一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统和方法

摘要

本发明涉及一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统和方法。该系统包括飞行平台分系统、地面控制分系统、光电复合缆和通信终端；飞行平台分系统包括无人机，无人机上设有通信基站、基站天线和视频采集设备；地面控制分系统通过光电复合缆连接飞行平台分系统，并通过光电复合缆对飞行平台分系统进行控制及通信；光电复合缆将地面的电能传输到飞行平台分系统，并实现空地数据的双向光纤传输；通信终端与地面控制分系统、飞行平台分系统建立通信连接。本发明具有留空时间长、信号无盲区、兼具实时的空中视频采集能力的技术优势，可应用在公共治安、反恐、高层建筑消防等领域的低成本集群通信与视频支援系统解决方案。

说明书

技术领域

本发明属于应急通信、应急救援领域，涉及一种基于系留式无人机的应急通信与支援系 统和方法。具体涉及一种通过系留线缆进行供电，实现快速升空、持续飞行工作，通过机载 飞控系统实现自动起降、姿态稳定、空中机动、抗风飞行等功能，可通过携带便携式通信基 站升空组建应急通信专网，可通过携带高清摄像头升空实现视频指挥支援的应急通信支援系 统。

背景技术

自然灾害、重大事故等事件的发生具有突发性，需要快速建立可持续的，具备一定机动 能力的无线宽带应急通信专网，并具有公网通信接入能力，提供移动视频监控、多媒体指挥 调度、宽带数据传输等业务，在战场预警、反恐侦察、区域监控、抢险救灾等应用领域满足 用户使用需求。

目前在公共治安、消防、反恐等领域，主要使用超短波电台或LTE集群通信系统进行通 信，并采用高点架设或升降杆举升基站的方式解决通信的通视(lightofsight)需求，提高通 信信号的覆盖范围。

由于升降杆的举升高度有限，一般最多仅能举升20m左右，无法充分发挥通信基站的信 号覆盖能力，存在通信距离近、通信盲区大，通信效果受地形地物影响明显等缺陷。尤其在 某些特殊或极端险情条件下，一般的通信手段无法满足需求，例如在高层建筑失火时，民用 通信基站断电后，目前的各种通信手段均无法实现火场救援人员、受困人员与地面指挥人员 的有效通信。

曾有方案提出使用系留气球或旋翼无人机携带集群通信基站升空的方式建立临时空中基 站，解决通信通视问题或高层建筑救援的通信问题。但这两种方法均存在明显的局限性：系 留式气球的主要问题是充放气时间长，无法快速升空工作，升空后无法再进行机动；旋翼式 无人机的主要问题是携带通信基站后，滞空时间很短，无法长时间工作。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统和方法，采用 了系留式无人机携带LTE通信基站(不限于，也可以是超短波通信基站等)和视频采集设备 升空的技术手段，将一条包含光纤和电源线的轻质光电复合缆作为系留线，将地面发电机的 电能源源不断的提供给飞行中的无人机，并将视频采集设备的实时图像信息传输至地面，与 此同时，该光电复合缆也负责无人机、机载电子设备与地面控制设备之间的信号传输。通过 视频采集设备及其实时采集的图像信息可进行指挥、支援等。该方案使无人机可携带载荷快 速升空，长时间滞空工作，达到了快速、长时间组建无信号盲区的通信专网，兼具实时空中 视频采集能力的技术效果，具有留空时间长、信号无盲区、兼具实时的空中视频采集能力的 技术优势，是一种可应用在公共治安、反恐、高层建筑消防等领域的低成本集群通信与视频 支援系统解决方案。

具体来说，本发明采用的技术方案如下：

一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统，包括飞行平台分系统、地面控制分系统、 光电复合缆和通信终端；

