无人机发展与通信
目录
1.背景
2.无人机行业发展历史
3.无人机行业发展现状
4.无人机结构介绍
5.无人机与通信
6.无人机领域发展前景和总结
1.背景
随着科学技术快速发展，以大数据、云技术、超级计算为核心的计算机技术实现了跨越式发展，不仅性能更加稳定，运算效率更高，而且计算机的数据存储能力和信息交互能力也得到了全方位提高，推动人类进入智能化、信息化时代。在新兴科学技术的引领下，无人机作为综合电子信息技术、自动化技术、数据分析技术于—体的科技产品，已成为信息科技新的宠儿。
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。众所周知，无人机的发展与通信技术的发展两者一脉相承。而随着5G时代的到来，无人机也得到了长足的发展，。各式各样的无人机与互联网技术融合，与云平台相融合，给到了用户更好的体验。本篇报告主要从无人机的发展历史，无人机发展的现状，无人机的分类，无人机领域的一些基本通信知识等方面阐述了调研结果，对于无人机的领域的总体情况做了大致的说明。
2.无人机行业发展历史
2.1.萌芽期：
2.1.1.中国最早出现的无人机
孔明灯是最早的广义上的无人机。孔明灯又叫天灯。相传是由三国时的诸葛孔明所发明。当年,诸葛孔明被司马懿围困於平阳,无法派兵出城求救。孔明算准风向,制成会飘浮的纸灯笼,系上求救的讯息,其后果然脱险,於是后世就称这种灯笼为孔明灯。
2.1.2.外国最早出现的无人机
1849年，意大利独立战争爆发。当时的奥地利军队包围了威尼斯。围城的奥地利军队放出了约200个无人操控的燃烧气球。由于受到风力影响，燃烧气球没有取得实质性战果。
2.1.3.无人机在萌芽时期的发展
1903年，西班牙工程师克维多设计了一款名叫“Telekino”的无线电控制系统。
目的是在保证自身安全的情况下测试他设计的飞艇。
1914年，英国的工程师们开始进行无线电遥控无人驾驶汽车。
1916年，英国工程师蒙哥马利洛在前人的基础上改进无线电控制系统。并将这一系统应用于无人驾驶单翼飞机上，这架飞机成为世界上第一架在无线电控制下飞行的动力无人机。
2.1.4.战争推动了无人机的发展
伴随着20世纪前半叶的两场世界大战，无人机的发展迅速进入了快车道。各国纷纷投入无人机的设计与研发，诸如无人机驾驶的空中鱼雷，远距离操作无人机轰炸等以实战为目的的无人驾驶飞行器不断问世。而纳粹德国在二战期间生产和使用的各种无人机设备成为当时的集大成者，阿克斯无人侦察机是当时最顶尖的科技。
2.2.发展期
美苏冷战期间，无人机发展迎来了第二春，东西方两大阵营纷纷开始了在无人机研发领域的较量！
2.2.1.美国无人机在发展时期的成就
美国在越南战争的时候广泛使用无人机，执行了3500余次无人机任务，代价只损失了500台无人机！说明无人机应用于战争的能力大大提升！
1991年的海湾战争，美国大量使用了携带武器的无人机，在实战中展示出压倒性的制空、制电磁优势。对伊拉克军队造成了大量杀伤。更便宜，更强大的战斗无人机震惊全世界！
2.2.2.苏联无人机在发展时期的成就
苏联启动了“红色马车”的无人机计划，研制出图-123，图-143等无人战术侦察机。虽然在技术上偏向保守，但是在二十世纪六十年代的“超高空无人机角逐”中，苏联的无人机以更好的可靠性和实用性与美国并驾齐驱，毫不示弱。
2.3.成熟期
随着材料技术，电子通信技术以及空气动力学等科研技术的发展,无人机技术逐渐走向了更广的维度。在影像拍摄，快递传输，中继通信等领域都有了影响力。
2.3.1成熟期发展成果举例
2006年，影响世界民用无人机格局的大疆无人机公司成立，先后推出的精灵系列无人机，在世界范围内产生深远影响。
