無人機技術在無線電監測中的應用

保山市無線電監測中心 朱自林

計算機信息技術的發展為無線電技術帶來了更多的發展可能，進入信息時代后無線電技術的應用范圍顯著擴大，雖陸續出現了諸多新技術，但存在頻譜資源短缺、電磁環境惡化等問題。隨著技術的持續發展，無線電監測成為了行業內的核心議題。無人機技術在無線電監測中的優越性明顯，在當前及未來的發展中，相關人員需加大在無人機技術方面的研發投入?；诖?，本文重點分析了無線電監測中無人機技術的具體應用，對推廣無人機技術、提高無線電技術水平具有指導價值。

長期的通信行業發展中，相關單位和個人在無線電監測方面投入了較大的資源，展開了一系列的技術研發與創新，但結合實際的工作情況，查找信號的常用手段為固定監測站側向定位，監測車無限接近被監測對象，最后由移動設備來精準定位。這一方式對監測無線電雖有一定的作用，但受到建筑物阻擋等的干擾較大，無法保障監測結果的可靠性。為改變這一局面，無人機技術受到了高度關注與認可，因為無人機的靈活性高、可靠性強，有利于提高無線電監測水平，指導實際工作。

1 無人機的分類

1.1 固定翼無人機

固定翼無人機的飛行中升力由機體上固定的機翼提供，其結構體系中包含發動機、機翼、機身、尾翼、起落架等，通過這些部分之間的相互配合，可促進機體的穩定、安全飛行，機翼由內側襟翼、外側副翼構成，無人機飛行時襟翼、副翼分別負責提升飛機升力、控制飛機的滾轉運動狀態。無人機尾翼能使飛機飛行姿態更為平穩，包含水平、垂直尾翼，分別負責縱向、橫向運動管理，可使飛機飛行時免受其他因素的干擾[1]。

1.2 旋翼無人機

1.2.1 直升機

直升機為一種典型的旋翼無人機，其一般有一個或多個旋翼，這些旋翼能使無人機飛行時獲得足夠的升力、推力，進而保障飛機良好的飛行狀態。直升機與固定翼無人機相對比，前者的優越性明顯，具體表現為：能小幅度千戶慢速飛行、懸停與垂直升降都具有操作的靈活性，但即使如此，直升機也存在諸多不足，飛行速度相對緩慢，且在長航程下不適用。直升機升力由旋翼供給，在此過程中存在反扭矩影響，如以反扭矩為劃分基準，直升機又包含單旋翼帶尾槳式、多軸飛行器、雙軸雙槳式幾種，實際的工作中，相關人員需考慮現實情況來選擇特定類型的直升機[2]。

1.2.2 自旋翼無人機

自旋翼無人機的特殊性就在于此飛機無動力驅動裝置，依賴前進中的相對氣流吹動旋翼形成自轉，在持續的自轉作用下為飛機提供了較大升力，促進了飛機的正常起飛。結合自旋翼飛行機的這一原理，其在最初飛行時需在跑道內滑跑，當達到特定要求后再加大速度，促進其順利起飛。自旋翼無人機有機身、旋翼、起落架、尾翼等關鍵部分，其構成如圖1 所示，整體結構相對簡單，成本投入低較低。

圖1 自旋翼無人機Fig.1 Spin wing UAV

1.2.3 變模態旋翼無人機

變模態旋翼無人機屬于無人機領域的特殊類型，其旋翼位置特殊，位于固定翼結構的機翼上，飛機起降、低速狀態下依賴旋翼飛行，而高速狀態下為固定翼模式，其構成如圖2 所示。

圖2 變模態旋翼機Fig.2 Variable mode gyrocopter

2 無人機監測系統

2.1 無人機監測平臺

無線電監測中應用無人機技術時，關鍵需引入現代化技術配備無人機監測平臺，該平臺內可根據需求配備多種型號的無人機，后續無線電監測任務中平臺需自動對比不同類型無人機在續航時間、抗風能力、起降方式、懸停等方面的情況，自動調取符合要求的無人機。一般情況下，在無線電監測方面可選擇工業級無人固定翼機、直升機或者無人多旋翼機。為有效保障無線電監測工作的順利進行，該平臺兼具數據整合、分析能力，能自動接收無人機采集的信息并分析，得到可靠結論。