所述飞行平台分系统包括无人机，所述无人机上设有通信基站、基站天线和视频采集设 备，所述基站天线为所述通信基站提供射频信号的发射和接收能力；

所述地面控制分系统通过所述光电复合缆连接所述飞行平台分系统，并通过所述光电复 合缆对所述飞行平台分系统进行控制及通信；

所述光电复合缆将地面的电能传输到所述飞行平台分系统，并实现空地数据的双向光纤 传输；

所述通信终端与所述地面控制分系统、所述飞行平台分系统建立通信连接。

进一步地，所述飞行平台分系统还包括：

飞行控制设备，对飞行器进行自动控制或接受地面无人机控制设备的手动控制；

电源转换设备，将地面传输上来的高压直流电转换为无人机及任务载荷需要的低压电源；

光电转换设备，将任务载荷采集的各种数据转变为光纤信号，然后通过光纤向地面传输， 或将光纤传来的信号转换为无人机上设备使用的电信号。

进一步地，所述飞行平台分系统还包含备用电源，用于确保无人机在地面供电突然断开 后仍能安全降落。

进一步地，所述地面控制分系统包括：

通信管理模块，包括视频调度服务器、IP电话服务器、VPN服务器、网络交换机以及电 源转换模块，用于通信业务接入、通信调度管理、通信资源配置以及电源分配；

显控模块，包括显示控制终端和无人机控制设备，用于显示通信系统及无人机工作状态、 控制无人机升降和配置通信资源，并通过显示控制终端的人机交互界面对无人机进行实时操 控；

接口模块，包括收放缆机构、光电转换设备、电源转换设备；所述电源转换设备将发电 机的电能转换后通过光电复合缆对飞行平台分系统供电；所述光电转换设备将地面控制分系 统的数据信号转换为光纤信号以对飞行平台分系统传输，或将飞行平台分系统向下传输的光 纤信号转换为电信号；所述收放缆机构在电机驱动下，随着无人机起飞和降落将光电复合线 缆释放或收起；

供电系统，包括发电机，用于为全系统提供工作电源；

地面载具，用于装载地面控制分系统的上述设备，并为无人机提供起飞及降落平台。

进一步地，所述地面载具为车或船，其顶部为可开闭式机舱，所述机舱内部设有减震平 台，用于执行任务时使无人机直接从地面载具顶部的机舱起飞、升空、悬停，并于任务结束 后直接降落在该机舱的减震平台上，固定后方便转场运输。

进一步地，所述无人机为旋翼式无人机等，所述通信基站为LTE一体化基站或超短波通 信基站等，所述基站天线为全向天线或定向天线。

一种基于系留式无人机的应急通信与支援方法，包括如下步骤：

1)通过地面控制分系统的地面载具装载飞行平台分系统，行驶至作业区域后使无人机携 带载荷起飞升空，起飞过程中通过光电复合缆对无人机及其载荷供电；

2)无人机升空至指定作业高度后，通过无人机上的通信基站组建应急通信专网，通过视 频采集设备进行高空视角的图像采集；

3)进行空中视频支援时，视频采集设备从空中对作业区域进行实时视频采集，采集到的 数据经飞行平台分系统中光电转换设备转换为光纤信号后，由光电复合缆向地面控制分系统 传输；地面控制分系统的接口模块中的光电转换设备将接收到的光纤信号转换为承载视频的 数据信号，并传输至显控模块进行实时图像显示；显控终端根据采集到的图像进行决策，给 出对视频采集设备的进一步操作指令，操作指令经过光电转换设备和光电复合缆传输至机载 视频采集设备；若对视频采集设备进行调整后依然无法满足观测需求，则通过显控终端给出 对无人机的操作指令，以最终满足观测需求；

4)进行应急通信时，无人机上的通信基站通过光电复合缆以及光电转换设备与地面控制 分系统的通信管理模块中的网络交换机连接，通过VPN服务器对通信终端进行VPN管理， 通过IP电话服务器、视频调度服务器实现话音和视频通信的调度；通信终端拨号后，拨号信 号经无线链路传输至无人机挂载的通信基站，经通信基站处理后，通过光电复合缆传输给通 信管理模块的网络交换机，并通过网络交换机将拨号信息送入对应的IP电话服务器或视频调 度服务器，服务器根据拨号信息控制基站建立起主叫用户终端与被叫用户终端之间的话音通 信链路或视频会议链路；

