0 引言

无人机电力巡线能够解决卫星遥感和地面监测手段时间分辨率和空间分辨率不高问题，弥补有人机航空巡视响应速度较慢、效率低的不足，降低人工作业量，且无人员伤亡风险，提升电力实时监控和应急响应能力^[1-3]。目前关于无人机电力巡线的研究主要集中于飞行控制、航迹规划及数据处理等方面，而在无人机测控通信方面研究较少。文献[4]提出采用4G、5G移动通信公网测控无人机，但4G、5G规划信号覆盖高度仅为300 m，不适用于飞行稍高的中大型无人机，且存在延时较大、信号不稳定及公网接入数据安全性问题；文献[5]设计了固定中继、移动中继、空中中继等多种克服障碍物遮挡的电力巡线无人机测控方式，但未对卫星中继方式进行深入分析。针对上述问题，本文引入了多种卫星通信方式来解决无人机电力巡线超视距测控通信问题，经对比分析给出合理化建议，为卫星通信在无人机电力巡线中的应用提供指导。

1 无人机电力巡线对卫星通信的要求

近年来，我国输电网络跨省区、跨地域铺设，使得输电网络结构日趋复杂，对无人机电力巡线，尤其是其测控通信系统提出了更高的要求：

（1）电力走廊地形变化剧烈，信道特性时变，对测控通信链路稳定性提出更高要求；

（2）电力走廊地理环境复杂，森林、高山、丘陵等遮挡物突出，对测控通信链路抗遮挡能力提出更高要求；

（3）无人机航程水平稳步提升，单架次巡线长度不断增大，对测控通信链路覆盖范围提出更高要求；

（4）高质量、精细化巡线成果广受青睐，低高度飞行作业将成常态，对测控通信链路抗地球曲率联通能力提出更高要求；

（5）自然灾害频发，无人机电力巡线应急抢险亟待推广，对测控通信链路全时全气候全地域可用能力提出更高要求；

（6）高效率中大型无人机大量引入，巡线区域道路状况给地面运输转场造成困难，对测控通信链路保证异地起降、远程操控能力提出更高要求。

2 卫星通信方式选择分析

目前具有通信功能的卫星主要有北斗卫星、天通卫星和中星10号等通信卫星。对于无人机电力巡线选用的卫星类型，需要根据无人机平台的搭载能力及传输业务量需求等因素综合考虑。

2.1 北斗短报文通信系统

北斗卫星定位系统集成了卫星无线电导航系统（Radio Navigation Satellite System，RNSS）和卫星无线电定位系统（Radio Determination Satellite System，RDSS）双模业务体制，不仅能够导航定位和精准授时，同时还可提供RDSS双向短报文消息服务，即卫星通信功能，是全球首个在定位、授时之外集报文通信为一体的卫星导航系统^[6]。目前北斗短报文通信系统已在电力输电线路、杆塔等在线监测工作中广泛应用。

北斗短报文通信系统可实现机载终端到机载终端、机载终端到地面指控站间指令数据和状态数据双向传输功能，通常机载终端1 min传输1次，1次可传输76 Bytes。短报文不仅可用于无人机与地面站之间的点对点通信，而且通过地面指挥终端可进行点对多点的有中心组网传输，为无人机协同巡线任务提供了极大的便利，如图 1所示。

北斗卫星虽然具有通信能力，但由于传输速率非常低，难以满足无人机遥控、遥测及巡线数据的实时回传需求，仅用于应急情况下的无人机位置等信息备份回传、简短的应急控制指令发送等。

2.2 天通卫星移动通信系统

天通一号卫星移动通信系统是我国自主研制建设的高轨卫星移动通信系统。系统由空间段、地面段和用户段组成，空间段规划由多颗地球同步轨道移动通信卫星构成^[7]。

天通一号卫星移动通信系统与地面移动通信系统共同构成移动通信网络，能够提供全天候、全天时、稳定可靠的移动通信服务。用户链路工作于S波段，馈电链路工作于C波段，用户链路和馈电链路的上行传输和下行传输均采用频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）/时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）/频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）方式，支持数据传输/互联网接入/视频回传业务，数据传输速率9.6~384 kbit/s，互联网接入速率64~384 kbit/s。

无人机电力巡线天通卫星通信系统由无人机机载终端、信关站和地面测控站终端3部分组成，其中机载终端质量可低至500 g，具有质量轻、功耗低的特点。与北斗短报文通信系统相比，天通卫星具有更强的数据传输能力，基本满足无人机遥控、遥测数据的实时双向传输需求，无人机电力巡线天通应用示意图如图 2所示。

2.3 通信卫星传输系统

本文通信卫星特指地球静止轨道通信卫星，其中中星10号和中星16号是最为常用的民用通信卫星。中星10号卫星是基于“东方红四号”卫星平台发射的第5颗高轨卫星，装载30个C频段和16个Ku频段转发器^[8]。

采用中星10号卫星作为中继节点的无人机电力巡线超视距测控通信系统，带宽可达5~10 MHz，满足8 Mbit/s数据传输速率需求，其点对点单跳转发模式使得传输延时小（仅约400 ms），能够满足遥控、遥测及高清巡查视频数据传输要求。但其机载天线等效口径一般不小于0.6 m，终端质量大（约40 kg）、功耗大（约600 W），受机载终端入网条件限制，只能搭载于中大型无人机快速普查应用，是目前中大型无人机电力巡线超视距测控普遍采用的卫星通信方式。中星10号应用示意图如图 3所示。