2014年，一款用于自拍的无人机Zano诞生，曾经被称为无人机市场上的iPhone。该机在众筹平台上筹款340万美元，获得超过15000人的支持，大家都对该款产品充满期待，由于无法解决无人机量产而引发的软硬件调校误差，该研发公司于2015年破产，Zano只能活在大家的记忆中。即便如此，无人机应用在自拍领域的研究也会继续下去。
2015年之后，大疆的民用无人机逐渐走向大众的视野，天空之城无人机摄影平台诞生，无人机逐渐走向了更广的维度。
3.无人机行业发展现状
3.1.第一产业领域
3.1.1.呈现的发展景象
目前，国内农用无人机应用主要集中在植保作业领域。我国从2004年开始研究和推广植保无人机，2010年首架商用植保无人机交付市场，拉开了其产业化的序幕。近年来益于国家相关政策的大力支持，通过行业企业、高校院所等各方面的共同努力，我国农用无人机产业发展迅速，技术水平日趋成熟，市场培育逐步完善，进入高速发展阶段。
3.1.2.呈现的发展问题
1.关键部件的自主化水平不够，产品质量有待提升。
2.行业管理亟待规范，标准建设尚不完善。
3.专业操作人员紧缺，技术人才亟待培养。
4.配套服务不健全，推广应用有待加强。
3.2.第二产业领域
无人机在第二产业领域主要体现在工业生产的监督和投放运输方面。例如，DHL曾使用无人机将运送药品投递至目的地，飞行时间约两分钟，飞行距离为一公里。
3.3.第三产业领域
3.3.1.发展趋势
一是智能化趋势。未来无人机应该是智能化的，而不仅仅只是听从人类指令而被动行动的玩具。未来战场瞬息万变，战机往往梢纵即逝，因此，一架具有主动判断能力和卓越战场感知能力的智能化无人机就能在站场上迅速取得先机，从而赢得战争胜利。以自主控制为代表的无人机智能化水平未来将得到大幅度提升。在采用人工智能和群体智能优化技术后，无人机/机群可远在几百公里甚至几千公里外自主完成自动寻的、确定攻击目标先后次序、选定适宜的打击手段、进行战术协同执行攻击等一系列战术动作。
二是隐身化趋势。现代防空武器的迅速发展，对无人机的隐身性能及机动性能提出了更高的要求。为提高无人机的机动性能和战场生存能力，未来无人机需要朝着隐性化，微型化方向发展。特别是翼展不超过15厘米的特微型无人机，携带方面，战术灵活，可以在提高生存能力的大大增强战争侦察、渗透能力。日前，该形无人机以美国麻省理工大学的微星和黑寡妇为代表，展现了现代科技已使“掌上飞机”逐浙成为了现实。相信随着微电子技术，弱功率信号控制与通讯技术的继续发展，微型无人飞行器将更加成熟。
三是集成化趋势。未来无人机正朝着系统集成，综合传感方向发展，增强无人机的通用性。未来无人机不将再有明显的分类，一架无人机就能完成侦察/探测/打击/评估等一体化任务。同时，针对未来一体化战争趋势，无人机数据链可以与有人战斗机迅速分享，各自分工，应对不同任务的需要。未来的无人机系统更强调高度集成化，以满足灵活多变的作战任务需求。将朝着以侦察、发射平台为基础，以导弹攻击、拦截为作战手段，以卫星实时通信、传输为信息保障，以智能指控为核心的机、弹、星、人集成化武器系统发展，真正成为立体化战场的多面手、战斗力的倍增器。为适应作战运用的变化，美军《空军2025》报告所列今后数十年无人机的关键需求中明确将多任务平台列作战术/战略无人机的下一个发展方向。未来的无人机系统更强调高度集成化，以满足灵活多变的作战任务需求。将朝着以侦察、发射平台为基础，以导弹攻击、拦截为作战手段，以卫星实时通信、传输为信息保障，以智能指控为核心的机、弹、星、人集成化武器系统发展，真正成为立体化战场的多面手、战斗力的倍增器。
四是民用化趋势。根据《美国陆军无人机系统路线图（2010-2035）》，无人机在军用领域的应用范围将进一步扩展至C3I指挥控制、空战、加油、空运等更多类型的作战任务，逐步对有人驾驶飞机形成替代。而在民用领域，随着对无人机应用价值认知程度的加深，无人机在遥感测绘、边海防、森林防火、管道巡线、警务执法等方面的应用已开始起步，并呈现出迅猛发展之势。据预测，全球民用无人机的市场需求将以年均近30%的速度快速递增。