5)在需要移动作业区域时，将地面载具驶离当前位置，系留式无人机的飞行控制设备自 动识别载具的移动并在空中调整姿态进行跟随，作业区域的变化不影响通信网络工作的持续 性。

进一步地，步骤4)中，若需要将通信终端所采集的视频图像显示在地面控制分系统的 屏幕上，则由通信终端发起视频会议，或由显示控制系统通过网络交换机向视频调度设备发 出命令，建立起基站和指定通信接入终端之间的视频传输链路，各路视频信号经无线链路传 输至基站后，通过光电复合缆链路和网络交换机传输至显示控制设备。

进一步地，步骤4)中，若需将视频采集设备的空中支援图像传输给任务区域的通信终 端，则由通信终端向显控终端申请，或显控终端主动发起视频调度指令，将视频图像通过通 信基站直接传输至指定的通信终端。

进一步地，在包括超高层建筑火场救援在内的特定应用场景下，采用与当地民用移动通 信工作制式、工作频段相同的机载LTE一体化通信基站，实现将应急通信网络接入民用移动 通信网络，对任务区域的普通民用手机用户提供应急通信保障服务。

本发明的一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的优点在于：可快速、长时间组 建大覆盖范围、低信号盲区、可实时机动的通信专网，兼具实时的空中视频采集能力的技术 优势。具体创新点及有益效果如下：

(1)采用系留式无人机携带通信基站和视频采集设备升空，快速组建大覆盖范围、低信 号盲区的无线通信专网，并通过视频采集设备对任务区域进行空中观测。

(2)可将视频采集设备所采集的空中支援视频与通信终端采集的现场视频显示在显控终 端的屏幕上，为指挥人员提供完备的图像支援信息，也可通过基站的无线通信链路将空中支 援视频发送至通信终端，为任务人员实时提供高空视野。

(3)使用光电复合缆对无人机和机上电子设备供电，实现长时间滞空工作，以及飞行平 台分系统和地面控制分系统之间信号的实时双向传输。

(4)通过系留式无人机的飞行控制系统，可自动控制或手动控制其跟随载车机动，或在 最高6级风(不限于)的条件下保证稳定在载具车辆(船)的上方，从而实现跟随载具车辆 (船)机动以及有效抗风，继而实现通信和视频观察的动中通。

(5)系留式无人机在运输状态下固定装载于载具车辆(船)顶置机舱的减震平台上，光 电复合缆在减震平台处穿舱。到达作业地点后，可由顶置机舱直接起飞，通过收放缆机构不 断随飞行高度的升高度释放线合缆。作业结束后，系留式无人机可直接降落在减震平台，固 定后即可转场机动。

附图说明

图1为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的系统示意图；

图2为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的系统组成结构示意图；

图3为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的飞行平台分系统示意图；

图4为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的地面控制分系统示意图；

图5为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的运输状态示意图；

图6为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的准备起飞状态示意图；

图7为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的起飞状态示意图；

图8为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的典型应用场景1的示意图；

图9为本发明一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统的典型应用场景2的示意图。

图中标号说明：

11-视频采集设备，12-旋翼式无人机，13-通信基站，14-基站天线；

21-显示控制系统，22-收放缆机构，23-油机，24-通信管理设备；

31-顶置机舱，32-卷帘舱门，33-旋翼式无人机，34-减震平台，35-载具车辆(或船)。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图， 对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于系留式无人机的应急通信与支援系统。该系统采用了系留式无人机 携带通信基站和视频采集设备升空的技术手段，将一条包含光纤和电源线的轻质光电复合缆 作为系留线，将地面发电机的电能源源不断的提供给飞行中的无人机，并将视频采集设备的 实时图像信息传输至地面，与此同时，该光电复合缆也负责通信基站与地面通信控制设备之 间的信号传输；通过视频采集设备及其实时采集的图像信息可进行指挥、支援等。如图1所 示。

