CN217470292U - 一种无人机用低空4g或5g信号覆盖系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，涉及无人机组网技术领域，信号覆盖系统设于低空覆盖发射点处，包括接入天线、放大器组件以及低空天线，接入天线与放大器组件的高度差在30m以内，且低空覆盖发射点设置在无人机降落场的50‑300m范围内；接入天线与放大器组件连接，放大器组件与低空天线连接；接入天线采用4G/5G室外定向天线，朝向最大信号强度的位置设置；低空天线采用发射方向为半球形的半球形天线，正向天空设置，本实用新型通过采用改进后的放大器组件可以利用运营商现成的网络物流无人机运营商，建立起一个供无人机使用的低空5G/4G网络，从而解决距离地面100‑300m的低空4G/5G信号覆盖问题。

Description

一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统

技术领域

本实用新型涉及无人机组网技术领域，具体涉及到一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统。

背景技术

随着无人机技术的发展，特别是物流无人机的应用，对无人机的组网、全程监控提出了特别的要求，物流无人机运输距离相对较远(5-50公里)，航线固定，定时定点飞行同时在空的无人机数量较多，需要组网飞行控制和监控，因此使用三大运营商的公网作为控制传送信号特别方便。

现在民用的物流无人机起飞重量相对都比较重(15-50kg)，为了安全，一般要求飞行在距离地面100-300m的空间，但在这个空间范围内，地面公网的4G/5G信号覆盖并不好。经过测试发现，在城市人口密集区，地面高楼比较多的地方，运营商为了考虑高楼覆盖，地面基站的天线波束会稍微上倾，以覆盖高楼，这个时候在100-300m的低空，有一定的信号覆盖，但信号强度不高，小于-95dbm，一般在-100到-105dbm左右。而在人口密度低，无高楼的区域，在100-300m的低空，几乎没有地面的4G/5G信号。

在这种情况下，采用4G/5G无人机网关作为传输模块的物流无人机，在飞行过程中，就会出现信号中断的情况，通信时断时续，特别是在一些人口密度低，或者无人区，可能通信完全中断，无人机完全靠自主飞行，完全失控，只有在无人机开始降落，飞行高度降低到了距离地面40-60m的时候，才能重新接入地面4G/5G网络，地面无人机监控系统才能重新控制、监控无人机。这种情况，会造成飞行的不安全。

要解决距离地面100-300m的低空4G/5G信号覆盖问题，有3种方案：

1：让运营商调整地面基站的天线扫描角，让地面基站的某些波束朝上打，覆盖100-300m的低空空域。

2：让运营商建立专门的对空覆盖基站，建立一个能够覆盖空中的4G/5G网络，也就是所谓的ATG网络。

3：让物流无人机运营商自己建立一个覆盖低空的4G/5G网络。

方案1和方案2都需要求助于移动网络运营商，在现在物流无人机在还没有大规模在运营，在低空数据流量还不大的情况下，运营商花费大量精力和财力来建立低空4G/5G覆盖的动力不足。

方案3由物流运营商根据自己的物流无人机的飞行航线，建立自己的专门航线低空覆盖网络，可能是现在比较现实的方案。

因此，存在待改进之处，本实用新型提供一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统。

实用新型内容

针对现有技术所存在的不足，本实用新型目的在于提出一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，具体方案如下：

一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，所述信号覆盖系统设于低空覆盖发射点处，包括接入天线、放大器组件以及低空天线，所述接入天线与所述放大器组件的高度差在30m以内，且所述低空覆盖发射点设置在无人机降落场的50-300m范围内；

所述接入天线与放大器组件连接，所述放大器组件与所述低空天线连接；

所述接入天线采用4G/5G室外定向天线，朝向最大信号强度的位置设置；

所述低空天线采用发射方向为半球形的半球形天线，正向天空设置。

进一步的，所述接入天线与所述放大器组件之间通过第一馈线连接，所述第一馈线的长度不超过30m，信号衰减不大于7dbi。

进一步的，所述放大器组件与所述低空天线之间通过第二馈线连接，所述第二馈线的长度不超过3m，信号衰减少于2dbi。

进一步的，所述放大器组件内部设置有信号强度检测模块、射频模拟开关以及用于放大信号功率的一级固定放大器、二级可调整放大器，所述信号强度检测模块设置有两个，所述射频模拟开关设置有四个；

