无人机高空移动多媒体应急通讯系统论文和设计-李文峰

全文摘要

本实用新型公开了一种无人机高空移动多媒体应急通讯系统，包括无人机，无人机上安装有移动基站，移动基站包括通过光纤连接的基带处理单元和远程射频单元，基带处理单元和远程射频单元均通过电池供电；电池包括电压检测电路和温度检测电路；电压检测电路用于检测电池的输出电压，温度检测电路用于检测电池的工作温度，以在电池工作状态异常时及时调整或维修；本实用新型通过对移动基站和电池内部电路分别进行结构设计，以使其适应于空中的应用环境。

设计方案

1.无人机高空移动多媒体应急通讯系统，其特征在于，包括无人机，所述无人机上安装有移动基站(1)，所述移动基站(1)包括通过光纤连接的基带处理单元和远程射频单元，所述基带处理单元和远程射频单元均通过电池供电；

所述电池包括电压检测电路和温度检测电路；所述电压检测电路用于检测所述电池的输出电压，所述温度检测电路用于检测电池的工作温度，以在电池工作状态异常时及时调整或维修；

所述电压检测电路包括与电池的电压输出端相连的电阻R1，所述电阻R1的另一端分别连接运算放大器的反向输入端和输出端，所述运算放大器的同向输入端分别连接电容C1、电阻R2和电阻R3的一端，所述电容C1和电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端接+5V。

2.如权利要求1所述的无人机高空移动多媒体应急通讯系统，其特征在于，所述温度检测电路包括温度传感器，所述温度传感器的串行通信接口分别连接单片机的采集管脚和场效应管的源极，场效应管的漏极连接正电压端，场效应管的栅极连接至单片机的控制管脚。

3.如权利要求2所述的无人机高空移动多媒体应急通讯系统，其特征在于，所述远程射频单元还连接有天线，所述远程射频单元和所述天线之间通过同轴电缆连接。

4.如权利要求2或3所述的无人机高空移动多媒体应急通讯系统，其特征在于，所述温度传感器采用DS18B20型温度传感器。

设计说明书

【技术领域】

本实用新型属于应急通讯技术领域，尤其涉及一种无人机高空移动多媒体应急通讯系统。

【背景技术】

由于地震、洪水、泥石流等自然灾害导致大面积通信中断后，电信运营商采用建立应急通信站、恢复灾区基站等传统手段时不仅十分困难，而且恢复起来也十分缓慢。

目前，常用的方法是通过无人机携带移动基站滞空进行应急通讯，但是移动基站及电池等设备长时间工作在空中，与运行设计环境不符，易造成基站运行不稳定和电池供电异常等情况。

【实用新型内容】

本实用新型的目的是提供一种无人机高空移动多媒体应急通讯系统，通过对移动基站和电池内部电路分别进行结构设计，以使其适应于空中的应用环境。

本实用新型采用以下技术方案：无人机高空移动多媒体应急通讯系统，包括无人机，无人机上安装有移动基站，移动基站包括通过光纤连接的基带处理单元和远程射频单元，基带处理单元和远程射频单元均通过电池供电；

电池包括电压检测电路和温度检测电路；电压检测电路用于检测电池的输出电压，温度检测电路用于检测电池的工作温度，以在电池工作状态异常时及时调整或维修；

电压检测电路包括与电池的电压输出端相连的电阻R1，电阻R1的另一端分别连接运算放大器的反向输入端和输出端，运算放大器的同向输入端分别连接电容C1、电阻R2和电阻R3的一端，电容C1和电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端接+5V。

优选的，温度检测电路包括温度传感器，温度传感器的串行通信接口分别连接单片机的采集管脚和场效应管的源极，场效应管的漏极连接正电压端，场效应管的栅极连接至单片机的控制管脚。