上述系统能够使无人机可携带载荷快速升空，长时间滞空工作，达到了快速、长时间组 建无信号盲区的通信专网，兼具实时空中视频采集能力的技术效果。具有留空时间长、信号 无盲区、兼具实时的空中视频采集能力的技术优势，是一种可应用在公共治安、反恐、高层 建筑消防等领域的低成本集群通信与视频支援系统解决方案。尤其在对超高层建筑的消防救 援应用中，具备突破创新的意义。

本发明的基于系留式无人机的应急通信与支援系统，由飞行平台分系统、地面控制分系 统、光电复合缆、通信终端四大部分组成，其中飞行平台分系统包括旋翼式无人机、通信基 站、基站天线和视频采集设备等；地面控制分系统包括通信管理模块、显控模块、接口模块、 供电系统和载具车辆(船)等。具体的构成方式如图2所示。

一、飞行平台分系统。如图3所示，飞行平台分系统包含以下模块：

a)飞行器本体。无人机为通信基站和视频采集设备提供升空平台，结构尺寸相对更紧凑， 能够满足车辆(船)的运输要求，可采用指标如表1所示的四轴八旋翼无人机(不限于)；

表1.可选的旋翼式无人机主要技术指标(不限于)

序号 名称 指标 1. 轴距 1650mm 2. 机高 550mm 3. 桨叶直径 762mm 4. 桨叶数量 8 5. 空机重量 20kg 6. 有效载荷 15kg 7. 最大起飞重量 40kg 8. 飞行高度 不低于100m 9. 驱动方式 电动 10. 续航时间 不小于24h 11. 传输方式 光纤

b)飞行控制设备。采用自动控制或手动控制模式，可对飞行器进行自动控制或接受地面 无人机控制设备的手动控制。可控制飞行器向指定区域移动或跟随载车机动，或在最高6级 风(不限于)的条件下保证稳定在载具车辆(船)的上方；

c)电源转换设备。将地面传输上来的高压直流电转为飞机及任务载荷需要的低压电源；

d)光电转换设备。光电转换模块将任务载荷采集的各种数据(飞行平台上各种任务模块 的数据)转变为光纤信号，然后通过光纤向地面传输；或将通过光纤传输至飞行平台的来自 地面设备的控制信号转换为电信号，传输给飞行平台上各任务设备。

e)备用电源。无人机平台上装备的备用电源，确保无人机在地面供电突然断开后仍能安 全降落；

f)通信基站。可以采用LTE一体化通信基站或超短波通信基站等。采用LTE一体化基 站时，基站主要由基带控制单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)以及电源模块等组成，采用 轻量化设计，可作为载荷挂载在无人机机体下方，在应急通信现场随无人机升高后悬停，便 捷的形成以基站为中心的大覆盖范围LTE无线专网。

g)视频采集设备。具备以下功能：能提供红外与可见光等多种光谱的视频图像，对地面、 海上和空中目标进行昼夜搜索、监视；具有在运动载体上对视轴进行稳定的功能；能人工操 作瞄准线运动，锁定目标并对目标进行自动跟踪；能进行在线零位校准、光轴十字线调整、 漂移修正等维护操作。

h)基站天线。可以采用全向天线或定向天线，为基站提供射频信号的发射和接收能力。

二、地面控制分系统。如图4所示，在车辆(或船)副驾驶位置(或指控舱的舱壁)设置 地面显示控制操作席位，车辆外部安装油机，内部放置通信管理模块，车辆顶部安装接口模 块(含收放缆机构)。各模块功能如下：

a)通信管理模块。由视频调度服务器、IP电话服务器、VPN服务器、网络交换机以及 电源转换模块等组成。用于通信业务接入，视频、话音的通信调度管理、通信资源配置以及 电源分配等。可通过光纤接入民用移动通信网络。

b)显控模块。由显示控制终端和无人机控制设备组成。显示控制终端可采用便携笔记本 电脑并设置于副驾驶操作台，也可以采用电视墙与操作席位的方式设置于大型指挥车的指挥 舱内，作为系统人-机接口，具有显示通信系统及无人机工作状态、控制无人机升降和配置通 信资源的功能。通过显控终端的人机交互界面对无人机控制设备进行操作，实现对无人机的 实时操控。

