Research and Application of Communication Relay of UAV for Natural Gas Pipeline Inspection
李蓬寅① LI Peng-yin；季寿宏② JI Shou-hong；钱济人② QIAN Ji-ren；
张国民② ZHANG Guo-min；刘剑③ LIU Jian
（①西南石油大学，成都 610500；②浙江浙能天然气运行有限公司，杭州 310000；③台州发电厂，台州 318000）
（①Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；②Zhejiang Energy Natural Gas Operation Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China；
③Taizhou Power Plant，Taizhou 318000，China）
摘要：无人机对天然气管道进行巡检时，通信链路的通断是影响其实际应用关键因素之一，目前还未有针对管道巡检的成熟通信中继系统。为解决无人机飞行过程中通信问题，提高无人机监管力度，文章分析无人机巡检的通信需求，对多种通信中继方式进行分析评估，利用已有资源，设计出4G、数传电台及北斗短报文结合的三冗余无线通信中继系统。该通信系统扩大了通信覆盖范围，提高无人机在线路上数据回传可靠性及飞行安全性，为后续无人机巡检系统开发提供参考。
Abstract: The on-off of communication link is one of the key factors affecting the practical application of natural gas pipeline inspection by UAV. At present, there is no mature communication relay system for pipeline inspection. In order to solve the communication problems in the process of UAV flight and improve the supervision of UAV, this paper analyzes the communication requirements of UAV inspection, analyzes and evaluates various communication relay modes, and uses existing resources to design a three-redundancy wireless communication relay system combining 4G, digital radio and Beidou short message. The communication system expands the communication coverage, improves the reliability of data return and flight safety of UAV on the line, and provides reference for the subsequent development of UAV inspection system.
关键词：天然气管道；无人机巡检；通信中继；无线通信
Key words: natural gas pipeline；UAV inspection；communication relay；wireless communication
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0221-03
0 引言
浙江地区地形以山地为主，平原较少，天然气长输管道穿越众多复杂地貌，包括山川、河流、丛林、平原、丘陵等，很容易出现因地质灾害导致的天然气管道安全事故；同时管道穿越村庄等高后果区，周边极易出现野蛮施工与违章占压现象。传统人工巡检方式劳动强度高，巡检范围小，巡检时间长，可能无法及时发现对应的安全隐患[1-4]。
浙江浙能天然气运行有限公司借鉴国内外无人机巡检的应用经验，以保障天然气管道运行安全，降低管道运行风险为目的，提出了无人机与人工协同进行天然气管道综合巡检模式。通过对多次无人机试飞结果进行总结，发现目前无人机搭载单一通信设备进行超视距巡检时，极易出现通信不畅通以及通信丢失的情况，而且受无人机载荷能力及现有无线通信能力限制，实时回传图像实际效果还不理想[5-9]，导致无人机在管道巡检应用上受到限制。因此亟待开发一套适用于无人机超视距巡检飞行的通信中继系统，保障无人机飞行安全，进一步提高无人机天然气管道巡检应用效果。
1 通信中继系统
无人机通信是无人机与地面控制站之间的生命连接线，目前还没有相对成熟的数据链中继技术和专业化研发经验可供借鉴[10]。依据国家相关法律法规，民用无人机飞行高度受到较为严格的控制，通常在几十米或百米高度的空域内进行低空飞行作业，在此高度很容易出现较高建筑物或者山脉阻挡通信信号的情况。军用无人机在执行超视距飞行任务时，通信主要依赖短波或者卫星通信，而民用无人机进行巡检时可利用的通信资源有限[11]。
当前民用无人机通信方式普遍为直连视距内通信方式，即无人机与遥控器在地形通视情况下能直接进行通信，因此大多数无人机只能在遥控器或地面站通信辐射范围内进行飞行作业，很大程度限制了无人机生产实际应用。
天然气管道长度较长，依靠单一的通信方式或设备无法满足无人机巡检的基本要求，所以在超视距、低空的环境下，建立良好的通信中继数据链成为天然气管道巡检的重要支撑。
通信中继系统是无人机和地面控制端之间为飞行管理目的建立的数据链接，是延长和保障无人机和地面站之间高速、准确、可靠的双向通信传输关键所在。通信中继数据链主要实现无人机巡检信息的数据传输，通常包含机载及地面部分，机载端主要负责飞行信息、坐标、状态信息、图像资料发送，地面端实现巡检任务发布及无人机控制等。
