天然气管道无人机巡检通信链路抗干扰技术研究

作者简介：杜建（1984.05—），男，汉族，山东滕州人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为长输天然气管道无人机巡护管理。999Sep127··第42卷第期2026年月ITREPORT,No.202在无人机进行巡检的过程中是处于运动的状态，在接收端以及发射端之间会出现相对位置的变化情况，这使得多径传播环境也发生了变化，从而出现动态多径衰落的情况。多径衰落会导致链路带宽降低、信号失真，当衰落深度较大时，会出现信号中断。对于传输高清图像的巡检链路，多径衰落会导致图像卡顿、模糊，影响隐患检测的精准性。1.3遮挡干扰遮挡干扰指的是通信信号在传播的过程中被山体、森林、建筑物等障碍物所挡住，从而造成信号强度急剧衰减的一种现象。由于天然气管道的部分路段经过深山峡谷、原始森林等地区，因此无人机及地面控制站之间无法进行可视距离传播，在传播中需要穿过障碍物而进行传播，这就大大增加了链路的传输损耗。障碍对干扰影响的程度取决于障碍的类型以及其厚度还有通信频率。频率越高，信号穿透的能力就越差，产生的遮挡损失就越大。5.8GHz频率的信号比2.4GHz的信号穿透性差，在被树木覆盖的地区，5.8GHz链路易出现通信中断，而2.4GHz链路虽可维持通信，但传输速率会下降。2核心抗干扰技术原理及适配优化2.1自适应跳频技术2.1.1基本原理跳频通信是在伪随机序列控制下，收发信机的频率合成器按照同样的跳频速度，在规定的频段范围内进行同步跳变，避开干扰信号所占的频段而达到正常通信的目的［3］。传统的跳频方式使用固定的跳频图样和跳频速率，不能适应巡检系统中干扰源经常发生变化的情况。自适应跳频是在传统跳频的基础上，增加干扰检测模块，对通信频段内干扰强度进行实时监测，并根据监测到的干扰强度情况及时调整跳频图案和跳频速率，选择干扰强度低的频段进行通信，增强链路抗干扰能力。自适应跳频的关键在于干扰检测及跳频图案优化，其中干扰检测使用的是能量检测方式，即利用收端检测各个频点处的能量大小，并与门限比较来判定该频率是否受到干扰；而跳频图案优化则是在干扰检测的基础上，将受干扰频点排除，在未受干扰的频点集合内选择最优的频点序列作为新的跳频图案，同时发送到发方机与收方机。2.1.2适配优化针对天然气管线巡检的应用场景，可以从以下几个方面改进自适应跳频算法：首先，在没有干扰或者干扰较小的平原地区采取较低频率的跳变速度以节省能量消耗，而在一些工厂比较集中的地段、高压线附近等存在较高干扰强度的区域，则增加跳频速率以便快速避开这些干扰频点。跳频速率根据干扰检测结果进行自适应设置，跳频速率范围可设置在50~200跳/s之间。其次，改进频段选择策略。对于巡检常用到的频段如2.4GHz和5.8GHz频段，建立频段优先级评价体系，在考虑频段干扰强度、传输速率以及传输距离等方面因素的基础上进行频段的选择，其中在森林覆盖区域，优先选择穿透能力较强的2.4GHz频段，在开阔平原区域，优先选择传输速率较高的5.8GHz频段。最后，应用跳频同步补偿技术。无人机动态飞行场景下，容易产生跳频同步误差，进而造成失锁脱链现象发生。采用GPS时间戳辅助同步机制，在跳频信号中插入GPS时间戳信息，接收方利用该时间戳来对本地时间进行补偿，从而实现与发送端跳频序列的一致性。同步偏差控制在1μs以内，保障跳频通信的稳定性。2.2空时编码技术2.2.1基本原理空时码是在时间和空间两个维度上分别对信号进行编码，在发送端使用多天线同时发射经过不同方式编码的信号，从而对抗多径信道的影响，接收端采用多天线来接收这些信号。