基于自旋翼無人機的空中應急通信系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統。該系統包括自旋翼無人機、地面控制站、數據鏈路和高空移動基站任務載荷。其中，高空移動基站任務載荷安裝在自旋翼無人機上，地面控制站通過無線上行鏈路控制無人機按設定航線飛抵災區上空后，控制飛行器在設定位置上空小范圍盤旋，移動基站開通開始工作，通過無線下行鏈路的數據通道傳遞移動通信數據至地面控制站，實現高空基站手機信號落地，并通過有線方式接入公網，完成移動通信。本系統續航飛行時間長，負載能力強、可迅速、便捷抵達災害現場上空，為地震等災害情況下應急通信提供保障。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及應急無線通信系統，具體涉及一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統。
技術介紹
地震、洪水、泥石流等自然災害發生時，地面通信設施會遭到嚴重破壞，致使通信中斷。通常可以采用氦氣艇或熱氣球搭載移動基站，前往災區上空形成空中移動平臺，實現應急通信。但氦氣艇成本高、地面設備復雜龐大、操作維護難度大，很難進入實際應用區域和現場；熱氣球難于控制、安全性差。雖然固定翼飛機或直升機能方便快捷進入災區，但由于其負載能力有限，不能搭載移動基站，小型固定翼無人機在通信方面大多只用于設備體積、重量較小的中繼轉發。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供了一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統，在自旋翼飛機上搭載移動基站，可迅速、便捷地抵達災害現場上空，為地震等災害情況下應急通信提供保障。此外，旋翼飛行器的穩定性是所有航空器中最高的，具有高安全性，而且自旋翼飛機起飛、降落滑跑距離小，更適應于著陸場地狹小的山地、叢林等實際場所，并且自旋翼飛機無需發射和回收裝置，地面保障設備簡單，造價及使用維護成本低。本專利技術的基于自旋翼無人機的空中應急通信系統包括自旋翼無人機、移動通信基站任務載荷和地面控制站。其中，自旋翼無人機是在拆除自旋翼有人機駕駛部分的基礎上安裝有自動駕駛系統，自動駕駛系統包括測姿及導航設備、飛控器和操縱裝置。其中，測姿及導航設備用于測量自旋翼無人機的傾斜角 、俯仰角、航向角、高度、速度和航線，并采用微機械慣組/衛星導航組合導航系統引導飛機按照預定的航線飛行；測姿及導航設備與飛控器之間采用串行接口連接，飛控器實時接收測姿及導航設備的測量數據和遙控命令，形成控制指令并發送給操縱裝置；操縱裝置為機電式執行機構，根據飛控器的控制指令移動自旋翼無人機的翼面，實現對自旋翼無人機的飛行控制。移動通信基站任務載荷集成在自旋翼無人機上，所述移動通信基站任務載荷包括基站設備和基站天線；其中，基站天線安裝在駕駛艙下部；基站設備采用輕量化基站，集成安裝在駕駛艙內。地面控制站用于規劃任務、標定與修改飛行路線、監控飛行器位置、控制飛行器、控制和監視移動通信基站任務載荷、存儲與處理移動通信基站任務載荷數據、發射與回收自旋翼無人機。在自旋翼無人機上設有機上無線通信終端設備，機上無線通信終端設備與飛控器、移動通信基站任務載荷以及機上其他設備相連；在地面控制站上設有地面無線通信終端設備；所述基于自旋翼無人機的空中應急通信系統通過機上無線通信終端設備和地面無線通信終端設備建立數據鏈路，通過數據鏈路進行指揮和通信，其中數據鏈路包括上行鏈路和下行鏈路(I)上行鏈路用于地面站對飛行器以及機上設備的控制；(2)下行鏈路有兩個通道，一個通道為狀態遙測通道，用于向地面站傳遞當前的飛行器狀態及機上設備狀態信息；第二個通道用于向地面站傳遞移動通信基站任務載荷數據。本專利技術的基于自旋翼無人機的空中應急通信系統中的基站天線采用吸頂式全向天線。本專利技術的基于自旋翼無人機的空中應急通信系統中的自旋翼無人機的油箱為205升，發電機功率為2kW，油箱安裝在自旋翼無人機的重心上。