随着巡线载荷分辨率的增强，数据传输量不断增大，开始引入中星16号卫星。中星16号为高通量卫星，工作于Ka频段，具有带宽高、容量大^[9]、成本低且易与地面移动通信网络、地面无线电力专网融合的特点。中星16号卫星拥有26个用户点波束以及3个馈电波束，可覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海海域约300 km，全网并行数据传输速率可达20 Gbit/s，采用东3B卫星平台。中星16号卫星地面业务运营系统建有3个信关站（包含基带和射频系统）和1个运营中心。基于中星16号无人机电力巡线卫星通信系统采用星形结构，由信关站、机载终端和地面终端构成，如图 4所示。信关站容量通常很大，配置大口径天线，连接地面电信网络和卫星馈电波束。机载终端通过卫星实现与信关站的双向通信，信关站与地面测控站之间可通过地面网络连通，也可采用地面卫星通信终端通过卫星中继连通。

与中星10号Ku频段相比，Ka频段较高，入网条件限制较低。其机载卫星通信天线等效口径不小于0.45 m，因此机载终端质量减小约25 kg，功耗降低约300 W，可搭载应用于中型固定翼无人机和中大型无人直升机开展电力巡线详查业务。又由于其带宽较大（前向可达150 Mbit/s，返向可达12 Mbit/ s），主要可用于高清视频、多源载荷等巡线数据的高速回传以及一站多机协同巡线任务。此外，由于必须接入信关站，因此地面卫星通信天线等效口径可降至0.9 m（中星10号卫星地面天线等效口径一般在6.2 mm以上），机动性好、灵活性高，便于展开和撤收。但其双跳转发模式使得传输时延可达800 ms，遥控、遥测实时性较差，不利于无人机的安全控制。

2.4 卫星通信方式选择

3种卫星通信方式的特点见表 1所示。

北斗短报文通信方式数据传输速率低，可作为宽带通信卫星数据传输的应急备份应用于中大型无人机，并辅助实现导航定位；天通卫星移动通信方式终端体积小、质量小，可以满足遥控、遥测数据的传输要求，数据业务资费约16元/Mbit，可应用于中小型无人机复杂环境下对杆塔异物、绝缘子破损、防振锤滑移、线夹偏移、金具锈蚀等缺陷进行详查；宽带通信卫星传输具有带宽大、通信能力强的特点，可满足光谱载荷巡线数据实时回传需求，但终端质量大、功耗高，只有中大型无人机具备相应的搭载能力。其中中星10号信道资源每年租赁费用为30万元/MHz，成本较高，可应用于中大型无人机大范围、高效率对线路走廊状态巡检，或山火、地质灾害时应急监测与快速评估，此时可以选择临时租用信道方式，每小时租赁费用为1000元/MHz。

3 卫星通信应用案例 3.1 应用案例1

2018年1月，广东电网在江门220 kV铜水线利用广东电力科学研究院自主研发的第二代大型电力巡检无人直升机首次开展夜间巡检，搭载了基于中星10号宽带卫星的机载卫通终端，采用基于前向能量统计的缝隙检测技术解决了旋翼遮挡问题^[10]。终端天线等效口径0.3 m，视频数据传输速率达1 Mbit/s，实现了超视距飞行。但由于能量统计具有滞后性，缝隙检测算法预留较大保护区间，降低了旋翼缝隙时间利用率，通信效率只有50%左右。因此需要结合深度学习和训练模型设计旋翼旋转预测算法，突破高效率缝隙检测技术，提高检测精准度，将通信效率提高到70%以上。

3.2 应用案例2

2018年10月，贵州电网运检分公司在防冰预演习中首次启用Dragon50交叉双桨无人直升机勘查冰情，搭载了广播级可见光吊舱对线路进行高精度悬停超清拍摄。为提高无人机系统的安全性，在L波段数据链基础上增加了北斗短报文备份，在超视距作业任务中可应急回传状态和定位信息。但由于中大型无人机遥控指令和状态信息协议复杂，数据量较大，单卡北斗终端需多次发送才能完成1次数据刷新，实时测控效果不理想。因此需要突破多卡绑定并行传输技术，设计逐包分拆和负载均衡机制，提高北斗终端数据传输能力。

3.3 应用案例3

2020年5月，国网浙江省电力公司温州供电公司使用电动多旋翼无人机进行了巡线试验，一方面考虑飞机本身的搭载能力，另一方面为保证在高山丛林等地形复杂环境下能够对无人机有效测控，选用了天通一号卫星通信终端进行低速测控数据的实时超视距传输，能够对杆塔进行低高度、零距离巡查。但由于天通终端选用的全向天线形式，俯仰面波束角约50°，在无人机姿态变化时存在对星方向增益快速下降问题，导致数据传输质量变差甚至中断。因此需要突破天线俯仰面波束赋形技术，兼顾高仰角和低仰角天线增益，实现无人机大动态下天通测控链路的稳定连通。

4 结语

针对复杂环境下无人机电力巡线超视距测控与信息传输问题，引入了北斗短报文、天通卫星、通信卫星等不同卫星通信方式，在传输速率、延时、终端质量、资费标准等方面综合考虑，提出了应用机型和任务类型的建议，并介绍了目前卫星通信在无人机电力巡线中的应用情况。随着卫星通信应用推广条件的日益成熟，进一步升级和优化高效率旋翼缝隙检测^[10]、多卡绑定并行传输、天线波束赋形、高增益信道编码、波束快速切换等关键技术^[11]，将促使无人机电力巡线系统迅速普及，向着全域化、常态化、规模化、经济化、智能化方向发展，成为有人机巡线、车辆巡线、人工巡线等的有效补充。