把需要传输的数据序列拆分为多个子序列，然后由不同发射天线在不同时隙发射出去，利用解调译码器将各路径的信号进行合并，消除多径衰落带来的影响，提高接收端的信噪比。空时编码技术主要分为空时分组编码和空时格形编码两类。空时分组编码具有编码和解码复杂度低、实时性好的优势，适合对实时性要求高的无人机巡检通信链路；空时格形编码具有更好的抗衰落性能，但编码和解码复杂度高，对设备算力要求较高。针对无人机巡检场景的实时性需求，选取空时分组编码作为核心技术。由于空时分组编码的编码矩阵满足正交性的条件，所以在接收端就可以用简单线性解码算法来恢复原信号。以2发射天线、1接收天线为例，空时分组编码的编码过程可表示为：*12*21ssXss−=(1)其中，s1和s2为待传输的信号符号，*2s−、*1s表示共轭运算。接收端接收到的信号向量为：y=HX+n(2)其中，H为信道矩阵，n为高斯白噪声向量。接收端通过正交解码算法可消除多径干扰的影响，恢复原始信号。2.2.2适配优化基于无人机巡检场景下的移动性及载荷受限特点，提出改进空时编码方法：首先，应用低复杂度空时分组码设计。无人机存在载荷受限特性，对于通信设备的尺寸、质量和能耗均有较高要求，传统的多天线空时码系统设备较为复杂，很难适应。应用2发1收的小规模天线阵列，减少编码译码算法的复杂性，减小设备能耗及复杂程度，在一定程度上不影响其对抗多径衰落的能力。其次，在编码中加入自适应编码速变率的方法。根据链路信道质量动态调整编码速率，在信道质量好的开阔区域，提高编码速率，提升传输效率；在信道质量差的多径衰落区域，降低编码速率，增强抗干扰能力。编码速率的调整依据接收端的信噪比实时完成，编码速率范围设定为1/2—3/4。三是结合信道估计优化解码性能。无人机动态飞行导致信道特性快速变化，传统信道估计方法难以准确跟踪信道变化。采用基于导频辅助的自适应信道估计算法，在传输信号中插入导频符号，接收端通过导频符号实时估计信道参数，动态调整解码算法参数，提升解码精度，确保在动态信道条件下的通信稳定性。999Sep128··第42卷第期2026年月ITREPORT,No.2022.3自适应功率控制技术2.3.1基本原理自适应功控技术就是通过检测当前链路传输的质量，动态地调节发送端的输出功率，在确保接收端信号质量的前提下，使发射机的发射功率降到最低值，降低能耗以及对其他无线用户的干扰［4］。功控算法是实现自适应功控的关键所在，依据接收端所回馈过来的信噪比、误码率等信息，确定最佳的发射功率，实现功率的动态调节。自适应功率控制目标是在接收端将信噪比维持在一个预设的阈值附近，并保证链路误码率达到巡检通信的要求。设接收端预设信噪比阈值为tγ，当前接收信噪比为γ，则功率调整量ΔP可表示为：()tPkγγ∆=⋅−(3)其中，k为功率调整系数，根据链路特性动态调整。当γ＜tγ时，增大发射功率；当γ＞tγ时，减小发射功率，确保接收信噪比稳定在阈值附近。2.3.2适配优化结合天然气管道巡检的长距离、动态飞行的特点，对自适应功率控制技术进行以下优化：首先，采用分段式的功率控制方式。按照无人机与地面控制站的距离把巡检区域分成近距、中距、远距三段，不同区段设置不同的功率调整基准和调整步长。在近距区域使用小步长微调，降低功控时延；远距离小区使用大的功率搜索步长及时跟踪信噪比的变化以维持较好的信号质量。其次，增加干扰感知的功控算法。在工业区等干扰较大的区域，传统的功控只根据接收信噪比来调整发射功率容易使得自身功率过高从而对其他附近的无线设备形成干扰。利用干扰检测模块检测出周围干扰电平，基于收端SNR和邻频干扰电平双准则进行功率调整，在保障通信质量的前提下，将发射功率限制在给定的干扰阈值内。最后，改进功率控制报文反馈频率。由于无人机运动使得链路传输时延产生波动，而传统的功率控制报文固定反馈频率的方法不能够很好地应对这一问题。