所述接入天线与所述一级固定放大器连接，所述一级固定放大器与所述二级可调整放大器连接，所述二级可调整放大器与所述低空天线连接；

所述4G/5G模式包括FDD模式和TDD模式，当地面网络是FDD模式时，四个所述射频模拟开关均处于联通状态，当地面网络是TDD模式时，四个所述射频模拟开关根据收发状态而定。

进一步的，所述一级固定放大器、二级可调整放大器均设置有两个；

所述接入天线、一级固定放大器、二级可调整放大器以及低空天线之间的连接线路设置有两条，其中一条所述连接线路以所述接入天线为输入端，另外一条所述连接线路以所述低空天线作为输入端。

进一步的，所述低空覆盖发射点可设置为高楼，所述高楼的楼顶用于安装所述放大器组件与低空天线，所述高楼低于楼顶30m以内的位置用于安装所述接入天线。

进一步的，所述低空覆盖发射点的所处高度高于所述无人机降落场20m以上，以所述低空覆盖发射点为中心半径为1-2km的范围内，该所述低空覆盖发射点的高度最高。

进一步的，所述低空覆盖发射点可设置多个，所述信号覆盖系统对应设置有多个，两个所述低空覆盖发射点之间的最大距离为10km。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型中的信号覆盖系统采用与现有4G/5G信号放大器相同的技术原理，通过接入天线给放大器组件接入更好的信号，之后，在保证信号稳定输出的前提下，由放大器组件对4G/5G信号进行双向放大，再之后，低空天线对是2Ghz左右的4G信号，在距离低空覆盖发射点300m到6km的范围内，其射频信号的强度在-82dbm到-94dbm的范围内；对3.6Ghz左右的5G信号，在距离低空覆盖发射点300m到6km的范围内，其射频信号强度在-87dbm到-99dbm的范围内，这样保证了一个放大器组件的覆盖范围内(0-6km)射频信号的基本稳定，建立起一个供无人机使用的低空5G/4G网络，使得无人机上的5G/4G网关有一个比较稳定的接入信号，从而保证了无人机与其中心控制器有一个稳定的接入速度。

综述，本实用新型相对需要网络运营商建立新的基站需要电源、传输、改造核心网等，采用放大器的结构成本低，可以利用运营商现成的网络物流无人机运营商，不需要重新建立核心网，移动运营商的网络不需要做任何改动，这种系统也不会对运营商的网络带来任何影响，可以充分享用移动技术的技术发展和技术更新，从而解决距离地面100-300m的低空4G/5G信号覆盖问题。

附图说明

图1为本实用新型中低空4G/5G信号覆盖系统的结构示意图；

图2为低空天线的信号增益图；

图3为放大器组件的结构示意图；

图4为信号覆盖系统组网后的结构示意图；

图5为本实用新型中5G无人机网关的架构图。

附图标记：1、接入天线；2、放大器组件；21、一级固定放大器；22、二级可调整放大器；23、信号强度检测模块；24、射频模拟开关；3、低空天线；4、低空覆盖发射点；5、第一馈线；6、第二馈线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

现有技术中，为解决距离地面100-300m的低空4G/5G信号覆盖问题，三种方案中以方案三为比较现实的方案，因此，本实用新型提出了一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，该系统采用与现有室内覆盖的4G/5G信号放大器相同的技术原理，在技术上做一些改进，用于解决上述信号覆盖问题。

如图1所示，一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，信号覆盖系统设于低空覆盖发射点4处，包括接入天线1、放大器组件2以及低空天线3，通过三个结构之间的配合，实现在无人机航线附近建立一个低空4G/5G网络，保证无人机的正常运作。

本实施例中，为便于该系统的安装，低空覆盖发射点4可设置为高楼，而且，为保证信号的正常覆盖，低空覆盖发射点4的所处高度高于无人机降落场20m以上，以低空覆盖发射点4为中心半径为1-2km的范围内，该低空覆盖发射点4的高度最高，即没有比低空覆盖发射点4更高的建筑，该且低空覆盖发射点4设置在无人机降落场的50-300m范围内。

高楼的楼顶用于安装放大器组件2与低空天线3，由于接入天线1与放大器组件2的高度差需在30m以内，因此，高楼低于楼顶30m以内的位置用于安装接入天线1，可选择高楼的外侧壁，或者高楼内部某层空间中。

