无人机组网通信系统在隧道内的应用
公路/铁路隧道内出现火灾等紧急情况的时候，利用消防无人机进入隧道进行火情勘察，灭火作业是一种非常有效的手段。消防无人机作业的时候需要实时将拍摄的视频传输到隧道外的监控台，由监控台的操作手对无人机的飞行姿态、行进路线进行控制，同时在恰当的时机发出控制指令，控制无人机完成作业任务。因此建立一条从无人机到隧道外监控台的高效、稳定的无线通信链路是完成消防无人机隧道作业的必备条件。
我公司研制的无人机组网通信系统安装在某型号的消防无人机上。在2023年12月初在某地隧道试验场完成了隧道内的作业任务。在作业中将无人机吊舱的视频、机载载荷的数据通过通信系统传输到隧道口的监控台，操作手控制监控台通过通信系统给无人机发送指令，完成作业任务。在作业任务中无人机组网通信系统作为唯一的通信手段全程提供服务，为整体作业任务提供了可靠、稳定的链路保障条件。
隧道内通信的特点和难点
隧道内无线通信的特点和难度主要有以下几个方面：
1.信号衰减和阻碍
隧道内空间狭窄，是一个封闭的空间。隧道内的混凝土、岩石等材料会对电磁波信号的传输产生阻碍、吸收和散射，导致信号衰减。隧道不可能是直线，中间肯定存在多次拐弯的情况，每次拐弯都会严重影响信号的传输。
2.多径效应
隧道内部存在大量的反射和折射现象，会导致信号的多径传播，使得接收端收到多个来自不同路径的信号，造成信号的多径干扰。
3、多种干扰源
隧道内可能存在大量金属结构、电缆线路等导致的电磁干扰，如电磁波反射、折射等现象，进一步干扰信号的传输。
4、可靠性要求高
隧道发生火灾时，无线通信链路是消防无人机和监控台之间唯一的通信链路，如果通信链路中断，将导致无人机失控，引发事故。因此无线通信的可靠性必须经受得住考验。
系统的工作原理
无人机组网通信系统包括隧道外遥控台站、隧道内固定节点设备和无人机机载通信设备三个组成部分。其中无人机机载通信设备1台，安装在无人机上。隧道内固定节点若干台。根据隧道的长度、高度、拐弯角度等情况合理的布置隧道内的固定节点个数。考虑到隧道内的特殊场景，节点之间的间距大约1km~1.5km左右。隧道外的遥控台站1台，在条件允许情况下可以在隧道的两侧各布置一个遥控台站，通过冗余备份增加系统的可靠性。
系统的主要特点
1.固定节点链式组网，具备自愈功能
隧道内的各个节点之间采用链式自组网技术。链式组网技术能够指定节点的传输顺序，使得数据能够沿着链式结构流动，从而实现高效的数据传输。
链式组网有两种形态，一种是单向链式结构，另一种是双向链式结构。在单向链式结构中，节点只能向链的后方传输数据，而双向链式结构中的节点既可以向链的后方传输数据，也可以向链的前方传输数据。
本系统采用的是双向链式结构。在链式结构中，每个节点都只与其前后相邻的若干个节点直接通信。通过这种方式，将整个网络划分为一个个有序的传输单元。当一个节点需要向另一个节点传输数据时，只需要将数据从链的前端发起，依次经过若干链的中间节点，最终传输到目标节点。而且当其中某个节点不能工作的时候，前面的一个节点仍然能够跟下一个节点通信：
图中有9个节点，我们设置成双向链式组网方式。节点3能够和相邻的节点1、节点2、节点4、节点5通信。正常情况下节点1的信号通过节点2、3、4传输到节点5。如果节点3不能正常工作，那么节点1的信号也能够通过节点2、4传输到节点5。
这种传输方式同时还可以大大减少网络中的数据冲突。比如上图中节点1和节点6不在同一个链式通信网内，节点1和节点6的的频率、带宽资源可以复用，提升了数据的传输效率。
2.机载通信设备自动路由
机载通信设备和地面固定节点之间采用自组网通信中的自动路由技术。每个固定节点通过广播或邻居查询方式，发现自身周围的邻居节点，并建立邻居关系。各个节点之间交换路由信息，包括节点的状态、链路的质量、网络拓扑等信息，以便所有节点均了解整个网络的情况。
系统采用最短路径和负载均衡相结合的自动路由算法。机载通信设备根据当前网络的拓扑信息，链路的质量以及各个固定节点的状态， 基于和地面节点之间的最短路径，以及该节点的通信带宽负载情况， 自动优选一条路由路径接入某个地面固定节点，保证了通信链路的可达性、可靠性、延时性能以及网络通信的质量。
3.通信速率高，延时小
无人机通信设备到隧道外监控台的数据传输率可达6Mbps以上，节点之间的通信延时小于35ms，充分保证了消防无人机隧道作业的要求。
系统基本技术参数
1) 具备图传、数传的通信能力；
2) 无人机的实时通信码率：≥6Mbps；
3) 遥控台站上行遥控数据：≥115200bps；
4) 节点之间的通信延时：≤35ms；
5) 视频接口：支持2路网络接口,1路可见光，1路红外；
6) 数据接口：1路RS422接口；
7) 隧道内节点设备：平时采用220V供电，在应急的条件下220V电源关闭，采用自带的电池供电；
9) 隧道内节点自愈能力：隧道内有个别节点设备损坏的时候，系统仍然能够正常工作，实现无人机和遥控台站的通信。
系统的测试和验证情况
2023年12月初在某地隧道试验场配合某主机所完成了了隧道内的无人作业任务，为无人机提供了隧道内无人机到隧道口监控台之间的双向数据通信链路。整体的系统示意图如下：
无人机上安装一个机载通信设备，隧道内布置2个地面节点，隧道口布置1个地面节点。1个机载设备和3个地面节点组成一个通信网络。无人机在从隧道口起飞，在监控台操作人员的操控下向隧道内飞行。无人机到达作业区域附近的时候，操作人员发出指令，完成作业任务。
无人机组网通信系统工作稳定、可靠，获得了主机所试验队全体人员的一致好评。