引入功率控制报文反馈频率自适应方法，根据无人机飞行速度进行反馈周期自适应调整，无人机飞行速度越大，则反馈周期越小，保证了功率控制的实时性和准确性。设置反馈周期在10—50ms之间变化。3抗干扰技术性能验证3.1验证平台搭建验证平台由无人机系统、地面控制站、干扰模拟设备、信号检测设备组成。无人机选用多旋翼无人机，搭载2.4GHz/5.8GHz双频段通信模块，配置2发射1接收天线系统；地面控制站搭载抗干扰处理模块，实现自适应跳频、空时编码、自适应功率控制算法；干扰模拟设备可模拟工业电磁干扰、多径衰落干扰、遮挡干扰；信号检测设备采用频谱分析仪和网络测试仪，实时检测链路误码率、传输速率、通信距离等指标。3.2测试场景选取选取三个典型天然气管道巡检场景进行测试：场景1为平原开阔区域，无明显干扰，主要验证技术在正常环境下的传输性能；场景2为工业密集区，存在强电磁干扰，主要验证自适应跳频技术的抗干扰效果；场景3为山区森林区域，存在多径衰落和遮挡干扰，主要验证空时编码和自适应功率控制技术的抗干扰效果。3.3测试结果与分析分别对未采用抗干扰技术（对照组）和采用文章提出的抗干扰技术组合（实验组）进行测试，测试结果如下表所示。表1不同巡检场景下抗干扰技术组合性能测试结果测试场景测试指标对照组实验组性能提升幅度平原开阔区域误码率1.2×10-48.5×10-529.2%传输速率（Mbps）222827.3%通信距离（km）5.57.230.9%工业密集区误码率3.5×10-34.2×10-488.0%传输速率（Mbps）818125.0%通信距离（km）2.14.3104.8%山区森林区域误码率2.8×10-33.5×10-487.5%传输速率（Mbps）1020100.0%通信距离（km）2.55.1104.0%由以上试验可知，对于不同的巡检场景而言，对照组各项性能指标都低于实验组，证明了文章所采用的抗干扰技术组合是有效的；对于工业密集区及山区森林区而言，实验组的误码率减小，传输速率以及通信距离提高，并且性能提高幅度都在80%以上，说明自适应跳频、空时编码、自适应功率控制技术可以有效地抵御电磁干扰、多径衰落和遮挡干扰。在平原开阔场景下，实验组也有一定改善，说明技术可在正常环境中增强传输性能，提高链路稳定度。此外，可以看出自适应跳频技术对于工业密集区的抗干扰性能最好，在工业密集区采用了自适应跳频技术后，其通过动态调整跳频图案和速率，躲避了工业的电磁干扰；采用空时编码技术对山区森林区域明显提高了链路抗多径衰落的能力，利用多个天线进行分集发送，可以消除由于多径合成造成的干扰。自适应功率控制技术在远距离传播过程中为了保证接收端的接收质量，采用了自适应功率控制的方法实现对发射功率的动态调节。4结语综上所述，文章针对天然气管道无人机巡检通信链路干扰问题，研究并优化了自适应跳频、空时编码及自适应功率控制抗干扰技术。测试验证表明，这些技术组合可有效提升链路抗干扰性能，保障巡检可靠性。本研究为相关技术工程应用提供了参考，未来可进一步融合新兴技术，优化设备适配性，推动巡检通信系统性能持续提升。参考文献：［1］李志,刘舜,陈晶.空天地协同的应急无人机通信组网关键技术研究与应用［J］.电信工程技术与标准化,2025,38(11):3-8.［2］陆明明.无人机通信链路的可靠性与电磁干扰防护措施研究［J］.中国设备工程,2025(14):151-153.［3］黄海燕,张鸿生,梁琳琳,等.基于共道干扰的多无人机中继通信系统研究［J］.无线电工程,2023,53(12):2827-2833.［4］朱圣陵.基于稀疏表示的无人机通信链路抗干扰优化算法研究［J］.通讯世界,2025,32(05):37-39.999Sep129