一種采用本專利技術的基于自旋翼無人機的空中應急通信系統的通信方法，包括以下步驟步驟一，根據任務需要，選擇飛行器的起降點和地面控制站架設點。步驟二，按照任務要求，地面控制站進行任務規劃，裝訂設置無人機飛行路線、到達位置。步驟三，當無人機具備起飛條件，發動機點火起飛；地面控制站通過無線上行鏈控制無人機按設定航線飛抵災區上空；無人機通過無線下行鏈路的遙測通道，實時向地面控制站傳遞當前的飛行器狀態及機上設備狀態信息，地面控制站監視飛行器狀態、位置，控制飛行器在設定位置上空小范圍盤旋。步驟四，移動基站 開通開始工作，通過無線下行鏈路的數據通道傳遞移動通信數據至地面控制站，實現高空基站手機信號落地。步驟五，地面控制站接收手機信號后，通過有線方式接入公網，完成移動通信。有益效果(I)本專利技術的基于自旋翼無人機的空中應急通信系統，可以迅速、便捷地抵達災害現場上空，為地震等災害情況下應急通信提供保障。(2)加大自旋翼無人機油箱至205升，發電機功率增大至2kW，提高旋翼無人機的續航能力，續航時間大于6h。(3)本專利技術可以采用人為遙控或程序控制的飛行方式控制自旋翼無人機的飛行，控制半徑為100km、高度為3km。(4)本專利技術采用自旋翼無人機搭載移動通信基站，可搭載130kg以上的任務載荷，載重量大，且抗風能力強，可抗6級風，有效供電功率大于2kW。附圖說明圖1為自旋翼無人機空中應急通信系統應用示意圖。圖2為自旋翼無人機設備安裝結構圖。圖3為自旋翼無人機的空中應急通信系統連接示意圖。具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本專利技術進行詳細描述。本專利技術提供了一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統，該系統包括自旋翼無人機、移動通信基站和地面控制站。自旋翼無人機是在有人駕駛自旋翼飛機的基礎上進行無人化改造，具體實施方式為(I)首先對自旋翼飛機進行氣動特性分析和操縱響應特性分析。通過分析自旋翼無人飛行器的飛行動力學模型，建立自旋翼無人飛行器的非定常運動方程組；對自旋翼飛行器的配平進行計算和分析，給出全飛行高度范圍和全飛行速度范圍內的配平操縱量、姿態角、旋翼揮舞角以及旋翼轉速等，主要包括油門開度隨前飛速度變化配平曲線、旋翼橫向周期變矩隨前飛速度變化配平曲線、旋翼縱向周期變矩隨前飛速度變化配平曲線、方向舵舵角隨前飛速度變化配平曲線、機體側傾角隨前飛速度變化配平曲線、機體俯仰角隨前飛速度變化配平曲線、旋翼后倒角隨前飛速度變化配平曲線、旋翼旋轉角速度隨前飛速度變化配平曲線等。以自旋翼飛機氣動特性為基礎，通過采用對自旋翼飛機進行幾何測繪、稱量、飛行過程中的實時動態數據采集與系統辨識等技術手段，完成全尺寸幾何-質量模型和實時飛行參數模型的建立與修訂；對各個控制通道的構成、運動特性進行分析，掌握飛行控制操作流程；在此基礎上，獲得自旋翼無人機的基本控制律，傳感器、伺服機構的選型及其配置方式。(2)在自旋翼無人機上安裝自動駕駛系統，包括測姿及導航設備、飛控器和操縱裝置(舵機擴展板)，各部分之間通過總線進行通訊。其中，測姿及導航設備與飛控器之間采用RS422串行接口連接，將航姿、導航數據傳輸給飛控器；飛控器根據測姿及導航設備的檢測數據和遙控命令，形成控制指令，并將控制指令發送給操縱裝置，進而控制相應的伺服電機運動。其中，測姿及導航設 備采用微機械慣組/衛星導航組合導航系統，設備包括三軸微機械陀螺儀、三軸加速度計、氣壓高度傳感器、磁航向傳感器等，可對自旋翼無人機的傾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度、航線等進行精確測量。飛控器集成有多路串行口接口，支持外部載荷的通訊和控制。串行接口支持標準的數傳調制解調器和組合導航設備。