基于低空无人机的应急无线通信系统的电磁兼容性评估研究

发表时间:2025-01-10 18:31作者:SkyCells

一、研究背景

随着全球气候恶化,我国近年来自然灾害和重大事故发生频率呈现递增趋势。应急通信的目标是利用各种管理和技术手段尽快恢复灾害和事故现场通信。传统的应急通信手段主要为车载应急系统,存在机动性差,覆盖范围等局限性,《“十四五”国家应急体系规划》提出“加强空、天、地、海一体化应急通信网络建设,提高极端条件下应急通信保障能力”。

基于低空无人机的应急通信系统起源于无人机技术和通信技术融合发展,其利用低空飞行的无人机作为通信中继平台,为突发时间或在灾难场景提供临时,快速,可靠的通信保障,可满足应急通信全方位的场景特点及需求,近年来得到了广泛的应用。但由于同时部署了多种机载无线通信设施,电磁兼容问题已成为制约无人机应急无线通信系统性能的关键性因素。因此,有必要对该系统进行电磁兼容性评估,以确保其在复杂电磁环境中的稳定运行和正常通信。

二、基于低空无人机的应急无线通信系统介绍

2.1基于无人直升机的应急无线通信系统

该系统主要包括无人直升机、地面站、蜂窝移动通信设备、Ka高通量卫星通信设备等,具体见图1和图2所示;地面站通过遥控遥测通信设备实现对无人机的远程控制与监视,无线终端接入无人机携带的4G/5G基站,然后通过Ka高通量卫星接入运营商核心网或者专用核心网。

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图1 基于无人直升机的应急无线通信系统示意图

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图2 基于无人直升机的应急无线通信系统实例

2.2基于固定翼无人机的应急无线通信系统

该系统有两种方案,如图3和图4所示,具体如下:

回传方案1:对于大型固定翼无人机,无线终端接入无人机携带的4G/5G基站,通过机载Ka/Ku高通量卫星接入运营商核心网或者专用核心网。

回传方案2:对于中型固定翼无人机,无线终端接入无人机携带的4G/5G基站,然后通过无线回传链路传输到地面,再通过Ka/Ku高通量卫星、地面光纤、微波等回传方案接入运营商核心网或者专用核心网。

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图3 基于固定翼无人机的应急无线通信系统示意图

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图4 基于固定翼无人机的应急无线通信系统实例

2.3基于系留无人机的应急无线通信系统

该系统包括系留无人机、地面站、蜂窝移动通信设备(分布式基站或一体化基站)等,如图5、图6和图7所示。无线终端接入无人驾驶航空器携带的4G/5G基站(分布式基站或一体化基站),然后通过光纤链路传输到地面,再通过Ka/Ku高通量卫星、地面光纤、微波等方式接入运营商核心网或者专用核心网。

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图5 基于搭载分布式基站的系留无人机的应急通信系统示意图

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图6 基于搭载一体化基站的系留无人机的应急通信系统示意图

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图7 基于搭载一体化基站的系留无人机的应急无线通信系统实例

2.4系统性能介绍及优缺点比对

不同系统的性能介绍和优缺点比对见表1。

表1 系统性能价绍及优缺点比对

方案类型

无人直升机

大型固定翼无人机(回传方案1)

中型固定翼无人机(回传方案2)

系留无人机

通信部署飞行高度

300-500m

500m-1000m

300-500m

100-200m

盘旋半径

悬停

300m-500m

300m-500m

悬停

工作续航

4-6小时

4-6小时

4-6小时

24小时

最大视距通信覆盖半径

8-10km

4-6km

6~8km

6~8km

最大通信容量

并发接入用户数大于1200

并发接入用户数大于1200

并发接入用户数200-600

并发接入用户数200-600

通信保障能力

公网全网通、宽带自组网、PTD集群基站,双光吊舱、航测相机

公网全网通、宽带自组网、PTD集群基站,双光吊舱、航测相机

选配公网全网通、宽带自组网、PTD集群基站,双光吊舱、航测相机

选配公网全网通、宽带自组网、PTD集群基站,双光吊舱、照明

起降方式

垂直起降

滑跑起降

垂直起降

垂直起降

优点

载重能力大;机动性高,可同时保障多种通信网络的覆盖

载重能力大;机动性高,可同时保障多种通信网络的覆盖

机动性高,造价成本较低

工作续航能力时间长;部署灵活快速。造价成本较低

缺点

飞行速度慢于固定翼无人机,工作续航能力有限,整体造价运营成本较高。

需要固定跑道,灵活性较低,通信时,飞机须保持盘旋飞行,通信质量需要考虑多普勒频移带来的影响,工作续航能力有限,整体造价运营成本高。

通信时,飞机须保持盘旋飞行,通信质量需要考虑多普勒频移带来的影响,工作续航能力有限,同时仅可保障部分通信网络部署,需要更大的运营成本和专业队伍。

无人机无法移动,机动性相对较差,实际通信覆盖效果受地势影响较大,同时仅可保障部分通信网络部署。

三、电磁兼容性评估要求

3.1设备电磁兼容性要求(机载设施)

