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摘要：随着社会发展的不断加快，新技术、新理念层出不穷，无人机技术在发展规模和技术上都取得了前所未有的发展。从传统的单一检测模式逐渐向多元化、归化方向发展。无人机和水面浮标无线通信系统是一种无线远程通信方式。在实时快速获取海面浮标数据的前提下，可以开展海洋科学调查、鱼类情况的调查、对于海洋油气探测或者海底管道、海上平台巡检也有实际意义。为了实现无人机与浮标之间信号的长距离、低功耗传输，本文主要分析了海空通信信道的特点，建立海空通信信道模型并展开论述。
关键词：无人机；海面浮标；无线通信技术；应用研究
一、研究无人机与海面浮标无线通信技术的意义所在
中国的海洋有一万八千多公里的大陆海岸线，一万四千多公里的海岸线有五千多个岛屿，面积更是多达300万平方公里。其中分布于海洋底层的海底管道更是错综复杂，给巡检工作带来了巨大的困难。为了弥补人工、船舶巡检方式的不足，利用搭载专业装备的无人机来进行海上巡检工作是非常可行的方法，但巡检影像等数据的通讯手段却难以有效解决。
因此，通信对于无人机在海上的应用起着尤为重要的作用，海洋无线通信系统的发展同样决定了我们能否在保护海洋、利用海洋资源方面占有优势。发展有效的海空通讯技术迫在眉睫。
但由于海上通信通道复杂多变，存在多径效应和多普勒效应，信号衰落严重，给低功率海上浮标与无人机的远程通信带来了巨大挑战。选择一种抗干扰、抗多径、抗多普勒效应、远距离传输的高效通信系统已成为海洋浮标与无人机通信中亟待解决的问题。
本文主要探索以无人飞行器(uav)和水面浮标通信系统进行数据的快速同步传输的无线通信技术。但对于不同的系统，应综合考虑系统的传输通道特性。不能采用非常复用的技术，应采用码分多址技术。为了提高信道容量，也可以采用直接序列扩频技术。
综上所述，建立海上无人机和浮标的无线通讯系统，对于保障我国海上平台，海底管线、光缆以及探测、保护海洋资源具有重要的现实意义，因此研究具有较高的实际应用价值。
二、国外研究现状及发展趋势
国外的远程无线通信系统可概括为海军卫星通信系统、潜艇通信系统和特殊功能遥测系统。20世纪40年代初，国外对海上遥测系统进行了探索性研究。随着技术的发展和先进硬件技术的不断发展，国外的先进厂商已经开发出了基于AXCTD、AXCP、AXSV、AXBT、sonobuoy的多种海洋监测系统。而且这项技术被保密了很长一段时间。为了实现海洋信息的远程传输，世界各国都在使用和研究扩频通信技术和伪码技术。研究表明，在高频通信系统中采用宽带码分多址数据传输技术可以实现海上柔性远程通信。同时，需要数字信号处理技术、先进的误差检测和误差校正技术以及微机处理控制系统在一系列高频无线电设备和技术上的辅助应用。使用这些设备和技术可以大大提高高频通信的可靠性和其他性能。
我国探索海洋环境测量技术已经持续了超过40年。研究无人机与浮标的无线通讯技术，实现海洋遥感的机动性和灵活性,对我们来说既是机遇和挑战。在国家“863”计划的支持下,我们应该解放思想,突破束缚，探索未来海洋环境中的通讯手段,为国家经济发展和军事实力的提高给予有力支持。
三、海上无线信道的特点
海上无线信道总体来说有以下几个特征：
首先，主机与分机之间信号的远距离传输造成信号功率的衰落。由于系统要求最小传输距离较远为50公里。因此，必须要考虑传输距离造成的信号衰落问题。然后，在三级海况条件下，恶劣天气和海浪等产生的加性噪声干扰。雨、雾、海浪等都会造成加性噪声干扰，如雾天对信号干扰可以类似地认为是加性高斯白噪声，而雷电则可以认为是突发性的干扰。最后，多普勒频移和多径效应带来的影响。由于主机与水上分机有相对运动，而且速度达到了250km/h，因此会存在多普勒效应，在接收端产生多普勒频移。同时，海面浪高1.5m的情况下，信号经过海浪的物理散射带来一定程度的多径效应。