c)接口模块。由收放缆机构、光电转换设备、电源转换设备构成。电源转换设备将发电 机的电能转换后通过光电复合缆对飞行平台供电；光电转换设备将地面平台的通信、飞行控 制等数据信号转换为光纤信号对飞行平台传输，或将由飞行平台向下传输的光纤信号转换为 电信号。收放缆机构在直流变频电机的驱动下，随着无人机起飞和降落将光电复合线缆释放 或收起，收放线速度可调，通过收放缆机构自身的自动排线器，能够实现线缆在绕线轮上自 动整齐排列。

d)供电系统。使用油机(发电机)为全系统提供工作电源，可根据系统功耗选取发电机。

e)地面载具。车(船)顶设计为可开闭式顶置机舱，机舱设计卷帘式(不限于)可开启 舱门，机舱内部设计减震平台。当设备执行任务时可直接从车(船)顶机舱起飞、升空、悬 停，任务结束后可直接降落在顶置机舱的减震平台，固定后方便转场运输。

三、光电复合缆。光电复合缆将地面的电能传输到飞行平台，并实现空地数据的双向光 纤传输(将飞行平台的数据与状态信息等通过光纤传输到地面，将地面控制设备的控制信号 传输至飞行平台)，光电复合缆在车顶机舱的减震平台处穿舱，在收放缆机构的控制下收起或 释放。

四、通信终端。用户终端设备，一般为车载式或手持式。

上述系统的使用流程(工作方法)如下：

步骤1：装载。载具车辆(或船)的顶部设计为舱门可开闭的顶置机舱，机舱内部设计 减震平台。非升空工作状态下旋翼无人机通过锁定装置固定在减震平台上，锁定装置的闭锁 与解锁可在车内通过显示控制终端进行操作。光电复合线缆整齐盘收于收放缆机构上。关闭 舱门后可进行机动运输，减震平台可保护无人机和载荷设备(通信基站、视频采集设备)不 受行驶颠簸的损伤，如图5所示。

步骤2：起飞准备。载具车辆(船)行驶至作业区域后，操作显示控制终端打开车顶机 舱、打开减震平台上的无人机锁定装置，启动油机并通过光电复合缆对机体和载荷供电，全 部电子设备开机，达到起飞准备状态，如图6所示。

步骤3：飞行平台升空。无人机携带载荷快速升空，如图7所示。起飞过程中，随着机 体升空高度的增加，收放缆机构不停的释放光电复合缆，飞行平台分系统的飞行控制设备对 旋翼无人机的飞行姿态和水平位置进行调整，保证升空过程的平稳。升空至指定作业高度后， 通信基站组建应急通信专网，通过视频采集设备进行高空视角的图像采集。

步骤4：空中视频支援。

子步骤4-1：无人机升空过程中以及升空至作业高度后，携带的视频采集设备从空中对作 业区域进行实时视频采集；

子步骤4-2：采集到的数据经飞行平台分系统中光电转换设备转换为光纤信号后，由光电 复合缆向地面控制分系统传输；

子步骤4-3：地面平台分系统接口模块中的光电转换设备将接收到的光纤信号转换为承载 视频的数据信号，并传输至显控模块进行实时图像显示；

子步骤4-4：显控终端根据采集到的图像进行决策，给出对视频采集设备的进一步操作指 令，如调整视角、焦距等，操作指令经过光电转换设备和光电复合缆传输至机载视频采集设 备；

子步骤4-5：若对视频采集设备进行调整后依然无法满足观测需求，则通过显控终端给出 对无人机的操作指令，如提升、降低高度，水平旋转等。

步骤5：应急通信。

子步骤5-1：飞行平台升空后，基站通过光电复合缆以及光电转换设备与通信管理模块中 的网络交换机连接，实现与通信管理设备的数据交互。通过VPN服务器对通信终端进行VPN 管理，通过IP电话服务器、视频调度服务器实现话音和视频通信的调度；

