无人升空无线电频谱监测系统通用技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 本研究报告从无人升空无线电频谱监测系统的应用需求和主要作用等方面探讨了开展无人升空无线电监测系统通用技术的研究背景。 从国内、国外研究进展两个方面介绍了无人升空无线电频谱监测系统的发展现状。 分类介绍了可供选择的无人升空平台，并进行了分类对比分析，可根据应用场景进行合理选择。 分空中监测部分和地面控制两个组成部分对无人升空无线电频谱监测系统的一般组成结构进行了介绍。 还研究了无人升空无线电频谱监测系统涉及的主要测向体制，并进行了各自优缺点的对比，提出了选择建议。 从监测系统应具有的基本功能、主要性能指标以及 其它通用技术要求等方面进行了较为详细的阐述，并对载荷设备和飞行平台总结了通用技术要求。 最后，对项目进行了总结，并建议持续关注该类监测系统发展，适当时形成行业标准。 无线通信技术工作委员会 频率工作组 研究单位：成都华日通讯技术有限公司、国家无线电监测中心、国家无线电监测中心检测中心、中国移动通信集团公司 项目负责人：张必超、方箭 项目参加人：房骥、刘婧迪 完成日期： 2017 年 12 月 06 日 I 目 录 1 研究背景 . 1 1.1 无线通信技术快速发展带来的影响 . 1 1.2 传统监测手段存在不足 . 1 1.3 无人升空监测平台是对无线电监测的有力补充 . 1 1.3.1 空中航路上的无线电信号监测 . 2 1.3.2 位于高层建筑中的无线电信号监测和定位 . 2 1.3.3 地面干扰信号的监测 . 2 1.4 无人升空无线电监测系统主要任务 . 2 1.4.1 重大活动保障 . 2 1.4.2 应急任务响应 . 2 1.4.3 日常巡监任务 . 2 2 国内外研究进展 . 3 2.1 国外研究进展 . 3 2.2 国内研究进展 . 3 3 无人升空监测平台的选择 . 4 3.1 无人升空平台的范围 . 4 3.1.1 固定翼无人机 . 5 3.1.2 多旋翼无人机 . 5 3.1.3 无人直升机 . 6 3.1.4 单旋翼无人机 . 7 3.1.5 无人飞艇和气球 . 8 3.1.6 系留无人机 . 9 3.2 无人升空平台的分类对比 . 9 3.2.1 固定翼无人机与多旋翼无人机 . 9 3.2.2 多旋翼无人机与无人直升机 . 10 3.2.3 无人直升机与单旋翼无人机 . 11 3.2.4 多旋翼无人机与系留无人机 . 11 3.3 无人机的动力 . 11 3.4 综合选型考虑 . 11 4 无人升空无线电监测系统架构 . 12 4.1 空中监测部分 . 13 4.1.1 天线及开关 . 13 4.1.2 监测接收机 . 13 4.1.3 中央处理单元 . 13 4.1.4 无人机飞行平台 . 13 4.1.5 摄像头 GPS . 13 4.1.6 电源 . 13 4.1.7 飞控单元 . 14 4.1.8 数传模块 . 14 4.1.9 图传模块 . 14 4.1.10 降落伞 . 14 4.2 地面控制站部分 . 14 II 4.2.1 地面控遥单元 . 14 4.2.2 数传图传地面模块 . 14 4.2.3 控制终端 . 14 4.2.4 地面电源 . 15 5 无人升空无线电监测系统测向体制的选择 . 15 5.1 比幅测向体制 . 16 5.2 相关干涉仪测向体制 . 16 5.3 传统干涉仪测向体制 . 17 5.4 测向体制选择 . 17 6 无人升空频谱监测系统通用技术 . 17 6.1 系统基本功能 . 17 6.1.1 无线电频谱监测功能 . 