大疆无人机上的无线电主要分别起到通信、定位、感知的作用。
通信包含:(1)大疆的图传技术包含WiFi、私有化的WiFi协议,Lightbridge,OcuSync(SDR软件无线电),频段为2.4GHz~2.483GHz,5.15GHz~5.85GHz频段;(2)公网通信则是4G、5G移动通信;(3)其它专网通信因行业属性不同而各有差异,如自组网的subGHz方案;(4)未来的低轨卫星通信,对于无人机的通信和无人机的监管极有优势,暂未看到大疆无人机上的应用。
定位:(1)GNSS定位,频段为1166MHz~1610MHz,消费无人机一般是单频或者双频多系统定位(与手机行业同步);行业应用方向的无人机,如测绘、电力巡检,农业无人机等,均采用的是高精度定位(RTK);(2)ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)接收机,频段978MHz,1090MHz,航空监管需求无人机标配ADS-B In,可以接收的大型航空器的位置信息,自动做避让。
感知:主要是毫米波,频段为24GHz(60GHz室外场景政策法规暂不明朗),可全天候工作,用于测距测角、避障、地形跟随。相对于对视觉、激光雷达等传感器做补盲,如一些细的电线,解决无人机在低空作业的一些痛点。
现在通信行业发展趋势是天地一体化(如图1所示),通信定位感知一体化融合发展。比如低轨卫星,作为天基的基准站,结合高轨GNSS定位卫星,做到厘米级别高精度定位;对于对于标准的WiFi协议,做到同时可以通信和感知,WiFi本身在室内或者城市精准定位起到极大的作用。
图1 鹏城实验室《面向低空经济的无人机通信及标准进展分析》,田园等
图传天线
无人机的使用场景一般如图2所示,遥控器(RC,remote controler)与无人机(UAV,unmanned aerial vehicle或者Drone)直接通信,上发遥控器控制指令或者下行无人机发送图传信号或者其它请求。
用户使用过程中,一般遥控对着无人机,大多数可看成静止状态,或者说无大幅度的运动转身动作。无人机姿态则很多,水平旋转为yaw轴,幅度360°,大速度前进倒退等动作,无人机下倾或者上仰的角度很大,也就是pitch和roll轴可能>30°。在无人机起飞到用户头顶(最高限飞高度500米),到远距离飞行超过>10KM,遥控器相对无人机的倾角是0~90°。
综上可以看出,无人机上的天线辐射,必须是水平全向的,且无人机正下方的辐射强度不能太弱。遥控器上的天线辐射,必须是定向的(定向性不能太强,防止电磁波经人体衰减,无人机飞到背后去,信号断联),且遥控器天线正上方的辐射强度也不能太弱。
大疆无人机phantom,mavic,inspire等机型均有脚架,主要是为了起飞降落阶段保护云台不能着地产生碰撞,大疆无人机的图传天线一般放置于脚架位置。由于减重、降低风噪等原因,天线小型化也是强需求。由图3可以看出,图大疆的图传天线一般用偶极子形式。
早期的图传芯片方案是单发(发送可以切换天线)双收,或者是WiFi的双发双收方案,则无人机天线,相当于是靠两个天线方向图合成,取辐射场的最大值包络,天线方向图越圆越好,波束宽度越宽越好。另外一个特殊的应用场景是穿越机,它要求无人机端的辐射方向图最好是球形全向(理想点源的方向图)而且是圆极化,这就更增加了天线设计的挑战性。
图4 无人机图传天线专利1
图4为大疆专利WO2018053849A1,WO2020037558A1,采用寄生的分别调控5G和2.4G的方向图,减少近场如电机,远场与机身的影响。图5是无人机天线做到机臂上,里面由灯板以及电机电调的线缆。其中灯和天线在同一块板子上。
随着技术的进度,图传方案的芯片多发多收的MIMO技术,无人机的图传的距离和速率等性能指标都会进一步提升。
GNSS天线
GNSS是无人机上最重要的传感器之一,在视线外飞行,飞控主要靠GPS、陀螺仪、气压计融合定位。图6为一般消费级别的无人机上陶瓷GPS天线,左侧为单馈的,右侧为双馈的,它们都是普通定位精度。陶瓷天线容易做到小型化,且方向图指向天顶,同样由于无人机的减重需求和天线性能需求都特别重要,在大型无人机上载重的冗余较多,对稳定性要求更高,一般采用大尺寸的天线结构,小型无人机上则必须采用小型化的方案,减重对整机综合性能的提升是非常明显的,没有妥协的余地,天线性能也必须要达到一定的要求。

图7为高精度定位无人机上的应用,其中大疆产品包含地面基准站、行业无人机(Phantom4 RTK,在测绘领域价格非常香),农业无人机,每年使用量非常大。无人机市场的应用,使得国内RTK技术演进更快,迅速占领国内的市场。
RTK和GPS,CN110326161A,CN219144479U,WO2020147070A1分别是关于RTK和小尺寸GNSS的尝试,其中普通精度的小尺寸低剖面天线只有陶瓷一个选项,关于GPS天线小型化能替代陶瓷方案,绝对是一个技术挑战。
图8 定位天线专利
ADS-B天线
大疆最早在小型无人机系统上标配ADS-B,以应对公共安全的风险,它是一种飞机广播其位置信息的技术,使用GPS或其他卫星导航系统来确定其位置,并通过广播信号向地面站和其他空中交通工具传送这些信息。大疆无人机大于一定重量(FAA法规要求)的无人机基本标配ADS-B In(接收机)。其中,1090 MHz(ADS-B 1090ES):全球通用,主要用于商业航空及大多数飞机;978 MHz(ADS-B UAT):主要用于美国的通用航空和低空飞行。

图10是 Mavic air2无人机上的ads-b天线,采用弹片馈电连接的方式,固定在机头两侧位置,专门设计一个天线支架,采用FPC共形的方案。
毫米波天线
在农业应用中,无人机可以根据地形变化自动调整飞行高度,确保喷洒作业的精确性。也就是需要无人机需要有高度保持和地形跟踪的能力。通过毫米波雷达,无人机可以精确地监测自身与地面的距离,帮助无人机在复杂地形中保持稳定飞行。毫米波雷达识别的距离远,不受天气环境的影响,另外在实际的作业环境中,农田上方细金属电线特别多,视觉传感器识别率低,毫米波有天然的优势。图11为大疆T50农业无人机毫米波的模块。