优选的，远程射频单元还连接有天线，远程射频单元和天线之间通过同轴电缆连接。

优选的，温度传感器采用DS18B20型温度传感器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过无人机携带移动基站滞留在空中，可以用作灾区的应急通讯。通过设计了基站的设计结构，可以使其更适用于空中的工作环境，而且，通过在电池内部设置有电压检测电路和温度检测电路，可以实时获取电池的工作状态，以在电池工作状态异常时及时调整或维修。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例的无人机高空移动多媒体应急通信组网示意图；

图2为本实用新型实施例的无人机和基站的模块设计示意图；

图3为本实用新型实施例中电池电源电压检测电路原理图；

图4为本实用新型实施例中电池温度检测电路原理图。

其中：1.移动基站；2.传输设备；3.通信终端。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型实施例公开了一种无人机高空移动多媒体应急通讯系统，如图1所示，包括无人机，由于无人机需要长时间滞留在空中，所以选用固定翼无人机，作为通信移动基站1的升空载体，使移动基站1能从空中向下覆盖目标区域。

该固定翼无人机具有跟踪、测控、通信一体化信道综合技术。无人机数据链采用的信道综合体制是“四合一”综合信道体制：跟踪定位、遥测、遥控和信息传输的统一载波体制，即视频信息传输与遥测共用一个信道，利用视频与遥测信号进行跟踪测角，利用遥控与遥测进行测距。无人机具有通信数据抗干扰传输技术，在数据链的工作频段方面，采用较高的C(4.0～8.0GHz)、X(8～12GHz)、Ku(10.7～18.1GHz)波段。

该无人机机载设备具有耐温、抗震、小型化结构设计技术。使高性能的复杂设备的规模控制在允许范围内，使具有基本功能的设备能在无人机上安装。无人机上安装有移动基站1。通过基站1可以实现其局域网范围内的设备之间的应急通讯，而且还可以通过基站1连接外部传输设备2，通过外部传输设备2实现基站1覆盖范围内的移动终端与外部移动终端之间的通讯。

如图2所示，移动基站1包括通过光纤连接的基带处理单元(BBU)和远程射频单元(RRU)，基带处理单元进行覆盖范围内的移动终端的信号处理。远程设备单元用于将基带处理单元的通讯数据与外部核心网进行通讯互联，实现整个灾区内部与外部的数据通讯。基带处理单元和远程射频单元均通过电池供电，且分别与电池之间设置有开关，开关通过电源线与基带处理单元、远程射频单元和电池之间相连接，保证内部电路的控制。

BBU与RRU之间采用光纤传输，RRU再通过同轴电缆、功分器、耦合器等连接至天线，即主干采用光纤，支路采用同轴电缆。其中，BBU完成uu接口的基带处理功能(编码、复用、调制和扩频等)、RNC的Iub接口功能、信令处理、本地和远程操作维护功能，以及NodeB系统的工作状态监控和告警信息上报功能。

RRU分为4个大模块：中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块。数字中频模块用于光传输的调制解调、数字上下变频、A\/D转换等。收发信机模块完成中频信号到射频信号的变换，再经过功放和滤波模块，将射频信号通过天线口发射出去。RRU的工作原理是：基带信号下行经变频、滤波，经过射频滤波、经线性功率放大器后通过发送滤波传至天馈。上行将收到的移动终端上行信号进滤波、低噪声放大、进一步的射频小信号放大滤波和下变频，然后完成模数转换和数字中频处理等。

天线采用覆盖和传输双频段天线，干扰小，以覆盖为目的，选择方向性好的近似半球形的天线，重量75kg，模拟天线增益约为16dBi，天线挂高1Km，以自由空间模型加上20dB的穿透损耗，手机接收电平设为-95dBm，则覆盖半径可达到30Km，逼近GSM系统的覆盖极限，足够用于应急通信。开关的作用主要包括开闭电路、交直流转换和过载保护。此处采用蓄电池供电，开关起开闭电路和过载保护的作用。

