無人機(jī)在電力系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離通信支持分析

易淑智 楊 帆 賈恒杰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān) 512026）

0 引言

無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使其應(yīng)用范圍更廣，在電力行業(yè)也得到了有效應(yīng)用。不同類型的無人機(jī)用于電力隱患排查、信息采集，能夠提升電力巡視實(shí)效。但在電力巡視中，無人機(jī)也存在著超視距飛行方面的短板問題。此外，考慮到輸電線路多分布在崇山峻嶺之間，無人機(jī)作為重要應(yīng)用，采取傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式無法滿足巡視通信要求，由此中繼通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。因此，對(duì)應(yīng)用對(duì)象的特性進(jìn)行分析，根據(jù)不同場(chǎng)合選擇最佳的中繼通信方式，能夠保證無人機(jī)電力巡檢的效果。

1 無人機(jī)在電力巡檢中的應(yīng)用

我國輸電線路分布廣泛，且部分輸電線路所處區(qū)域地形復(fù)雜，多為崇山峻嶺，跨越河流、湖泊。這些輸電線路長期暴露在自然環(huán)境中，經(jīng)常出現(xiàn)斷股、斷線、磨損等情況，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，也帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的人工電力巡檢在面對(duì)復(fù)雜的地理環(huán)境時(shí)較為無奈，增加了巡檢人員巡檢的危險(xiǎn)性，且人力成本較高。

實(shí)現(xiàn)輸電線路自動(dòng)化巡檢是輸電線路運(yùn)維管理的重點(diǎn)研究課題，近幾年無人機(jī)憑借重量輕、體積小、成本低、靈活性高、自動(dòng)飛行等優(yōu)點(diǎn)，在電力巡檢中發(fā)揮了實(shí)效，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線路網(wǎng)絡(luò)高效率、全方位的巡檢。無人機(jī)支持搭載機(jī)載設(shè)備，如雙光熱成像相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、激光掃描儀等高精度和輕量化設(shè)備，能夠完成特定的巡檢任務(wù)，有效克服環(huán)境制約，讓巡檢更高質(zhì)高效。但無人機(jī)應(yīng)用中也常常受到通信困擾，且巡檢無人機(jī)通信距離短，無法遠(yuǎn)距離接收地面站的數(shù)傳和圖傳信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)長距離的線路巡檢。此外，處于復(fù)雜地形環(huán)境中的輸電線路會(huì)存在大量的通信干擾要素，影響無人機(jī)正常作業(yè)，甚至?xí)?dǎo)致無人機(jī)墜毀的情況。

因此，研究一種有效的通信技術(shù)，保障無人機(jī)飛行控制命令與航拍圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸具有現(xiàn)實(shí)必要性。只有消除通信干擾，促成無人機(jī)與遠(yuǎn)距離地面站數(shù)據(jù)鏈路的暢通，才能真正讓無人機(jī)在輸電線路巡檢中發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。

2 無人機(jī)在電力巡視中的常見通信方式

2.1 衛(wèi)星通信方式

該方式主要是讓無人機(jī)將采集到的信息通過車載衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，然后發(fā)回到指揮中心。其能做到遠(yuǎn)距離通信傳輸，但也存在自身的應(yīng)用局限。如衛(wèi)星通信誤碼率較高，且信息傳輸延遲較大，也容易出現(xiàn)通信中斷風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)危及無人機(jī)飛行安全。目前，民用衛(wèi)星通信鏈路偏少，資源有限，導(dǎo)致衛(wèi)星通信成本較高，也不利于在電力系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

2.2 中繼基站通信方式

該方式主要是選擇制高點(diǎn)建設(shè)通信中繼基站，以通信中繼基站實(shí)現(xiàn)地面與無人機(jī)信息的雙向傳輸，主要應(yīng)用于地勢(shì)起伏的山區(qū)輸電線路中。其整體通信比較穩(wěn)定，質(zhì)量較高，覆蓋面廣，但受地形和通信距離限制明顯，需要投入大量的資金用于基站建設(shè)，保障線路通信暢通。目前，地面基站建設(shè)導(dǎo)致通信線路節(jié)點(diǎn)較多，鏈路復(fù)雜，后期運(yùn)維難度大；且通信中繼基站一旦建成，更新?lián)Q代難，靈活性差，當(dāng)無人機(jī)巡檢設(shè)備系統(tǒng)更新后，無法與之有效兼容。

2.3 3G公共網(wǎng)絡(luò)通信方式

目前，3G公共網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用比較普遍，主要是無人機(jī)將采集到的信息通過3G接入模塊和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，地面的控制人員通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽視頻并遙控操作無人機(jī)。這種通信方式成本較低，支持遠(yuǎn)距離傳輸，相對(duì)來說是經(jīng)濟(jì)高效的通信方式。但目前3G信號(hào)覆蓋不夠完善，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其明顯，存在較多的通信盲區(qū)，使其在電力巡檢中的應(yīng)用有一定的局限性。