2 无人机巡检的通信需求分析
无人机的飞行线路上会经过或靠近众多复杂的设施设备以及民居，因此保障无人机巡检过程中的安全飞行是最关键的一项指标。通信中继系统必须保障无人机与控制中心能够建立可靠的连接，确保飞行信息有效回传到地面控制中心，因此系统应具备如下几个特性：
2.1 数据实时传输 无人机在巡检过程中通常以20-60km/h的速度进行飞行，在超视距飞行过程中最为重要的是当前飞行状态（飞行速度、位置坐标、电池电量等）的反馈，及时获取到飞行状态有利于对无人机实时监管、监测，同时减少飞行事故的发生。同时天然气管道周边的信息主要由无人机搭载的摄像机提供，通信中继系统需要有较高的带宽以供视频流顺利回传。
2.2 通信畅通 目前无人机进行巡检时，时常飞越城镇、山区等地区，在城镇飞行过程中因为其他通信设备的存在，可能会对无人机的通信产生较大干扰；山区段多种阻挡环境下通信系统很容易出现掉线或无人机失联的情况，因此通信中继系统必须在多种严峻环境下确保通信畅通。
2.3 系统覆盖范围广 在现有天然气管道分布基础上，无人机执行完整巡检任务飞行距离约为二十到五十公里，普通通信方式无法满足实际飞行需要，所以通信系统需要对无人机飞行线路实现全覆盖。
2.4 系统的性价比高 根据当前天然气管道运行逐渐实现中心化、集成化、智能化的特点，管道线路的天然气阀室为无人值守阀室，因此安装的通信设备在能进行有效传输的同时应该尽量满足易维修、低成本的特点。
3 无人机通信中继设计分析
3.1 多种通信中继方式优缺点比较
为研究无人机飞行时通信中继的最佳方式，对当前常用的通信中继方式的技术优势、应用前景和局限性进行比较，分析结果如表1所示。
3.2 通信中继设计方案
无人机通信受多种因素影响，从通信理论可知，信号传输能力由发射功率、天线增益构成。对于无人机巡检而言，大功率通信设备不适合布置在无人机上，因此大功率发射与无人机有限载荷成为一对不易解决的矛盾。因此，从整体探究一套适合无人机超视距飞行的通信中继方案。
对于天然气管道而言，整体铺设呈直线趋势，受地形地势等因素影响，造成部分区域呈现不规则形状。为了尽可能覆盖无人机巡检路线，通信中继系统需要有较大的覆盖范围。在此基础上提出以外部运营商网络为主，内部自主网络为辅，远近多重覆盖的通信中继策略。对应的中继设备也应该具备易使用、造价低、覆盖范围大、通信能力强的特点。4G通信技术很好的满足当前实时性等需求，借助运营商建立的信号塔可以基本满足对飞行线路的大范围覆盖，在阀室安装数传电台对4G网络覆盖不完善地区进行补充。同时，无人机加装北斗短报文模块，实现全地形覆盖。整体设计方案如图1所示。
4 通信中继系统实际组网应用
根据在浙江省境内多种地形环境下进行实际飞行，积累了较多经验、教训。目前浙江省内天然气管道和光纤为同沟铺设，阀室及场站均安装有对应的路由器联入公司内部网络，为了最大程度发挥通信覆盖能力，结合系统建设的经济性、实用性等性能指标，因此可参考如下建设安装方案：
在一条选定的天然气管线上，阀室部署5dBi低增益全向天线，完成阀室周边飞行线路的信号覆盖；4G通信网络负责整条飞行线路的大范围覆盖，北斗卫星对整个从而在整个飞行线路上构成了远近多重覆盖区域，在整条线路实现信号全覆盖，如图2所示。在相邻的阀室交接处，各自电台的辐射范围需要构成重叠区，以使飞行过程中信号不中断。这样在整个巡检飞行过程中，无人机能够保证两到三个可靠的通信方式，从而支持无人机飞行数据以及视频信息的传输。
电台采用雷迅P900数传电台，该设备具有易于安装、结构灵活，通信距离长等优点。当前电台通信距离可达30km，设备工作频段为902-928MHz，在阀室安装的数传电台使用串口联网设备接入路由器，从而实现数据直接传输到公司内部服务器，同时部署增益为5dBi的全向天线，完成对阀室左右两个方向的长距离覆盖；无人机搭载的4G模块和北斗短报文模块分别选用V518全网通4G路由器和TM0510 北斗RDSS模块，飞行数据通过运营商的服务器映射到内部服务器，实现外部网络到内部网络的连通。三种通信中继方式互为备用，确保通信畅通。
无人机飞行巡检时，三种通信方式同时向地面端发送巡检数据和飞行状态信息，实时对飞行线路上出现的各种危险行为进行判别。
为验证该通信中继系统可行性，使用Mission Planner软件对电台通信进行验证，该软件可以对电台通信质量进行量化，具有简单、便捷等优势。测试时无人机搭载电台分别在距离场站电台1km、5km、10km、15km处升至100m高度，通过软件的解算，得到测试结果如表2所示。
在试飞阶段，以4G为主的通信中继系统发挥了良好的作用，在超视距飞行过程中能将飞行信息等重要数据及时传回地面控制中心，显著提高了天然气管道巡检无人机的整体性能。
5 结语
本文通过现有资源设计出一套以4G网络为主，数传电台及北斗短报文为辅针对天然气管道巡检的通信中继系统，该系统对于无人机具有可靠、覆盖范围广、负载压力小等优势，实现了在超视距飞行情况下无人机与地面站的有效通信。
本系统优势如下：①增加无人机通信距离。使用外部运营商网络，既满足线路覆盖要求同时也满足数据传输要求；光纤的埋设也为数传电台使用提供了可能性。提升无人机与控制中心的数据传输能力。②提高通信可靠性。三冗余的通信中继系统在复杂地形中依然能够保障无人机和地面控制端的双向通信，同时避免了单一通信中继方式失效导致的无人机失联情况，提高了无人机飞行的安全性。③减轻人员工作强度。其他中继方式如电力巡检中常用的地面车载移动中继需要工作人员作后勤保障，无形中增加了工作人员的工作强度，该通信中继系统只需要对无人机进行改装和在阀室安装数传电台，后期维护简单方便，巡检飞行中无需人员对其进行操作。当前5G通信技术已经相对成熟，后续可在其基础上对该通信中继系统进一步改进，提高无人机通信能力，为后续研发出更为高效、安全的无人机通信中继系统提供可能。
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