引言

近年来，无人机技术步入了快速发展阶段，随着需求领域和消费市场的不断扩大，无人机系统种类更繁多，用途更广范。在大多数应用场景下，其灵活高效的优点逐渐显露，受到各行各业的关注与青睐。由于无人机自身体积较小，造价相对便宜，对使用环境要求较低，可广泛应用于军用和民用领域。对于无线通信而言，无人机未来主要应用在基站设施巡检以及站址勘查方面，考虑到开发生产成本因素，且适合在城市环境下执行低空、短途任务，旋翼无人机将是最有潜力的机型。在实际应用场景下，行业人员利用无人机便携、快速且不受空间限制的优势进行航拍监控，然后利用收集到的资料进一步分析处理。目前，已经应用和即将应用无人机技术的领域已达数十个，最常见的是通信勘查、电力巡检、影视拍摄、植被保护、海事安防、城市规划与管理、地图测绘等。从无人机技术发展现状和不同机型特点来看，目前使用最广的是旋翼式无人机和固定翼无人机，在民用领域中旋翼式无人机更为常见。旋翼式无人机续航时间短，载重适中，可在空中悬停，适合需要静止监控、操作的场合。通常工业级旋翼无人机均为多旋翼型，有4个或4个以上的旋翼为其提供动力。这种机型一般由机架、电调、电机和螺旋桨构成，为了满足业务需求，还要在无人机上搭载电池、云台、摄像头、飞行控制器等。在飞行时通过改变不同旋翼的扭力和转速来控制飞行方向。旋翼式无人机构造精简，操作简便，在操控性、可靠性方面具有很大优势，逐渐成为民用无人机的主流。

1系统设计与实现

1.1机载监控模块设计

无人机上的机载监控模块与无人机飞控及其他机载用电设备共用一个供电电源。机载监控模块安装于飞控与数传无线电台之间，是无人机与地面站通信的必经之路。如此设计旨在使监控系统采集到的数据保持客观性，不受外界因素干扰，使监控系统能够服务于独立的第三方监管部门。根据功能需求来设计机载监控模块，无人机使用的飞控型号为APM2.8，无人机飞控与无线电台之间通过串口进行通信，数据以MAVLink协议的格式打包。因此，要采集无人机的飞行参数和GPS位置信息，机载监控模块必须具备串口通信功能并且能够解包MAVLink协议帧。

1.2地面模块设计

地面模块用于接收和处理机载监控模块发来的无人机位置数据，包括服务器和地面站2个部分。服务器位于运营商机房，接收并存储机载监控模块通过GSM/GPRS无线通信网络发来的数据，相当于整个数据链路的中继。地面站计算机是监控系统的地面终端，负责集中处理、显示机载模块采集的数据。地面站计算机与服务器之间通过互联网连接，地面站访问服务器取出数据后显示在用户界面上。同时，作为监控系统的核心功能，地面站软件会实时判断无人机是否在电子地理围栏允许范围内飞行，否则发出报警信号并通知无人机操作员。地理围栏功能需要地面站计算机和无人机机载模块协调完成，用户在地面站软件的地图中划出多边形区域作为地理围栏，放飞无人机后机载模块会实时将其GPS位置信息发送至服务器。地面站软件从服务器读取到无人机信息后，使用射线法将采集到的无人机位置信息与地理围栏区域进行比较，判断无人机是否在围栏区域内。一旦无人机超越围栏，地面站将向机载模块发送指令，从而触发无人机的返航程序，使其返回预先设定的返航点。

2无人机在无线通信领域的应用

2.1无人机查勘仿真

对于查勘人员不方便到达的区域，无人机可以很方便地到达并采集环境数据，从多种角度、多种高度对基站进行仿真测试，避免了很多不便因素。虽然对无人机的手动控制可以实现很多应用，但为了实现维护工作自动化，相关通信企业仍应对无人机进行二次开发，根据自身的使用需求，开发配套应用系统，订制安装机载模块。以基站天线巡检为例，我们针对实际工作需求制定了一套基本的无人机巡检功能流程，同时对其中使用的一些模块提出开发需求：1）自动定北（南）。一键实现机头自动对准正北（正南）方向。无人机飞行方式可以是“×模式”或“+模式”，由于基站天线辐射存在方向性，故巡检无人机也必须具备方向敏感性，能校准方向以便进行后续测试测量。2）距离设定。无人机可按照设置距离自动飞行至距离基站一段距离的位置，能根据实际需求、天线周围环境条件、天气条件等设置不同悬停距离，在规避碰撞风险的同时，最大程度提高数据精度。3）定高悬停。无人机与基站天线水平高度对准，天线高度的获取有两种方式，可从基站系统内调取，或使用图像处理自动将无人机与天线对正。从基站系统中调取高度信息比较复杂，需要建立无人机与基站之间的通信机制，但获得的信息比较准确。图像处理方式在目前阶段更为简单实用。4）定角变向。输入给定角度值，无人机自动将机头朝向调整一个角度值。在一些天线测试中，需要飞行器沿不同方向飞行，以便测量天线性能。考虑到风速对飞行器可能的影响，建议定角调整误差值不超过±5°（天线主瓣宽度一般为65°）。5）环绕飞行。无人机环绕基站飞行，且镜头自动对准基站或背朝基站方向，每转动飞行45°悬停并拍摄照片。目前消费级无人机基本均可实现环绕目标飞行，镜头对准基站能让地面人员观察基站的外部情况，而背朝基站环绕能让地面人员清楚观测基站周围环境，避免存在障碍物对信号造成影响。6）铭牌读取。镜头对准基站铭牌，记录铭牌上信息并传输至地面。这一功能要求无人机使用高清镜头，建议使用20倍以上光学变焦镜头（20倍光学变焦可将画面中的物体放大二十倍且画质无损），在较近距离可以清晰读出铭牌上的信息并发送给地面人员。在数据处理方面，还需要开发相应的APP或数据系统，用于保存和处理无人机拍摄照片的信息，实现自动数据录入，照片记录的高度值、经纬度值自动写入基站信息表，并生成基站勘查报告，实现相关工作的自动化。

2.2无人机巡检基站天线

通常情况下，基站天线有4^。-6^。左右的机械下倾角，以保证信号强度和覆盖。但由于天线器件自身老化或天气等外力因素会造成松动，导致倾角发生变化，影响信号质量。利用无人机进行日常巡检，一方面可以减少人工爬塔的次数，提高人员安全性；另一方面可对其他参数进行记录，通过设置飞行路线实现巡检自动化，大大提高了工作效率。

结语

利用四旋翼无人机飞控的输出接口采集并解析无人机的飞行参数和GPS位置，通过GSM/GPRS无线通信网络将数据传输至服务器；地面站计算机经由互联网访问服务器读取无人机数据，并将无人机的位置和姿态信息直观地显示在用户界面上；利用地面站软件中的电子地理围栏功能，实现了对无人机的实时监控，为监管部门提供了一种有效的小型民用四旋翼无人机的监管手段。

参考文献

[1]杨泽，郑立华，李民赞，等.基于射线检测算法的无人机植保作业电子围栏设计[J].农业机械学报，2016，47（S1）：442-448.

[2]武晓华，赵渊，胡敏.无人机在基站勘察巡检工作中的应用［J］.电信工程技术与标准化，2017（4）：18-22.

[3]卢如东，曾哲君，徐灿辉.应用无人机辅助移动通信基站工程设计的研究[J].移动通信.2017，41（7）：74-78.