2.2 無人機飛行控制

無人機監測系統為動態監測無線電的狀態，系統內需引入遠程遙控方式，精準控制無人機飛行狀態，使無人機能發揮其功能優勢。市場上的無人機種類繁多，這些無人機在操控方式方面各有特點，但遙控方式下比較常見的操控方式為：（1）舵面遙控，直接在控制站內控制操縱桿，通過控制舵面來更改無人機的飛行狀態；（2）姿態遙控，在無人機穩定飛行姿態的前提下由操縱桿綜合諸多因素調整俯仰角、滾轉角；（3）指令遙控，由上行鏈路的指令完成自動控制，無人機計算機接收到由上行鏈路發送的指令后執行動作[3]。

2.3 監測任務控制

用無人機監測無線電時，監測系統和平臺需加強監測任務管理，整個監測工作中的任務控制由地面任務站、無人機控制單元協同完成，地面任務站的相關人員綜合諸多因素，合理發送控制指令，無人機控制單元接收指令后自動執行，由這一控制過程自動監測無線電傳輸過程、設備運行狀態等，如監測中存在異常情況，及時反饋信息并發送預警信號。

3 無人機技術在無線電監測中的具體應用

3.1 “黑廣播”查找和取證

近年來的無線電通信領域，雖通信技術持續進步，但“黑廣播”現象時有發生，因為其具有高度隱秘性，要實現高效、精準查找面臨諸多技術難題，通常由固定監測站或移動監測車根據采集的無線電信號，確定“黑廣播”范圍，再由專人配備PR100 便攜式設備等鎖定最終區域，如接收信號電平值呈增大趨勢，說明此時所處區域與“黑廣播”區域相接近。但是，“黑廣播”發射天線一般布設在樓頂或者建筑物高層，采取了一定的偽裝措施，單純通過人眼目測的方式很難精準分析。

面對上述情況，相關單位在查找“黑廣播”時可配備四旋翼無人機，這種無人機的體積小、攜帶方便，能克服不利地形條件的限制，在垂直空域120m 高度飛行的特點決定了其在飛行的同時能準確獲取被測區域內的高清影像，后續相關人員通過分析這些影像即可判定是否存在“黑廣播”，或者“黑廣播”所處區域內的周邊環境，如有異常情況可及時安排專人進入現場或者配備專業化設備來核查。

以大疆Mavic Pro 和大疆精靈Pantom 4 Pro+展開分析，對比這兩種無人機的信號接收范圍情況。將無人機和操作者之間的圖傳/遙控鏈路斷開飛機返航水平飛行距離當做信號接收范圍，如表1 所示。

表1 信號接收范圍測試Tab.1 Test of signal receiving range

結合上述一系列分析，在操作無人機查找“黑廣播”時，為得到可靠結果，主要的注意事項為：（1）將四旋翼無人機的飛行起點定在目標地點周圍某一點，考慮到其他建筑物、樹木等的遮擋、飛行安全因素，覆蓋范圍應以起飛點為圓心，高度、半徑分別為120m、400m，呈近圓形。（2）四旋翼無人機在目標地點垂直起飛，當達到指定高度后再重新向目標地點飛行，在此飛行模式下監控目標區域及其附近。無人機飛行的過程也是其采集信息的過程，通過無人機返回的現場環境圖像等，相關人員調整無人機的飛行參數，選定最佳位置拍攝高清圖像。無人機飛行過程中雖具有高度的靈活性，但為得到高清圖片，有關人員需密切關注飛行區域內的高層建筑物、大型樹木等分布，與這些建筑物保持安全距離，促進無人機的安全、平穩飛行。（3）無人機飛行中也需關注電池續航時間，當無人機到達指定位置立即返回，以無人機飛行速度展開分析，當電池容量還有富余，則可懸停觀測。在飛行過程中應合理地把控飛行時間與距離，避免無人機飛行距離過長或者電池沒電。

3.2 空中無線電監測

當前城市化進程顯著加快，在城市內分布有各種類型和規模的高層建筑，再加上城市內配備的金屬設施多、機械設備噪音大，都干擾了監測設備對無線電的監測，使設備在監測時接收到了很多干擾信號，后續辨別和處理信號時相對困難。目前，在經濟社會發展的趨勢下，城市呈現向外發展的態勢，部分固定監測站周圍的噪聲干擾多，影響了實際的監測工作，得到的無線電監測結果可靠性不足。