1)无人驾驶航空器电磁兼容性要求

无人驾驶航空器电磁兼容性需符合GB/T 38909标准中的相关要求。具体测试项目如表1所示。

表2 发射和抗扰度试验项目

序号

试验类型

试验项目

备注

1

发射

辐射发射

仅适用于长度小于5m,高度小于3.5m的无人驾驶航空器

2

抗扰度

辐射抗扰度

仅适用于长度小于5m,高度小于3.5m的无人驾驶航空器

静电放电抗扰度

--

工频磁场抗扰度

--

2)基站电磁兼容性要求

4G基站电磁兼容性需符合YD/T 2583.13标准中的相关要求,5G基站电磁兼容性需符合YD/T 2583.17标准中的相关要求。

3)卫星通信终端电磁兼容性要求

卫星通信终端电磁兼容性需符合YD/T 1312.16标准中的相关要求。

3.2系统整体电磁兼容性要求

1)机载设施间电磁兼容性要求

基于无人驾驶航空器的空中通信系统上所有机载设备相互之间都存在电磁干扰,因此需要确认机载设备在实际使用过程中不会被其它机载设备干扰。由于机载设备种类众多,没有必要对每个设备单独进行评估,仅需将各机载设备按照其所归属的主要功能模块分为不同子系统(包括飞行控制系统、基站系统和卫星通信系统,具体见图),评估每个子系统是否会受到来自其它子系统的电磁干扰,从而影响到该子系统的正常工作即可。

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图8 基于无人直升机和大型系留无人机的机载设施网络拓扑图

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图9基于中型系留无人机的机载设施网络拓扑图

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图10 分布式基站的机载设施网络拓扑图

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图11 搭载一体化基站的机载设施网络拓扑图

2)任务成功率

为了评估基于无人驾驶航空器的空中通信系统的稳定性和可靠性,需要对系统执行任务的成功率进行评估,成功率具体计算方式如下:

图片 …………(1)式中:

P ——任务成功率;

N ——完成任务数;

M ——任务出动总次数。

注:任务出动次数最低不少于10次。具体任务出动次数可由系统供应方和系统使用方协商确定,任务成功率要求≥90%。

四、系统级电磁兼容性评估方法

4.1机载设施间电磁兼容性评估方法

1)测试工作条件

——无人驾驶航空器工作状态要求:无人驾驶航空器停留在地面,在确保不会起飞的前提下,发动机和螺旋桨工作在最大转速状态,具体的参数配置需要在检测报告中体现。

——各机载子系统工作状态要求各机载子系统工作状态要求:机上各子系统作为发射源在测试时要求工作在最大载荷状态:例如:飞行控制系统要处于满负荷监控和信号回传状态;基站系统处于最大功率发射和最大吞吐量工作状态;卫星终端处于最大码流回传状态;具体状态可由系统供应方和系统使用方根据实际需求协商确定,并需在检测报告中进行详细的描述。

2)测试方法

飞行控制系统、基站系统、卫星通信系统以其中一个系统为监控对象(受试系统),工作在典型模式下并设定好监控仪表,其他两个(或更多)系统工作在最大负载模式下,监控受试系统的性能判据是否符合要求,对每个子系统的监控时间不低于10分钟。一个系统完成监测后,重复上述步骤依次执行其他系统,直至所有系统测试完毕。

3)各机载子系统的性能判据

——飞行控制系统:在测试中和测试完成后,系统不能出现功能丧失和性能降低,如:

a)信号传输中断或丢失

b)飞行器对操控信号无响应或控制性能降低

c)影像传输中断或质量下降

d)回传通信链路中断

——基站系统:在测试过程中,当其他系统处于最大发射或者最大工作载荷下应满足吞吐量>95%,测试完成后无服务丢失。

——卫星通信系统:在测试中,通信链路应保持,不能出现中断的现象。

4.2任务成功率

1)测试工作条件

测试需要在具备标准飞行工况的空域条件下进行,该空域面积必须大于基于无人驾驶航空器的无线通信系统的扇区覆盖面积(其半径不小于5km),并且在该空域范围内需确保无运营商网络覆盖,测试前需要在标准飞行工况所在空域范围内制定任务起始点(A点)和任务执行点(B点),其中A点和B点之间的距离不小于5km。以B点为圆心,根据系统所能覆盖的最大通信范围确定圆形的测试区域,并在这个区域中确定C点和D点,其中C点为圆形区域半径的中心点,D点为圆形区域的边界点,具体位置可参考图12。

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图12 根据系统最大通信范围确认的圆形测试区域示意图

2)测试步骤

a)无人驾驶航空器从A出发飞往B点悬停或盘旋;系留无人机直接在B点起飞悬停。

b)在B点、C点、D点使用移动终端进行公网通话功能验证

c)完成验证后,无人驾驶航空器从B点返回A点,并安全降落,视为一次出动任务结束。

d)重复a)~c),直到完成所有出行任务次数;