飛控器實時接收傳感檢測數據和遙控命令，形成控制誤差信號，誤差信號經放大后用于設定控制翼面的適當位置，從而產生一個力來讓飛行器到期望的位置，使誤差信號逼近于零，實現飛行自動控制。可對飛行控制參數進行調整，以滿足安裝不同種類任務載荷時，自旋翼無人機的穩定性和操縱性。操縱裝置為機電式執行機構，根據飛控器指令，產生所需的力來移動翼面。系統支持4路舵機輸出，通過外置伺服驅動電路板，最多可外擴展8路舵機輸出。(3)根據載荷重量、續航能力要求，油箱增大到205升本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統，其特征在于，包括自旋翼無人機、移動通信基站任務載荷和地面控制站；其中，自旋翼無人機是在拆除自旋翼有人機駕駛部分的基礎上安裝有自動駕駛系統，自動駕駛系統包括測姿及導航設備、飛控器和操縱裝置；其中，測姿及導航設備用于測量自旋翼無人機的傾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度和航線，并采用微機械慣組/衛星導航組合導航系統引導飛機按照預定的航線飛行；測姿及導航設備與飛控器之間采用串行接口連接，飛控器實時接收測姿及導航設備的測量數據和遙控命令，形成控制指令并發送給操縱裝置；操縱裝置為機電式執行機構，根據飛控器的控制指令移動自旋翼無人機的翼面，實現對自旋翼無人機的飛行控制；移動通信基站任務載荷集成在自旋翼無人機上，所述移動通信基站任務載荷包括基站設備和基站天線；其中，基站天線安裝在駕駛艙下部；基站設備采用輕量化基站，集成安裝在駕駛艙內；地面控制站用于規劃任務、標定與修改飛行路線、監控飛行器位置、控制飛行器、控制和監視移動通信基站任務載荷、存儲與處理移動通信基站任務載荷數據、發射與回收自旋翼無人機；在自旋翼無人機上設有機上無線通信終端設備，機上無線通信終端設備與飛控器、移動通信基站任務載荷以及機上其他設備相連；在地面控制站上設有地面無線通信終端設備；所述基于自旋翼無人機的空中應急通信系統通過機上無線通信終端設備和地面無線通信終端設備建立數據鏈路，通過數據鏈路進行指揮和通信，其中數據鏈路包括上行鏈路和下行鏈路：（1）上行鏈路用于地面站對飛行器以及機上設備的控制；（2）下行鏈路有兩個通道，一個通道為狀態遙測通道，用于向地面站傳遞當前的飛行器狀態及機上設備狀態信息；第二個通道用于向地面站傳遞移動通信基站任務載荷數據。...

【技術特征摘要】
1.一種基于自旋翼無人機的空中應急通信系統，其特征在于，包括自旋翼無人機、移動通信基站任務載荷和地面控制站；其中，自旋翼無人機是在拆除自旋翼有人機駕駛部分的基礎上安裝有自動駕駛系統， 自動駕駛系統包括測姿及導航設備、飛控器和操縱裝置；其中，測姿及導航設備用于測量自旋翼無人機的傾斜角、俯仰角、航向角、高度、速度和航線，并采用微機械慣組/衛星導航組合導航系統引導飛機按照預定的航線飛行；測姿及導航設備與飛控器之間采用串行接口連接，飛控器實時接收測姿及導航設備的測量數據和遙控命令，形成控制指令并發送給操縱裝置；操縱裝置為機電式執行機構，根據飛控器的控制指令移動自旋翼無人機的翼面，實現對自旋翼無人機的飛行控制；移動通信基站任務載荷集成在自旋翼無人機上，所述移動通信基站任務載荷包括基站設備和基站天線；其中，基站天線安裝在駕駛艙下部；基站設備采用輕量化基站，集成安裝在駕駛艙內；地面控制站用于規劃任務、標定與修改飛行路線、監控飛行器位置、控制飛行器、控制和監視移動通信基站任務載荷、存儲與處理移動通信基站任務載荷數據、發射與回收自旋翼無人機；在自旋翼無人機上設有機上無線通信終端設備，機上無線通信終端設備與飛控器、移動通信基站任務載荷以及機上其他設備相連；在地面控制站上設有地面無線通信終端設備；所述基于自旋翼無人機的空中應急通信系統通過機上無線通信終端設備和地面無線通信終端設備建立數據鏈路，通過...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭振宗，高鵬，閆立偉，
申請(專利權)人：北京航天科工世紀衛星科技有限公司，
類型：發明
國別省市：