接入天线1采用4G/5G室外定向天线，增益在7-15dbi均可，在安装时，朝向最大信号强度的位置设置，以保证有良好的地面4G/5G网络。低空天线3采用发射方向为半球形的半球形天线，在安装时，可以在楼顶上设置抱杆，将低空天线3安装在抱杆上，正向天空设置。

安装完毕之后，接入天线1、放大器组件2以及低空天线3三者之间还需设置连接关系，接入天线1与放大器组件2连接，放大器组件2与低空天线3连接，具体来说，接入天线1与放大器组件2之间通过第一馈线5连接，第一馈线5的长度不超过30m，信号衰减不大于7dbi。放大器组件2与低空天线3之间通过第二馈线6连接，第二馈线6的长度不超过3m，信号衰减少于2dbi。

需要说明的是，本实施例中的低空天线3的增益图如图2所示，射频信号在低空空中的衰减量可以根据经验公式计算：

Llos＝40.4+20logF+20logD

其中F是射频频率，单位是Mhz，D为距离发射点的距离，单位为km。

根据公式可以计算，如果地面信号是频率大概在2Ghz的4G信号，在距离发射点300m的距离，射频信号衰减量大概是96db；在距离5km处，射频信号衰减量大概120.31db，在距离10km处，射频信号衰减量大概在126db。如果是3.6G的5G信号，在距离发射点300m距离，射频信号衰减量大概是102db，在距离5km的距离，射频信号衰减126db，在距离10km，射频信号衰减量大概131.5db。

同样需要说明的是，如图3所示，本实施例中的放大器组件2，除与现有放大器有相同的电源、MCU结构外，其改进在于，放大器组件2内部设置有信号强度检测模块23、射频模拟开关24以及用于放大信号功率的一级固定放大器21、二级可调整放大器22，信号强度检测模块23设置有两个，射频模拟开关24设置有四个。一级固定放大器21设置为一级固定倍率PA，二级可调整放大器22设置为二级可调倍率PA，两个PA均采用SkyWorks系列芯片，最大放大倍率为75dbi，可调整范围为30dbi。射频模拟开关24以及信号强度检测模块23均采用Qorvo射频芯片，具有强烈的带外抑制功能，使信号更稳定。

具体连接时，电源、MCU与其他结构之间的连接关系参考现有放大器，如图3所示，不进行赘述。接入天线1与一级固定放大器21连接，一级固定放大器21与二级可调整放大器22连接，二级可调整放大器22与低空天线3连接，四者之间形成连贯的连接线路。需要说明的是，一级固定放大器21、二级可调整放大器22均设置有两个，对应的，接入天线1、一级固定放大器21、二级可调整放大器22以及低空天线3之间的连接线路设置有两条，由于放大器自身的结构特点，设置有反向输入端、同向输入端以及输出端，如图3所示，其中一条连接线路以接入天线1为输入端，另外一条连接线路以低空天线3作为输入端。

4G/5G模式包括FDD模式和TDD模式，为了兼容4G/5G模式，当地面网络是FDD模式时，四个射频模拟开关24均处于联通状态，当地面网络是TDD模式时，四个射频模拟开关24根据收发状态而定。

本实用新型中的放大器组件2的低空天线3端的发射功率稳定在30±2dbm，通过半球形天线以后，对是2Ghz左右的4G信号，在距离发射点300m到6km的范围内，其射频信号的强度在-82dbm到-94dbm的范围内；对3.6G左右的5G信号，在距离发射点300m到6km的范围内，其射频信号强度在-87dbm到-99dbm的范围内，这样保证了一个放大器组件2的覆盖范围内(0-6km)射频信号的基本稳定，使得无人机上的5G/4G网关有一个比较稳定的接入信号，从而保证了无人机与其中心控制器有一个稳定的接入速度。

优化的，为更进一步提高低空5G/4G网络的覆盖，低空覆盖发射点4可设置多个，信号覆盖系统对应设置有多个，多个信号覆盖系统之间可进行组网，单个低空覆盖发射点4的覆盖半径可以达到6-7km，但在设计时候，系统要求有覆盖重合区，故在实际设计的时候，以单个低空覆盖发射点4的覆盖半径不超过5km，2个低空覆盖发射点4间的最大距离为10km。无人机航线的宽度不超过7km。如果无人机航线超过10km，可以中间插入一个低空覆盖发射点4。

