其中，任务规划计算机用于规划任务、在地图上显示飞行器位置及航线。

控制计算机用于飞行器状态的读取和控制，为操作员提供控制飞行器、数据链路的界面。

（6）在机上和地面控制站上安装无线通信终端设备，建立数据链路。该系统通过数据链路进行指挥和通信。数据链路包括上行链路和下行链路：

a.上行链路（指挥链路）带宽为4.8kHz，用于地面站对飞行器以及机上设备的控制；

b.下行链路有两个通道，一个通道为状态遥测通道，用于向地面站传递当前的飞行器状态及机上设备状态（如发动机状态、油箱状态等）信息，该通道需要较小的带宽，类似于指挥链路。第二个通道用于向地面站传递移动通信基站任务载荷数据，带宽为2MHz。

无线通信终端设备包括RF接收机、发射机及调制解调器，天线采用全向天线。

基于自旋翼无人机的空中应急通信系统的通信方式如下：

首先，根据救灾任务需要，选择适当的地点作为飞行器的起降点和地面控制站架设点；按照任务要求，地面控制站进行任务规划，装订设置无人机飞行路线、到达位置等；当无人机具备起飞条件，发动机点火起飞；地面控制站通过无线上行链路（指挥链路）控制无人机按设定航线飞抵灾区上空（距离不超过100km、高度不超过3km）；无人机通过无线下行链路的遥测通道，实时向地面控制站传递当前的飞行器状态及机上设备状态等信息，地面控制站监视飞行器状态、位置，控制飞行器在设定位置上空小范围盘旋；然后，移动基站开通开始工作，通过无线下行链路的数据通道传递移动通信数据至地面控制站，实现高空基站手机信号落地，并通过有线方式接入公网，完成移动通信；地面控制站实时监视无人机工作状态，根据燃油情况适时发出返航指令；无人机按设定航线返航、降落。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于自旋翼无人机的空中应急通信系统的通信方法，其特征在于，所述应急通信系统包括自旋翼无人机、移动通信基站任务载荷和地面控制站；

其中，自旋翼无人机是在拆除自旋翼有人机驾驶部分的基础上安装有自动驾驶系统，自动驾驶系统包括测姿及导航设备、飞控器和操纵装置；

其中，测姿及导航设备用于测量自旋翼无人机的倾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度和航线，并采用微机械惯组/卫星导航组合导航系统引导飞机按照预定的航线飞行；测姿及导航设备与飞控器之间采用串行接口连接，飞控器实时接收测姿及导航设备的测量数据和遥控命令，形成控制指令并发送给操纵装置；操纵装置为机电式执行机构，根据飞控器的控制指令移动自旋翼无人机的翼面，实现对自旋翼无人机的飞行控制；

移动通信基站任务载荷集成在自旋翼无人机上，所述移动通信基站任务载荷包括基站设备和基站天线；其中，基站天线安装在驾驶舱下部；基站设备采用轻量化基站，集成安装在驾驶舱内；

地面控制站用于规划任务、标定与修改飞行路线、监控飞行器位置、控制飞行器、控制和监视移动通信基站任务载荷、存储与处理移动通信基站任务载荷数据、发射与回收自旋翼无人机；

在自旋翼无人机上设有机上无线通信终端设备，机上无线通信终端设备与飞控器、移动通信基站任务载荷以及机上其他设备相连；在地面控制站上设有地面无线通信终端设备；所述基于自旋翼无人机的空中应急通信系统通过机上无线通信终端设备和地面无线通信终端设备建立数据链路，通过数据链路进行指挥和通信，其中数据链路包括上行链路和下行链路：

(1)上行链路用于地面站对飞行器以及机上设备的控制；

(2)下行链路有两个通道，一个通道为状态遥测通道，用于向地面站传递当前的飞行器状态及机上设备状态信息；第二个通道用于向地面站传递移动通信基站任务载荷数据；

所述通信方法包括以下步骤：

步骤一，根据任务需要，选择飞行器的起降点和地面控制站架设点；

步骤二，按照任务要求，地面控制站进行任务规划，装订设置无人机飞行路线、到达位置；

步骤三，当无人机具备起飞条件，发动机点火起飞；地面控制站通过无线上行链控制无人机按设定航线飞抵灾区上空；无人机通过无线下行链路的遥测通道，实时向地面控制站传递当前的飞行器状态及机上设备状态信息，地面控制站监视飞行器状态、位置，控制飞行器在设定位置上空小范围盘旋；

步骤四，移动基站开通开始工作，通过无线下行链路的数据通道传递移动通信数据至地面控制站，实现高空基站手机信号落地；

步骤五，地面控制站接收手机信号后，通过有线方式接入公网，完成移动通信。