17 6.1.2 无线电测向功能 . 18 6.1.3 监测和测向业务一体化集成 . 18 6.1.4 地面系统一体化数据处理 . 18 6.1.5 其他基本功能 . 18 6.2 系统主要性能 . 18 6.2.1 频率范围 . 18 6.2.2 测向准确度 . 18 6.2.3 测向灵敏度 . 18 6.2.4 使用升限 . 18 6.2.5 遥控距离 . 18 6.2.6 滞空时间 . 19 6.3 对任务载荷设备的技术要求 . 19 6.3.1 环境适应性要求 . 19 6.3.1.1 载荷的工作温度范围 . 19 6.3.1.2 载荷的湿度适应范围 . 19 6.3.1.3 载荷的机械应力适应能力 . 19 6.3.1.4 载荷抗风能力 . 20 6.3.1.5 载荷防雨能力 . 20 6.3.2 电磁兼容性要求 . 20 6.3.3 机械特性要求 . 20 6.3.3.1 载荷重量 . 20 6.3.3.2 载荷尺寸 . 20 6.3.3.3 结构特殊性 . 20 6.4 对升空平台的要求 . 20 6.4.1 多旋翼无人机 . 20 6.4.1.1 操控性能要求 . 20 6.4.1.1.1 自动驾驶能力要求 . 20 6.4.1.1.2 飞行高度 . 20 6.4.1.1.3 遥控距离 . 21 6.4.1.1.4 悬停时间 . 21 6.4.1.1.5 最大飞行半径 . 21 6.4.1.1.6 最大起飞重量 . 21 III 6.4.1.1.7 飞行速度 . 21 6.4.1.2 环境适应性要求 . 21 6.4.1.2.1 工作温度范围 . 21 6.4.1.2.2 抗风能力要求 . 21 6.4.1.2.3 防雨能力要求 . 21 6.4.1.3 电磁兼容要求 . 21 6.4.1.4 安全性要求 . 22 6.4.2 系留式多旋翼无人机 . 22 6.4.2.1 操控性能要求 . 22 6.4.2.1.1 自动起降能力要求 . 22 6.4.2.1.2 飞行高度 . 22 6.4.2.1.3 遥控距离 . 22 6.4.2.1.4 悬停时间 . 22 6.4.2.1.5 最大起飞重量 . 22 6.4.2.1.6 悬停精度 . 22 6.4.2.1.7 系留线缆的通信能力 . 22 6.4.2.1.8 系留线缆收、放线箱 . 22 6.4.2.2 环境适应性要求 . 22 6.4.2.2.1 工作温度范围 . 22 6.4.2.2.2 抗风能力要求 . 22 6.4.2.2.3 防雨能力要求 . 23 6.4.2.2.4 海拔能力要求 . 23 6.4.2.3 电磁兼容要求 . 23 6.4.2.4 电源安全性要求 . 23 6.5 其它 要求 . 23 6.5.1 标识 . 23 6.5.2 包装 . 23 6.5.3 运输 . 23 6.5.4 储存 . 24 7 结论及建议 . 24 8 参考文献 . 24 1 无人升空无线电频谱监测系统 通用技术研究 1 研究背景 1.1 无线通信技术快速发展带来的影响 随着 科技的创新 和进步 ， 信息化已成为我国社会经济发展的必然趋势，也促进着人类社会的快速进步和发展 。 在无线通信领域， 随着 4G 通信、 WIFI 通信 日益成熟、移动数字电视、宽带无线接入系统等的广泛使用，无线电台站和各类无线电发射设备的数量急剧增加，也使得传统的无线电管理面临着更多的挑战。同时 ， 日趋复杂的 电磁环境 也对无线电管理的各类手段提出了更高的要求，电磁环境测试、干扰查处、重大活动保障等多 种 任务将日趋艰巨 。