子步骤5-2：通信终端拨号后，拨号信号经无线通信链路传输至无人机挂载的基站，经基 站处理后，通过光电复合缆传输给通信管理模块的网络交换机，并通过网络交换机将拨号信 息送入对应的IP电话服务器或视频调度服务器，服务器根据拨号信息控制基站建立起主叫用 户终端与被叫用户终端之间的话音通信链路或视频会议链路。

子步骤5-3：若需要将通信终端所采集的视频图像显示在地面控制分系统的屏幕上(或电 视墙上)，则由通信终端发起视频会议(如步骤2)，或由显示控制系统通过网络交换机向视 频调度设备发出命令，建立起基站和指定通信接入终端之间的视频传输链路，各路视频信号 经无线通信链路传输至基站后，通过光电复合缆链路和网络交换机传输至显示控制设备；

子步骤5-4：若需将飞行平台视频采集设备的空中支援图像传输给任务区域的通信终端， 则由通信终端向显控终端申请、或显控终端主动发起视频调度指令，将视频图像通过基站直 接传输至指定的通信终端。

子步骤5-5：城市等应用场景下，例如超高层建筑火场救援等场景下，采用与当地民用移 动通信工作制式、工作频段相同的机载LTE一体化基站，可实现将应急通信网络接入民用移 动通信网络。具体为，将LTE通信系统的通信管理模块通过光纤就近接入民用移动通信基站， 实现与民用移动通信基站的互联，对任务区域的普通民用手机用户提供应急通信保障服务。

步骤6：动中通。若需要移动作业区域，可直接将载具车辆(或船)以不高于40km/h(不 限于)的速度驶离当前位置，系留式无人机的飞行控制设备可自动识别载具的移动并在空中 调整姿态进行跟随。作业区域的变化不影响通信网络工作的持续性。

步骤7：飞行平台回收。任务结束后，飞行平台降落回收至顶置机舱内的减震平台上， 操作人员通过控制设备操作闭锁装置将无人机机体固定在减震平台上并关闭舱门。

本发明的典型的应用场景如图8所示。在突发情况时，基于系留式无人机的应急通信支 援系统快速前出至现场，组建应急通信专网和空中观测点。

通信基站和视频采集设备随无人机升高至100米(不限于)后悬停，系统形成以基站为 中心的大范围通信信号覆盖，通信终端配置给各行动单位，采集视频、语音和图文等信息并 回传到载具车辆(或船)处的指挥中心；通信管理设备固定在载具上，实现应急现场各通信 终端的信息接入以及终端的管理、采集数据的存储和集中显示等。同时，视频采集设备采集 红外与可见光等多种光谱的视频图像，对地面、海上和空中目标进行昼夜搜索、监视，实现 行动支援。

该系统在超高层建筑的消防救援中有格外重要的创新应用意义。当百米以上的超高层建 筑发生火灾等险情时，由于设备断电，位于高层的民用通信基站无法工作，受困于火场的人 员无法使用手机等通信设备与救援人员进行联络。深入火场的消防救援人员携带超短波电台 等通信设备，只能进行基本的话音传输，且由于楼层的阻挡，与地面指挥人员的通信效果很 差，地面指挥人员无法有效的实时的掌握火场现场情况。

通过本发明的一种基于系留式无人机的应急通信支援系统，可以快速的在超高层建筑的 侧面架设应急LTE一体化基站，实现对多个楼层的LTE通信网络覆盖，基站的升空高度可根 据火场所处楼层进行调整。受困人员的手机可自动接入该基站构建的移动通信网络，通过拨 打电话通知救援人员自身所处的位置，及时寻求救援；进入火场的救援人员通过通信终端与 指挥人员沟通，并通过LTE通信网络实时的向地面指挥中心传输火场现场视频；地面指挥人 员可通过无人机上搭载的视频采集设备从建筑外部平行观察火场险情，通过LTE通信网络将 指挥信息和外部视频信息传输给火场内部的救援人员。如图9所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保 护范围应以权利要求书所述为准。