动态变化施工场景中无人机无线电传播特性的现场测量研究

《IEEE Transactions on Communications》：Field measurement of UAV radio propagation in continuously changing construction site environments

本文针对施工场地因结构和机械遮挡导致的动态恶劣无线电环境，研究了无人机(UAV)与控制器间无线通信的传播特性。通过在不同施工阶段进行现场测量，发现无结构环境下信号衰减符合自由空间传播模型(路径损耗指数r=2.1)，而有结构遮挡时路径损耗指数增至2.1-2.5，且与RMa-NLOS(农村宏小区非视距)模型高度吻合。该研究为施工场地无人机通信可靠性评估提供了重要依据，对实现安全可靠的无人机施工管理具有重要意义。

　　

随着台风和暴雨等异常天气事件导致的泥沙流失问题日益严重，建筑工地返工现象不断增加，施工效率显著下降。为应对这一挑战，日本国土交通省(MLIT)推动"i-Construction"计划，旨在通过信息通信技术(ICT)的应用实现"非接触远程操作"，目标到2025财年将施工效率提高20%。在这一背景下，无人机(UAV)作为重要的ICT技术手段，被寄予厚望用于基础设施检测和施工现场管理。

然而，施工现场的无线电环境面临独特挑战。众多结构和施工机械的存在不仅增加了碰撞风险，还会导致无线电波反射和信号阻塞，严重影响无线通信质量。更复杂的是，施工环境随着工程进展而动态变化，传统的射线追踪模拟方法虽然能够通过创建3D模型来精确评估电波传播，但由于建模成本高昂且环境日新月异，这种方法在实际应用中显得不切实际。

为确保无人机在施工场地安全可靠运行，Hideya So等人开展了一项针对动态变化施工环境中无人机无线电传播特性的现场测量研究。该研究通过捕获无人机传输的WLAN数据包，分析了接收信号强度指示(RSSI)与无人机位置之间的关系，探讨了不同施工阶段下传播特性的变化规律。

研究团队采用了实用的现场测量方法，使用Skydio J2无人机作为测量平台，通过配备的GPS和气压计高度计获取精确的位置信息。测量PC靠近控制器放置，使用Wireshark软件捕获无人机传输的数据包并提取RSSI值。为确保数据准确性，研究人员将RSSI值每500毫秒进行平均，并通过时间戳与GPS轨迹数据进行同步。

在无结构环境（滋贺县野洲市河边区域）的测量中，研究人员发现当无人机与控制器间保持视距(LOS)路径时，信号衰减与距离的2.1次方成正比，与自由空间传播模型高度一致。这一结果验证了测量方法的可靠性，也为有结构环境的对比分析提供了基准。

在有结构环境（静冈县贺太郡河津町施工现场）的测量中，研究团队在2022年2月1日、2月21日、3月7日和3月25日四个时间点进行了连续观测。该场地涉及道路施工，包含两条高架道路和大型起重机等结构物。随着施工进展，道路不断延伸，从起飞点观察的视距可见性逐渐降低。

环境无结构时的测量结果

在无主要结构的环境下，无人机以15米高度、约5公里/小时的速度飞行。RSSI热力图显示，信号强度在起飞点附近最高，随着距离增加而减弱，但中央区域出现波动，这被归因于直射波与地面反射波形成的双径模型。当无人机距离超过100米时，传输至控制器的视频变得不稳定，此时RSSI通常低于-85dBm。测量数据与理论传播损耗曲线（r=2.1）的均方根误差(RMSE)为3.92dB（去程）和3.40dB（回程），表明两者高度吻合。

有结构环境下的测量结果

在有显著结构的环境下，研究人员获得了截然不同的传播特性。3月7日12米高度飞行的RSSI热力图显示，当无人机飞行至桥墩或起重机等结构后方时，无论与测量点距离如何，RSSI都会明显下降。信号衰减的原因因区域而异：起重机附近多结构环境导致多径衰落占主导，而桥墩周围结构较少，信号衰减主要来自阻塞效应。

通过比较不同日期的测量数据，研究人员发现随着施工进展，传播损耗特性发生显著变化。2月1日，当视距路径仍能保持时，路径损耗与距离的平方（r=2.0）最为接近；而到2月21日，随着道路结构比例增加，最佳拟合指数升至r=2.4；至3月25日，进一步增至r=2.5。这一趋势明确表明，结构物增长对无人机通信质量产生实质性影响。

无人机高度对传播特性也有重要影响。3月25日的测量显示，在18米高度（低于道路结构的27米高度），路径损耗指数为r=2.2，小于27米高度时的r=2.5。这是因为较低飞行高度使无人机能够在道路结构下方获得更清晰的视距路径。而在90米高度（高于周围结构），最佳拟合指数为r=2.3，由于无人机位于结构上方，视野得到改善，路径损耗指数相对降低。

该研究通过现场测量明确了动态变化施工环境中无人机的无线电传播特性。在无主要结构的视距环境下，传播损耗与距离的2.1次方成正比；而在有结构环境下，随着施工进展和遮挡增加，衰减程度加剧，路径损耗指数在2.1至2.5之间变化。早期施工阶段结构较少时，传播特性接近视距条件；随着大型结构建设进展，测量结果与农村宏小区非视距(RMa-NLOS)模型高度吻合。

这些发现对确保施工场地无人机通信可靠性具有重要指导意义。RMa-NLOS模型可用于类似环境下的传播损耗估计，从而为基于施工进展规划无人机飞行路线提供依据。研究中采用的基于WLAN数据包捕获的接收功率测量方法使用通用设备即可实现，准备时间短，适合在多个施工现场推广应用。

该研究的创新之处在于首次系统量化了施工环境动态变化对无人机通信质量的影响，为无人机在复杂施工环境中的安全部署提供了理论依据和实践指导。随着日本2022年12月5日法律修订后允许在人口密集区进行超视距(BVLOS)飞行，这类研究对推动无人机在建筑行业的广泛应用尤为重要。未来研究可进一步探讨其他类型施工场地（非道路工程）的无线电传播特性，以完善无人机通信可靠性评估体系。