3.3.2.主要应用
1.无人机航拍。无人机航摄测绘，具有极大的灵活性和时效性，能够处理各种复杂环境的航测或巡查任务，比如对高压电网的安全、地下矿道、茂密林区等高危场景的灵活巡查，既能实现高精度拍摄巡视，也能节省大量人力成本等。
2.无人机安装传感器。在自然灾害面前，无人机可以安装各种传感器，比如红外线传感器，这样可以通过人体的热量特征来定位远处的人们，而GPS信息可以令救援人员精确地找到受困人员，并以空中支援的方式进行输送。有了无人机技术，拯救生命的工作已变得越来越先进。
3.无人机地面勘查。地面勘查是一项大业务，当要勘查的地面特别巨大时，尤其耗费时间。而无人机能使地面勘查工作变得更加精确、高效。因为无人机可以按照编好的程序，飞越几百亩地，拍摄照片和视频；而激光雷达或者其他传感器可以在地图上标出海拔变化，寻找水源和水流模式等。
4.无人机结构介绍
- 飞行器部分：主要由电机，外壳，自锁桨，电池，相机，飞控系统等硬件模块组成。
- 传输模块：主要包括图传，数传，相机控制模块。
- 地面站模块：主要包括接收器，PC端和一体化遥控器。
5.无人机与通信
5.1.不同波段的功能：
1.信号频段
5.8G：该频段暂时是航拍领域使用最广泛的无线微波视频传输器。
优点：体积轻盈，低热量，距离远，并且价位很透明，频道最大可释放出32个可选。至今仍是航拍微波传图领域的首选。工信部信号限制当中，5.8G微波信号是消费级开放频段，也就是无论你是否经过许可，都可以用5.8G信号作为你航拍器的传图作业。在画质的处理上，优秀的5.8G视频传输器能够完全释放出64位模拟色彩度输出。并且部分厂家对5.8G这个频段环境污染、辐射人体、干扰其他无线设施影响最低，得到了影响最好的评分。
缺点：波长问题导致该信号穿透力极差，易受外界因素干扰。航拍的陆对空条件反而造就了绝对空旷的环境，因此工信部首先开放的就是5.8G允许在消费级产品使用。5.8G没有很夸张的功率，实际功率基本上≤2000mW，也就是我们常说的2瓦。
2.监控波段
2.4G：该频段应用最广泛的领域是日常家用电器，其主要用途是陆地工业无线监控工程。
优点：及其廉价，频点容易把控，最大可释放出12个频道。2.4G无线视频传输器应用最多的还是解决陆对陆无线监控问题。可让监控摄像机短程无线传输信号，发射器模块上的电子元器体积大，间隔距离较远，散热效果最好，适合长时间超负荷作业。波长略胜与5.8G有较好的穿透力和图像稳定性。功率甚至可以通过信号放大器、信号增益模块释放出20瓦以上的功率。
缺点：还是廉价的问题，导致儿童遥控玩具、电视机遥控器、路由器等日常用品都会采用该频段，使用此类发射器特别容易被干扰，也就是传出来的画面会有大雪花点、断频、串频等情况。容易受温差漂移干扰，也就是水蒸气上升时能看到的扭曲背景。廉价产品不用说采用的电子元器件都是最原始的，不像5.8G和1.2G主要采用贴片和模块式电子元件。并且2.4G信号段的视频传输器在市场上很少有实际标注功率的产品，用几百毫瓦的模块换一个大壳子就号称是8瓦或十瓦大功率。因此好多使用者会发现一个2.4G8W的大功率传图竟然不如一个5.8G600mw的发射器距离远。据我所知2.4G的视频传图模块还没有正规厂家生产，仅有几个正规厂家生产监控工业级的设备，厂家也不是特别有实力。同时工信部对2.4G还是有管制的，只是限制了2.4G内的某几个频道。
3.传输波段
1.2G：属于低频信号，穿透力极强，可覆盖所有对无线视频传输的领域。