注:根据实际场地的情况,在定位过程中,也可以由测试人员固定在一个地点,调整无人驾驶航空器的飞行位置,以满足B、C、D三点的位置要求。

3)测试步骤

a)无人驾驶航空器在整个起飞、飞行、悬停(盘旋)、降落过程中,未出现任何故障。

b)可以使用三大运营商网络建立语音通话连接2分钟以上,通话过程声音清晰,无明显杂音。

c)若出现不满足a)点的情况发生,需分析故障原因,若引起该故障的原因和电磁干扰无关,该次出行任务视为无效,不列入任务成功率计算,并追加一次出动任务;

注:测试过程,除了公网通话功能的验证,系统供应方和系统使用方可以根据实际业务需求增加需要验证的参数和判定要求。

五、系统级电磁兼容性测试验证

5.1机载设施间电磁兼容性实地测试验证

1)测试验证时间地点:2023年11月07日、建德市航空小镇,无明显电磁环境的外场环境。

2)测试验证对象:基于无人直升机的应急无线通信系统

3)测试验证结果:未出现性能降低,结果符合要求,具体见表3。

表3 机载设施间电磁兼容性测试结果

测试评估系统

性能降低现象记录

监视结果

飞行控制系统

信号传输中断或丢失

飞控系统与无人机的通信质量出现下降

无,通信质量在测试期间保持100%

无人机对操控信号无响应等控制性能降低

光电吊舱图像出现异常

其他功能丧失或性能的降低

基站系统

基站上行链路吞吐量

吞吐量大于95%

基站通信链路中断

基站功能丧失,性能降级

卫星通信

系统

卫星终端的通信链路中断

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图13 测试现场布置

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图14 无人机测试现场布置

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图15 无人机工作状态及性能监控结果

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图16 上行通信链路吞吐量监控结果

5.2任务成功率实地测试验证

1)测试验证时间地点:2023年10月30日;木里,具备标准飞行工况的空域条件的长海子2号测试点。

2)测试验证对象:基于无人直升机的应急无线通信系统

3)测试验证结果:本次测试采用测试人员固定,无人机拉远方案。

无人机飞行时间31分钟,无故障;使用运营商中国移动网络进行了视频通话业务超过2分钟,具体见表4。

表4 任务成功率测试结果

1. 测试环境

测试地点

木里,长海子2号点

日期

2023.10.30

起飞点海拔

3620m

目标测试点海拔

3560m

温度

16℃

风向

/

能见度

5km

风速

/

地形地貌

山地、高原

天气状况

起降点到目标点距离

6km

2. 无人驾驶航空器飞行情况

首次作业展开用时

12:16启动热车,12:19具备起飞状态

无人机起飞时间

12:49(收到导调起飞指令)

抵近目标时间

13:00

返航时间

13:07

作业机着陆时间

13:20

无人机飞行高度

550m(航速20m/s),目标海拔4170m

3. 应急通信网络情况

信号连续覆盖面积

75km2

信道带宽(MHz)

20MHz

峰值传输速率

56.63 Mb/s(FTP下载测试)

平均下载速率(Mb/s)

41.58 Mb/s(FTP下载)

平均上传速率

5.24 Mb/s(FTP上传测试)

设备搭载能力(kg)

100kg(本次任务载荷)

4. 任务执行结果

系统稳定性

稳定

用户通话情况

使用中国移动运营上网络进行了多路视频通话业务(时长超过2分钟),1路FUP测试(同时上传、下载)。

通信质量

良好

无人机飞行情况

飞行时长31min,无故障。

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图17 无人机起飞照片

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图18 测试人员现场视频通话测试照片

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图19 无人机飞行轨迹

六、机载通信设施部署要求

为确保系统通信质量,并能有效降低机载通信设施之间电磁干扰,建议机载通信设施按照以下进行部署:

a)基站布线需要规避急弯或锋利的结构位置,并考虑到电磁敏感性器件远离飞机的控制电缆,线缆弯曲半径不能小于20倍线缆半径;

b)基站天线指向可根据实际使用效果进行调整,无人机在空中飞行时天线需朝向地面;

c)卫星通信天线辐射方向上需无部件遮挡;

d)无人驾驶航空器机体部件不应对基站天线的收发性能产生显著影响,对于无人直升机机载基站天线与航空器机体金属件之间距离应不小于45cm(用于固定天线的设施,如抱箍和螺丝等,属于天线的一部分)。对于固定翼和系留无人机,由于其机身体积较小,形态较多,因此不对机载基站天线与无人驾驶航空器机体金属件之间的距离做出要求;

e)对于无人直升机,其机载基站天线安装位置应距离其他机载无线通信天线30cm以上;对于固定翼和系留无人机,由于其机身体积较小,形态较多,因此不对其机载基站天线安装位置与其他机载无线通信天线之间距离做出要求。

七、总结

中国信息通信研究院南方分院(深圳信息通信研究院)联合佰才邦等无人机制造商及通信设备供应商共同开展了基于低空无人机的应急无线通信系统电磁兼容评估方案研究和测试验证工作,目前该方案已经形成标准文稿,并通过中国通信标准化协会报批,预计近期将正式公布实施。该标准的制定和发布,提高了低空无人机应急通信产品的可靠性和安全性,将进一步拓展低空经济应用场景和市场潜力,为低空经济产业的规模化发展提供了更广阔的发展空间和技术保障。