一般的移動監測車在當前的無線電監測方面暴露了諸多問題，在當前技術進步的過程中，空中無線電監測越發受到了人們的關注，基于空中平臺的無線電監測，可實現立體化、三維性監測，減少不利地形條件等對監測的干擾，不僅能提高監測效率，還能保障監測精度。與地面監測技術相對比，空中無線電監測有更為優越的電磁傳播環境，且監測范圍廣，整個操作過程的靈活度更高，兼具聯合側向、重點監測、精確定位等功能，得到的監測結果更為可靠與有效。

我國與發達國家相比較，在空中無線電監測方面的起步較晚，最早的研究始于2007 年，通過驗證空中無線電監測的可行性，國家在這一方面給予了巨大的資金、技術等投入。2010 年上海世博會、2011 年深圳大運會，分別配備車載系留氣球、警用載人直升機搭載無線電監測系統，創造了空中、地面相結合的監測模式[4]。隨后進入信息時代下，空中無線電監測技術進一步發展，在無線電監測方面該技術應用范圍顯著擴大，特別是空中監測平臺的無人機操作者定位系統，無論在當前還是未來都有巨大的應用空間。

多旋翼無人機的體積小，載重負荷偏低，靈活性強，操作便捷，在各種條件下都能取得良好的應用效果，即使現場條件相對惡劣，多旋翼無人機可克服不利條件的限制，在規范操作下得到相對可靠的監測結果。如將多旋翼無人機作為載體平臺負責空中監測，后續工作中具備智能化、精確化操作特點，不僅能懸停監測、路徑規劃，更能聯合側向、重點監控，監測中遇到突發情況時多旋翼無人機監測平臺可根據其采集的信息進行調整與控制。當多旋翼無人機負責監測工作時，為促進有關工作的高效實施，重點需關注以下部分：（1）日常監測中合理投放旋翼無人機，以地面監測系統的監測盲點為基準，由無人機對這些盲點實施自動化監測，完成空中、懸停監測；（2）突發應急事件的處理中，空中無線電監測往往無法起到應有的作用，需保持空中無線電監測與傳統監測手段的融合，各自發揮其在無線電監測中的優勢。

3.3 固定監測站巡檢

固定監測站對無線電監測也相對有效，如在實際的工作中采用固定監測站這一方式，許多因素都會干擾設備接收信號，不利于監測工作的高效實施。為此，針對這一情況，相關人員必須在日常的工作中定期維護、檢修與校準設備，及時處理設備問題。

如超短波監測網，為在實際的工作中完成30 ～3000MHz 全頻段監測目標，常規的固定監測站一般有4組傘狀全向監測天線、8 組45°間隔垂直極化對數周期天線、4 組雙極化對數周期天線，不同天線經由開關矩陣、天線共用器與監測測向接收機保持可靠連接[5]。隨著時間的延長，無線電監測中可能發生設備磨損等異常，相關單位需安排專人負責處理設備問題。

多旋翼無人機在無線電監測中的優勢明顯，實際的工作中高山、高樓固定監測站的天線高架塔桿塔本體的巡視任務，就可配備特定型號的多旋翼無人機，通過合理設置該無人機的飛行參數，如飛行高度、速度等，就可通過無人機飛行來獲取監測區域內的天線、桿塔等運行情況。多旋翼無人機用于巡視工作時主要為超低空飛行模式，其懸停于天線桿塔每一層進行拍照，經由圖像識別有關人員掌握天線桿塔的工作情況。實際的操作過程中主要需注意以下幾個方面：（1）通過智能化調節與控制使多旋翼無人機飛行到天線塔以上，將機載攝像頭向下調整，擴大攝像機的拍攝范圍；（2）拍攝得到塔頭圖像后，由系統原位調整攝像頭角度，進入俯拍環節，監測天線塔基礎運行情況和工作狀態；（3）規范操作多旋翼無人機，拍攝并檢測每個天線的具體情況，依據無人機采集到的天線數據，分析天線是否處于正常工作狀態下，如存在異常，再依據數據分析故障類型、原因、位置等，制定有效的解決措施。

4 結語

當前通信行業穩步發展的過程中，為營造良好的無線電通信環境與條件，相關人員在具體的工作中需立足當下的技術發展情況，重視無線電監測，使用無人機技術實現自動化、智能化監測。