3 電力巡檢無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)

分析電力巡檢中無人機(jī)通信方式可知，無論是衛(wèi)星通信、中繼基站通信還是公共網(wǎng)絡(luò)通信都存在自身應(yīng)用的局限性，且都不適用于山區(qū)、森林等地形復(fù)雜區(qū)域。因此，研究一種應(yīng)用更靈活、成本控制更理想的無人機(jī)電力巡檢通信系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)必要性。電力巡檢無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)就是創(chuàng)新的通信技術(shù)之一，其工作原理如圖1所示。

電力巡檢無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)主要包括電力巡檢無人機(jī)、中繼無人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)、圖像傳輸設(shè)備、地面控制中心、通信中繼設(shè)備。選擇小型多旋翼無人機(jī)作為巡檢無人機(jī)，在無人機(jī)上搭載高清相機(jī)、紅外相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸、圖像發(fā)射等任務(wù)設(shè)備。再選擇一架小型多旋翼無人機(jī)，將其作為中繼無人機(jī)，主要負(fù)責(zé)搭載通信中繼設(shè)備，而地面計(jì)算機(jī)控制中心則集成了數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和圖像接收設(shè)備。此時(shí)，中繼無人機(jī)攜帶的中繼設(shè)備作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)了巡檢無人機(jī)與地面控制中心數(shù)據(jù)的有效傳輸。巡檢無人機(jī)搭載有圖像發(fā)射設(shè)備，地面計(jì)算機(jī)控制中心集成圖像接收設(shè)備，當(dāng)巡檢無人機(jī)巡檢過程中采集到圖像和視頻信號(hào)后，可通過中繼系統(tǒng)及時(shí)發(fā)送到地面計(jì)算機(jī)控制中心。中繼無人機(jī)扮演載體角色，處于高空架設(shè)通信中繼基站，且基站可移動(dòng)，使電力巡檢無人機(jī)與地面站信息傳輸更便捷穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠通信。

4 用于電力巡檢的無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

電力巡檢過程中，無人機(jī)所處工作環(huán)境較為惡劣，溫度、濕度變化明顯，也容易受電磁環(huán)境干擾，受不規(guī)則氣流威脅。常規(guī)多旋翼無人機(jī)多采用低速槳、大軸距、旋翼數(shù)少的布局模式，動(dòng)力損耗低，但拆裝復(fù)雜，運(yùn)輸不便，抗風(fēng)性能不佳，將其運(yùn)用到電力巡檢中，在快速部署及作業(yè)實(shí)施方面限制明顯。而另一種多旋翼無人機(jī)采用高速槳、小軸距、旋翼數(shù)多的布局模式，抗風(fēng)性能更強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，也能有效節(jié)省運(yùn)輸空間，便于攜帶，支持巡檢作業(yè)的快速部署，能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的巡檢環(huán)境考驗(yàn)，即便是在氣流環(huán)境較復(fù)雜的山區(qū)地帶，此類多旋翼無人機(jī)也表現(xiàn)出了氣動(dòng)布局適應(yīng)性強(qiáng)、載荷能力突出的優(yōu)勢(shì)。但這類多旋翼無人機(jī)多選用柔性材料制作而成，這意味著其剛性不足，很容易在側(cè)風(fēng)天氣下出現(xiàn)機(jī)體形變，影響飛行控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，也容易出現(xiàn)無人機(jī)墜毀現(xiàn)象。

因此，應(yīng)進(jìn)行飛行器氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過機(jī)體材料的甄選，選擇剛性較大的材料，并以材料特性的重新定義進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。綜合考慮電磁、飛行質(zhì)量、速度、振動(dòng)、耐用度等考核指標(biāo)，確定電力巡檢無人機(jī)機(jī)體制作的最佳材料。

4.2 明確能源配置

相同的作業(yè)環(huán)境下，同樣布局的無人機(jī)，動(dòng)力能源配置不同，遠(yuǎn)距離通信效果也就不同，對(duì)應(yīng)的載荷能力、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力、損失率等也不相同，應(yīng)根據(jù)各要素評(píng)估測(cè)試，選出最適宜用于電力巡檢作業(yè)的無人機(jī)能源配置模式。

4.3 中繼系統(tǒng)通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)