优点：波频最连贯，大多传输器都可处理主、辅两种波频，高于2.4G的信号传输相当于再海面或浅水游泳，低于1.5G的相当于在海底，海面上再大的惊涛骇浪，海底仍然平静。已知市面上模块最大功率可达到8000mw，传图的图像也可处理64位乃至更高的画质，发射器本身体积也及其微小，可无限延伸设备功能。大多1.2G信号的发射器都不受温差相位漂移的影响，也是微波无线视频传输器里最适合陆对陆传输的。比较知名的发射器品牌如：台湾罗美、深圳栢通等，其中台湾罗美1.2G是全球航拍玩家家喻户晓的，除了台湾罗美以外再无任何无线微波视频传输器能够处理出≥64位的色彩。在外国航拍玩家中，有相当一部分玩家在增益达到的情况下将罗美1W视频传输器打出25~30公里的超长距离。深圳栢通也以最廉价的1.2G颇受老外们的认可，1.2G超强的穿透力也是陆对陆的首选。
缺点：1.2G是工信部最早严令禁止空中使用的频段，但不包括经过许可的民用级产品。在国内1.2G信号段仍服役与军方和政府机构，同时也因为1.2G过强的功率会导致周边无线设备失灵，因此1.2G并不能当作消费产品公开销售。因以上条件导致1.2G发射器价格较高，最贵可达到几千元。1.2G发射器普遍比其他频道的发射器温度高，也因1.2G内可释放频道少的缘故，很多不同厂家的发射器可以共用接收器，串频率也较高。
5.2.编码方式
PCM:脉冲编码调制，以约定好的二进制码流传递信息，可以时分复用（不同的制式时隙个数不同，在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性：A律和U律，A律编码主要用于30/32路一次群系统，U律编码主要用于24路一次群系统。A律PCM用于欧洲和中国，U律PCM用于北美和日本）；PPM：脉冲位置调制，以不同时刻出现的脉冲位置传递信息，可以时分复用；
PWM：脉冲宽度调制，以脉冲占空比传递信息，不可以时分复用；PWM以及其变种SPWM广泛用于电机调频调速控制。
PPM和PCM都用于遥控设备无线传输上，PCM属于数字调制，需要利用高速AD和DA；PPM利用积分器和滤波器，属于模拟调制。
反应速度PPM快于PCM，PPM和PCM都是信号编码方式，可内建多路信号。PWM是脉冲宽度调制，也就是单通道的。发射机模式与接收机模式要一致才能对频。
无人机遥控要传输的必需信息包括油门，偏航，偏移与俯仰，可选信息包括对云台等信息的控制。PWM无法传输多路信号，无法应用在无线传输中。
PPM由于易失真，因此，目前主流编码方式是采用PCM波形编码。
还有SBUS,DSM等后来由于视频信息传输的需求，商家会将图传与控制传输做到一套传输系统内。比如，DJI Lightbridg全高清数字图像传输系统，其内置了 2.4G 遥控链路，其高配方案实测有效传输距离高达5km，标配也达到了1.7Km。
5.3无人机遥控指令加密方法
遥控信息的安全问题是无人机遥控系统设计和任务实施过程中最重要的问题之一。然而日益发展的电子侦察和电子对抗技术，使第三方可以截获已方所发送的遥控指令，分析和窃取遥控信息的内容，从而伪造遥控信息，对己方无人机构成严重威胁。随着现代通信技术和密码技术的发展，人们通常采取指令加密的方式使遥控指令获得更高的安全性和可靠性。
6.无人机领域发展前景和总结
随着科学技术快速发展，以大数据、云技术、超级计算为核心的计算机技术实现了跨越式发展，不仅性能更加稳定，运算效率更高，而且计算机的数据存储能力和信息交互能力也得到了全方位提高，推动人类进入智能化、信息化时代。在新兴科学技术的引领下，无人机作为综合电子信息技术、自动化技术、数据分析技术于—体的科技产品，已成为信息科技新的宠儿。
总的来说，无人机领域作为一个新兴的产业，不断地刷新人们现有的认知。无人机正在逐渐变为改变世界的又一个新工具。尽管无人机行业目前仍然面临着诸多挑战和问题，但随着经济的发展和新技术的产生，一定能够在未来成为一个亮眼的行业。