无人机由一个发射点覆盖区域飞到另外一个发射点覆盖区域的时候，如果是同一个移动运营商，因其内部网络设计中，相差5km以上的区域不可能是相邻覆盖小区，无人机内部的5G网关无法做无缝小区切换，需要重新做入网认证，5G网关与服务器的连接会中断3-10秒。为了解决这个问题，相邻的两个低空覆盖发射点4可采用不同的运营商，利用5G网关可以同时接入2个运营商的特点，充分利用2个相邻低空覆盖发射点4间的重合区，在重合区内完成5G网关的入网认证，然后从一个运营商切换到另外一个运营商，这样在100ms的时间内就能够完成低空覆盖发射点4之间的切换。

实际运作时，4G/5G信号覆盖系统建立好低空4G/5G网络后，无人机可通过网关接入网络，本实用新型可采用5G无人机网关，如图5所示，它是一种用来解决无人机的组网的传送模块，下图是其系统框图它有两个4G/5G模块接口，可以同时接入两个运营商的网络，选择一路作为主通信通道、另一路作为备用。利用这个模块，解决了物流无人机的下面几个技术问题：

1.利用现有5G/4G通信网络实现了无人机的图传数传功能；

2.利用现有5G/4G网络、视觉定位实现了无人机的导航、精确定位、自动降落功能；

3.利用现有5G/4G网络，实现了无人机组网、地面控制站室内集中控制功能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述信号覆盖系统设于低空覆盖发射点(4)处，包括接入天线(1)、放大器组件(2)以及低空天线(3)，所述接入天线(1)与所述放大器组件(2)的高度差在30m以内，且所述低空覆盖发射点(4)设置在无人机降落场的50-300m范围内；

所述接入天线(1)与放大器组件(2)连接，所述放大器组件(2)与所述低空天线(3)连接；

所述接入天线(1)采用4G/5G室外定向天线，朝向最大信号强度的位置设置；

所述低空天线(3)采用发射方向为半球形的半球形天线，正向天空设置。

2.根据权利要求1所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述接入天线(1)与所述放大器组件(2)之间通过第一馈线(5)连接，所述第一馈线(5)的长度不超过30m，信号衰减不大于7dbi。

3.根据权利要求2所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述放大器组件(2)与所述低空天线(3)之间通过第二馈线(6)连接，所述第二馈线(6)的长度不超过3m，信号衰减少于2dbi。

4.根据权利要求1所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述放大器组件(2)内部设置有信号强度检测模块(23)、射频模拟开关(24)以及用于放大信号功率的一级固定放大器(21)、二级可调整放大器(22)，所述信号强度检测模块(23)设置有两个，所述射频模拟开关(24)设置有四个；

所述接入天线(1)与所述一级固定放大器(21)连接，所述一级固定放大器(21)与所述二级可调整放大器(22)连接，所述二级可调整放大器(22)与所述低空天线(3)连接；

所述4G/5G模式包括FDD模式和TDD模式，当地面网络是FDD模式时，四个所述射频模拟开关(24)均处于联通状态，当地面网络是TDD模式时，四个所述射频模拟开关(24)根据收发状态而定。

5.根据权利要求4所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述一级固定放大器(21)、二级可调整放大器(22)均设置有两个；

所述接入天线(1)、一级固定放大器(21)、二级可调整放大器(22)以及低空天线(3)之间的连接线路设置有两条，其中一条所述连接线路以所述接入天线(1)为输入端，另外一条所述连接线路以所述低空天线(3)作为输入端。

6.根据权利要求1所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述低空覆盖发射点(4)可设置为高楼，所述高楼的楼顶用于安装所述放大器组件(2)与低空天线(3)，所述高楼低于楼顶30m以内的位置用于安装所述接入天线(1)。

7.根据权利要求6所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述低空覆盖发射点(4)的所处高度高于所述无人机降落场20m以上，以所述低空覆盖发射点(4)为中心半径为1-2km的范围内，该所述低空覆盖发射点(4)的高度最高。

8.根据权利要求7所述的无人机用低空4G或5G信号覆盖系统，其特征在于，所述低空覆盖发射点(4)可设置多个，所述信号覆盖系统对应设置有多个，两个所述低空覆盖发射点(4)之间的最大距离为10km。

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