中繼系統(tǒng)通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞復(fù)雜的工作環(huán)境和遠(yuǎn)距離通信的需求展開，同時(shí)考慮到輸電線路電磁干擾、氣流威脅等，致力于信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定、遠(yuǎn)距離和抗干擾。在研究設(shè)計(jì)中應(yīng)增大信號(hào)強(qiáng)度，從硬件上提高信號(hào)接收機(jī)的靈敏度，增大射頻發(fā)射端功率，使用有效的編碼方式，降低編碼和解碼延遲，并進(jìn)行多次室內(nèi)衰減測(cè)試與室外拉距測(cè)試。通過增大發(fā)射功率，提高基帶信號(hào)處理速度，使用特殊編碼方式增加編碼校驗(yàn)功能，減少誤碼率，提高通信信號(hào)抗干擾性能。因中繼無人機(jī)與電力巡檢無人機(jī)有著較大的相對(duì)移動(dòng)速度，應(yīng)展開多次相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，明確不同相對(duì)移動(dòng)速度下的通信情況，通過專用信號(hào)測(cè)試儀測(cè)試信號(hào)質(zhì)量，指導(dǎo)系統(tǒng)通信信號(hào)設(shè)計(jì)。

4.4 輸電線路巡檢系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

使用電力巡檢無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，完成輸電線路巡檢，要確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)到位，確保無人機(jī)巡檢安全可靠，使得無人機(jī)飛行符合操作規(guī)程要求，需要研究系統(tǒng)各功能模塊的工作機(jī)制，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、云臺(tái)系統(tǒng)、通信中繼系統(tǒng)等功能模塊進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，提升各模塊綜合協(xié)調(diào)工作能力，且不影響其獨(dú)立工作性能。無人機(jī)工作過程及各模塊關(guān)聯(lián)性如圖2所示。因無人機(jī)巡檢多涉及山區(qū)、森林，上述區(qū)域的地理信息采集難度較大；且無人機(jī)巡檢中也常常需要對(duì)地貌、地表物體分布和電磁環(huán)境進(jìn)行分析，因此系統(tǒng)優(yōu)化的同時(shí)應(yīng)結(jié)合電力線路走向和桿塔GPS數(shù)據(jù)，推出適用于復(fù)雜情境的無人機(jī)中繼通信方案。

5 電力系統(tǒng)巡檢中無人機(jī)中繼通信方式應(yīng)用效果

中繼系統(tǒng)在空中搭建中繼平臺(tái)，使得電力系統(tǒng)中無人機(jī)巡檢實(shí)效明顯提升。通過增設(shè)中繼無人機(jī)，無人機(jī)又搭載小型中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，創(chuàng)設(shè)了更為靈活的空中中繼平臺(tái)。中繼飛機(jī)可快速移動(dòng)，可任意機(jī)動(dòng)到所需工作的空域，明顯不受地形限制，增加了中繼通信的靈活性，擴(kuò)大了通信范圍。中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備僅需一套，維護(hù)及采購成本相對(duì)固定，無人機(jī)可長時(shí)間于海拔數(shù)千米高空自由盤旋，高效高質(zhì)地完成中繼通信任務(wù)，最大范圍內(nèi)創(chuàng)造地面站與中繼無人機(jī)、巡檢無人機(jī)之間的通信條件，降低中繼設(shè)備及前端發(fā)射機(jī)功率，減少設(shè)備重量和功率損耗，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)2 W前端發(fā)射、5 W中繼、100 km的通信測(cè)控，通信時(shí)延能夠控制在200 ms以內(nèi)，這是傳統(tǒng)無人機(jī)通信方式所不具備的優(yōu)勢(shì)。

中繼通信方式在應(yīng)用中也能結(jié)合地面中繼通信基站，在通信光纜等支持下演變?yōu)楣饫w加無線混合中繼的通信模式，不僅可以利用電力系統(tǒng)自身的設(shè)備資源，減少前期成本投入及地面中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目，而且還能發(fā)揮光纖通信延時(shí)低的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大空中中繼方式的巡視范圍，克服通信延時(shí)限制，在電力系統(tǒng)無人機(jī)巡檢中得到有效應(yīng)用。

6 結(jié)語

當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈加成熟，帶來了電力線路巡檢的持續(xù)優(yōu)化，也切實(shí)發(fā)揮了防災(zāi)減災(zāi)作用，實(shí)現(xiàn)了超視距大范圍飛行。中繼系統(tǒng)在其中發(fā)揮了重要作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地面中繼通信的不足，使得無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信，且通信更靈活，實(shí)現(xiàn)了更大范圍的通信覆蓋，也有效減少了地面中繼安裝數(shù)量，節(jié)約了成本。中繼通信系統(tǒng)帶來的無人機(jī)遠(yuǎn)距離通信已成為電力系統(tǒng)無人機(jī)應(yīng)用的重要推動(dòng)力。