要 保证无线电管理的及时性和有效性， 要求无线电监测手段与无线电应用同步发展，与之相适应 。 因此，无线通信技术快速发展也给无线电管理提出了 新的 要求 ，无线电管理者 迫切希望 发展 相应的 新型 监测手段。 1.2 传统监测手段存在不足 近年来，随着无线通信技术的蓬勃发展及其多样化的应用， 传统的 无线电监测模式如 固定监测站、移动监测车等，在遇到建筑物遮挡或 其它 复杂地理环境时其 测向精度会大幅度下降 ； 在 一些位置较低的 监测点甚至都无法 接 收到无线电干扰信号， 其监测 覆盖区域也无法适应现代通信业务的 快速 发展。 同时，随着社会的进步，人类活动的范围也在不断拓展，比如修得越来越高 的 高层建筑 、各种飞行器等， 其 无线电通信设备自然也 随着 人类活动范围 拓展而拓展 。而 目前 由于 受手段 的限制，无线电监测 设备还 停留在 以 地面 固定监测为主，地面移动监测为辅助的状态 。各地无线电监测站 主要依赖 固定式监测站对当地的无线电使用情况进行监测 ， 并以此对当地的无线电频率资源进行管理。随着无线电通信技术的 应用发展， 传统监测手段在应对以下监测需求方面存在明显不足 ：空中航路上各种无线电信号的监测、位于高层建筑或 受遮挡的特殊地点 的无线电干扰源的查找 等 。 1.3 无人升空监测平台是对无线电监测的有力补充 无人升空监测系统能做到 从空中监测无线电 信号，相对传统监测平台来说是2 一种新的监测视野。其 作为传统监测模式的一种 重要 补充，响应速度快、覆盖范围大，在未来无线电监测工作中 将 会发挥越来越重要的作用 。无人升空 无线电监测 系统还可以与 现有的监测网 联合组成 立体化监测网，可实现对所管辖区全频段、全业务、全时段、全方位的监测覆盖，从而全面提升 无线电管理的业务 水平。 其主要可以满足以下几类监测需求。 1.3.1 空中航路上的无线电信号监测 在飞机的航路上，可能遇到来自地面的无线电干扰信号，影响飞行安全，如果具备空中无线电监测能力，就有可能在空中航路上对无线电信号进行监测，为干扰源的定位提供技术依据。 1.3.2 位于高层建筑中的无线电信号监测和定位 当前有些电台为了增加覆盖范围， 通常 放置在高层建筑中， 通过 从空中 监测无线电信号，可以更加快速地对其进行定位。 1.3.3 地面干扰信号的监测 对位于地面的干扰信号，传统的方式是采用地面固定站和移动站进行监测和定位， 而 从空中进行这 类 监测工作， 则 可 避开遮挡快速定位干 扰源。 1.4 无人升空无线电监测系统主要任务 根据目前 无人升空 监测 系统 承担任务 的 应用场景 不同， 可将 无人升空 监测 系统的主要 任务划分为重大活动保障任务、应急响应任务以及日常巡监任务。 1.4.1 重大活动保障 重大活动保障任务主要是通过空中无线电监测提供大型活动无线电通信频率保障、维护电波秩序以及协调各通信网正常运行，该类任务具有持续时间较长、有特定的场所、范围小等特点。 1.4.2 应急任务响应 应急响应任务主要是应对一些突发的 ，对重要通信频段干扰、 电视广播干扰、电磁环境污染情况，进行应急响应， 快速查找和定位干扰源。 该类任务具 有突发性强，持续时间较短，响应速度快的特点。 1.4.3 日常巡监任务 3 日常巡监任务主要是通过日常无线电监测 (包括 对重点区域如航路、高层建筑 等 )，积累空中无线电监测基础数据，该类任务具有范围 大 、飞行时间相对较长的特点。 