蓄电池为整个主基站设备提供长时、稳定的电能。蓄电池具有温度检测和电压检测功能。通过检测电路，该电池组管理系统除具有电池组电压检测电路的有益效果外，还具有实时监测电池组的温度的功能，能够对电池组进行保护，避免高温损坏。

电池包括电压检测电路和温度检测电路。电压检测电路用于检测电池的输出电压，温度检测电路用于检测电池的工作温度，可以实时获取电池的工作状态，以在电池工作状态异常时及时调整或维修。

电池的工作电压体现了其的充放电特性，并且可以判断电池是否过度充电或者过度放电，有利于电池的长期使用。电压检测电路如图3所示，包括与电池的电压输出端相连的电阻R1，电阻R1的另一端分别连接运算放大器的反向输入端和输出端，运算放大器的同向输入端分别连接电容C1、电阻R2和电阻R3的一端，电容C1和电阻R3的另一端接地，电阻R2的另一端接+5V。通过电阻R1分压，将电池电压转换成MCU可检测的微弱电压，并联电容C2，保证电压波动变化小，中间在接运算放大器后，再接一级RC滤波，尽量保证输出的微弱电压波动小。

本实用新型实施例通过无人机携带移动基站1滞留在空中，可以用作灾区的应急通讯。通过设计了基站的设计结构，可以使其更适用于空中的工作环境，而且，通过在电池内部设置有电压检测电路和温度检测电路，可以实时获取电池的工作状态，以在电池工作状态异常时及时调整或维修。由于滞留在空中的移动基站1大部分问题是电池的问题，所以，本实用新型实施例的移动基站1更加适应空中的工作环境，可以大大降低应急通讯的故障率。

如图4所示，本实用新型实施例的电池的温度检测电路包括温度传感器，温度传感器的串行通信接口分别连接单片机的采集管脚和场效应管的源极，场效应管的漏极连接正电压端，场效应管的栅极连接至单片机的控制管脚。

本实用新型实施例中的远程射频单元还连接有天线，远程射频单元和天线之间通过同轴电缆连接，以节省整个设备的成本。

实施例：

固定翼无人机选用“彩虹-5”无人机，操控距离远，飞行高度高，负载能力大，置空时间长，速度快，其最大航程为6500Km，实用升限超过7000m，可承载高达1200Kg的有效载荷，能承载通信基站设备的部署。

主基站设备由BBU、RRU、天线、开关和蓄电池构成。BBU与RRU之间采用光纤传输，RRU再通过同轴电缆及功分器、耦合器等连接至天线，即主干采用光纤，支路采用同轴电缆。

其中，BBU选用DBBP530，它采用19英寸盒式结构，高为2U，提供8种业务单板插槽，两个电源单板插槽，1个风扇模块插槽。工作温度在-20℃～+55℃，工作电压-36VDC～-60VDC，重量不超过12Kg，能够完成上行行数据处理功能，提供与RRU通信的CPRI接口。

在BBU空余的主控槽位，新增TDL主控\/基带板卡使其支持TDL\/TDS双模，将RRU的Ir光纤连接到LTE基带板，TDS基带信号由BBU内部背板总线上行通过TDL基带板转发至TDS基带板，下行TDS基带板先转发至LTE基带板，Ir接口中传输TDS+TDL的混模IQ信号，TDS与TDL主控板的Iub、S1\/X2接口采用分路传输。这样，在容量需求增加时，也能保证通信畅通。

BBU各单板配置原则：

基带：LTE基带板LBBPd&UBBPd9，LTE单模每块基带板出光口；双模场景下只有slot2的LTE基带板出光口。

传输：TDS\/TDL独立传输，双模演进时现网TDS传输不改动，TDL新增GE传输(绝大多数场景采用GE光)。

主控：TDS\/TDL独立主控，双模演进时，新发TDL主控板不带星卡，与TDS共用GPS信号，不需新增GPS天线或GPS分路器。

光口：每块基带板6个光口，其中双模场景从slot2出光口，单BBU支持6个光口，TDS-TDL双模单BBU最多出6个光口连接双模RRU，为避免双模演进时改造，在TDS或TDL初始建站时，约束单BBU的双模RRU不超过6光口组网；超过6光口场景需要拆分BBU。