多径效应与散射造成信号衰落：
海事通信的多径衰落，一般是通过直接和反射波之间的干扰所造成的。海面反射波又可以看成由两个分量构成的，一是镜面反射分量，而是大量不规则的海浪因子形成的漫反射分量。在海况良好，海面平静的情况下，镜面反射分量占主要优势，如果海况恶劣，海面粗糙则漫反射分量占主要优势。其中，直接波和反射波的相干成分，随机的非相干漫反射，振幅相位服从瑞利分布的[0,2 ]区间的均匀分布。因此，直接波和反射波之和是一个常数向量，并结合漫反射是常数向量和瑞利矢量的合成，因此，总的场服从莱斯分布。这里假设海况为三级，漫反射分量占比重较大，因此，应当采用Rice信道模型来模拟还上多效应与散射造成的信号慢衰落。
四、具体研究过程
无人机用降落伞释放入海的测量探针,测量探针与水接触后漂移和打开形成一个浮标。在开始测量调查后, 探头回报过程中的恒定速度，速度一般为5 m / s，浮标开始访问和搜集水温度传感器、指南针线圈和电极信号等环境信息，并打开海洋浮标的无线传输开关。
海面浮标可以接收和传输并转换信号源代码,频道代码,载波调制,等一系列无线电频率形式的信号，并恢复信号接收端通过中频解调的数字基带信号。
无人机需要将浮标放入待测海域，在低空高速飞行。同时，下平面将信号源转速为4800bit/s的数据发送给载波功率不超过1W的无人机信号接收机。实现了半双工通信。三级海况和伴随着雨、雾和其他不良条件下,信号传输距离不小于50公里,还要求系统的误码率在一个较小的范围内,这就需要研究一种通信技术的无线通信信道的特点,适合海上对抗信道噪声,减少传动功率,减少干扰,具有良好的抗多普勒效应的能力,保证数字信息传输的可靠性，小信号功率，长距离传输。可以看出，下位机(浮标数据信号传输单元)的性能对系统的技术参数起着至关重要的作用，直接影响到接收机的选择和设计。根据无人机的飞行速度与探测器海底最大测量深度的关系，最终系统需要稳定工作10分钟以上。实现了无人机与水面6个子平面的半双工通信，完成了无人机与6个子平面的数据采集与处理。上行扩展的信息传输速率与下行无人机控制终端的信息传输速率相同。基于相同的嵌入式数据采集电路，选择合适的外围功能芯片，建立可视化窗口，便于对水面延伸的数据观察和控制。
随着信息技术的发展，海上远距离无线通信技术一直不断得到优化，主要技术参数表如下：
五、结论
随着无人机技术的发展和海上无线通讯技术的创新和突破，无人机系统必将改变着未来海洋应用的形态。而无人机系统与海面浮标无线通信技术的发展，能够为各类无人机的海上应用提供数据采集，数据链路保障，并建立更多的通讯渠道。
无人机通信要求通信链路不断拓宽频带和提高信息传输容量，建设高速数据链路是解决信息高速传输的基本手段，采用提高工作频率、提高频带利用率和合理使用频率资源等措施，可以提高海上通信传输高速数据的能力。由于篇幅的限制，本文中尚存在许多没有来得及讨论的问题，希望有关人士再接再厉，继续研究下去。
参考文献：
[1]王红星，宋博，吴晓军.指向误差对海上无线光通信误码率性能的影响分析[J].光学学报，2016（9）：33-35.
[2]柯熙政，张雅，FSO系统中部分相干阵列光束的传输特性研究[J].激光与光电子学进展，2016（10）：61-62.
[3]李力.无人机输电线路巡线技术及其应用研究.[D].长沙：长沙理工大学，2012.
[4]李器宇.刘建斌.无人机遥感在油气管道巡检中的应用[J].红外，2014,35（3）：37-42.
论文作者:徐家新,江汉凌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
标签：无人机论文; 浮标论文; 海上论文; 信号论文; 技术论文; 海面论文; 通信论文; 《基层建设》2018年第35期论文;