2 国内外研究进展 2.1 国外研究进展 国外无线电监测系统的研究走在前列，以美国为例， 早在 20 世纪末期，美国联邦航空管理局 FAA 便开始着手设计建设覆盖全美的无线电干扰监测系统IMDS，该系统包括：固定无线电干扰监测系统（ FIMDS）、可搬移无线电干扰监测监测系统（ TIMDS）、移动（便携式）无线电干扰监测系统（ PIMDS）以及机载干扰监测定位系统（ AIMDS）。该系统一期工程已早在 2000 年 10 月建成，共配备了 30 个地面固定、可搬移、移动无线电监测、测向站和 3 加配有无线电搜索系统的飞机，覆盖了美国西部的洛杉矶机场，到 2007 年已经覆盖了包括纽约、芝加哥、曼彻斯特、迈阿密等重要城市机场。其机载无线电干扰监测定位系统（ AIMDS）为空、 地一体的立体化监测系统，能快速反应，有效处置无线电干扰。IMDS 的最终目标是不间断地监测民航通信、导航占用频谱，侦测干扰信号，提供必要证据和手段，通过政府相关部门的协 调及时排除和减少干扰。 2.2 国内研究进展 近年来，我国加大了对无线电监测的投入，各省无线电监测中心在建立全方位的监测体系，形成空地一体的全面覆盖网络方面做出了巨大的贡献。在 2007年深圳市应用警用直升飞机作为空中无线电监测平台，对空中频率进行监测，这是中国首例实施空中频率监测的活动。在 2010 年上海举行的世博会上，我国首次将系留气球应用于公共安全领 域，实现了对世博园区空中和地面的全方位综合监测。 2011 年在深圳举行的大运会中，深圳市无线电管理局采用直升飞机进行空中无线电监测和干扰查处，保障了开闭幕式以及比赛期间的指挥调度、安全保卫、应急通信、电视直播等各类无线电设备的正常运行。 我国近年来对无人升空无线电监测的主要探索活动见表 1。 最近几年，国内无人升空无线电监测平台产品发展非常迅速，特别是随着民用无人机呈现爆炸式发展，为无人升空平台的选择提供了广阔的空间。在无线电4 监测领域，国内各大监测设备提供厂商陆续推出了自己的无人升空平台无线电监测系统。 表 1 无人升空无线电监测主要发展过程 年份 地点 飞行器类型 监测项目 成果 2007 深圳 警用直升机 固频测量、离散扫描等 首例控制频率监测 2010 上海 热气球 世博园空地全方位监测 首次热气球做载体 2011 深圳 直升机 空中无线电监测和干扰查处 保障大运会 2014 江西萍乡 多旋翼无人机 空中监测 自行研发 2015 洛阳 六旋翼无人机 高考防作弊 受到好评 2016 唐山 多旋翼无人机 世园会开园应急监测保障 发挥重要作用 3 无人升空监测平台的选择 空中飞行监测平台从操作上可分为有人驾驶和无人驾驶两种。从无线电管理工作的实际需求来讲，如果能配备一架专用的有人驾驶的无线电监测飞机当然是最理想的。这样的话，我们可以事先将无线电监测设备及天线合理地设计、安装于飞机上，在需要时随时飞往任务地区执行监测任务。但是，目前这样的目标较难实现，因为这需要专用的飞机、专门的机组和维护保障人员，成本也非常高。如果租用专业飞行公司的飞机用于无线电监测，因干扰查处等监测任务具有突发性的特点，监测设备天线临时安装在飞机上有可能影响飞机的气动布局甚至干扰到的飞机适航性等问题，这种 方式的操作性也不强。因此，对于民用来说，有人驾驶飞机由于存在种种约束，用于无线电监测还不现实。而无人升空监测平台，由于其具有监测范围广、受地形影响小、接收信号质量好、测向定位精度高以及灵活机动等特点，在无线电监测平台发展中逐渐成熟。因此，本项目把升空监测平台限定在无人升空监测平台。 3.1 无人升空平台的范围 当前可供无线电监测使用的无人升空平台有以下几种类型：固定翼 无人机、多旋翼无人机、单旋翼无人机、无人直升机、无人飞艇、气球以及系留无人机等。从研究资料显示，自 2007 年起，我国无线电管理已经开辟了空中监测业务。近