RRU和天线选用天线-RRU一体化设备AAU3213。一体化设备在提供通信保障的同时能够加快应急部署，并且体积小重量轻方便无人机携带。AAU3213使用的RRU具有8通道，功率为8*25W，带宽60M，天线增益为16dBi，采用双频独立电调，总重35Kg，尺寸为1400*320*230适合用作无人机平台的部署。一体化设备内部，RRU和天线通过同轴电缆进行传输。

电源部分采用开关稳压电源，由蓄电池直接提供直流电。开关稳压电源当直流供电异常时会产生告警或保护，如熔断器断告警、电池欠压告警、电池过放电保护等。空气开关提供负载设备的接入和保护，当负载设备电流大于空气开关额定电流时，空开脱口，保护负载设备。选配时空开容量为负载电流的1.5～2倍。

系统中对蓄电池的工作电压进行了监测。蓄电池的工作电压体现了蓄电池的充放电特性，并且可以判断蓄电池是否过度充电或者过度放电，有利于电池的长期使用。电压检测电路通过电阻分压，将蓄电池电压转换成MCU可检测的微弱电压，分压电阻并联10uF的电容，保证电压波动变化小，中间接电压跟随器之后，再接一级RC滤波，尽量保证输出的微弱电压波动小。最终接入STM32F103ZET6的A\/D口，经转换后的值可近似看作其蓄电池端电压的平均值。

系统中对蓄电池的工作温度进行了监测并显示。检测电池的温度，充电时，当电池温度过高时，减少或停止充电电流，起保护电池作用。温度采集选用DS18B20，DS18B20采用的数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。单片机采用型号为AT89C51，其第31管脚为采集管脚，和温度传感器连接，其第40管脚为控制管脚，向场效应管输出控制信号。场效应管型号选用8N60C。

DS18B20具有独特的单总线接口方式，通过串行通信接口(I\/O)直接输出被测温度值接口方式，CPU只需一根端口线就可与DS18B20实现双向通信；在使用中不需要任何外围元件；内含寄生电源，既可采用寄生电源，也可由VDD直接供电；允许电压范围是3.0～5.5V，进行温度\/数字转换时的工作电流约为1.5mA，待机电流仅为1μA，典型功耗为5mW；温度测量范围为－55～125℃，在0～85℃之间，误差小于0.5℃；支持多点组网功能，多个DS18B20可以挂接在一根总线上，可实现多点测温；具有负压特性，当电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

开关通过电源线分别连接到BBU和天线-RRU一体化设备上，对其进行供电。这样就搭建好了整个主基站设备，最后将主基站设备通过光纤连接到传输设备并接入核心网，就能实现无人机高空移动多媒体应急通信。

整个应急通信组网中，通信终端3通过无线传输与移动基站组网，移动基站1通过光纤和传输设备2连接进行通信，最终传输设备2通过无线连接接入到核心网，构成整个应急通信系统组网模式。

本实用新型实施例的无人机高空移动多媒体应急通讯系统具有很强的灵活性，可快速部署；部署不受道路条件限制，在地震、近海类抢险中优势明显；可进行大范围覆盖，更加方便与地面受灾人员进行语音、视频通信联系。

本实用新型的使用方法是，在接受重达灾害事故信息后，人员迅速组装应急通讯系统，将移动基站与传输设备用光纤相连作为临时应急通信设备，并由无人机携带飞抵灾害现场上空，执行定点悬停，为灾害现场提供通讯服务，待底面通信设施完善后，无人机返回出发点或飞往下一灾害现场执行任务。

设计图

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