無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)集成技術(shù)研究

王軍鋒，鄧 豪，魏育成,2，徐成華,2

(1. 中科九度（北京）空間信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100190；2. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)集成技術(shù)研究

王軍鋒1，鄧 豪1，魏育成1,2，徐成華1,2

(1. 中科九度（北京）空間信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100190；2. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

本文主要針對特定區(qū)域海洋觀測的需求，以海洋環(huán)境和海上目標(biāo)機(jī)動快速監(jiān)測為目標(biāo)，研制基于船載無人直升機(jī)平臺的多傳感器海洋觀測系統(tǒng)。重點(diǎn)研究海洋觀測的系統(tǒng)集成技術(shù)，包括無人機(jī)與機(jī)載載荷的集成、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的集成。開展船載無人機(jī)起降和多傳感器協(xié)同海洋觀測的系統(tǒng)集成驗(yàn)證試驗(yàn)，最終建立船載無人機(jī)海、陸、氣一體化的海洋觀測系統(tǒng)。為構(gòu)建面向海洋實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

無人機(jī)；海洋觀測；系統(tǒng)集成

0 引 言

海洋技術(shù)開發(fā)在傳統(tǒng)海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)上，不斷向深遠(yuǎn)海新資源和能源開發(fā)轉(zhuǎn)移。近年來，我國海洋事業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時期，逐步完成“數(shù)字海洋”空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建，并用于海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開發(fā)利用、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面。因此對海洋進(jìn)行更加全面、系統(tǒng)地觀測日益重要[1–4]。

艦載無人機(jī)以成本低、體積小、作戰(zhàn)使用靈活、費(fèi)效比高、可避免人員傷亡等優(yōu)勢，目前得到世界各國海軍的廣泛認(rèn)可。尤其以艦載無人直升機(jī)，具備運(yùn)動艦面自主起降能力，適合中大型水面艦艇搭載，能夠執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)指示、通信中繼、電子對抗等多種任務(wù)；隨著美國的 RQ-8A “火力偵察兵”無人機(jī)、奧地利的 S-100 無人機(jī)、瑞典的 APID-60 無人機(jī)在艦載海洋上的成功應(yīng)用，艦載無人直升機(jī)展示了其用于海戰(zhàn)的廣闊前景?？梢灶A(yù)見，無人機(jī)將成為未來艦載武器系統(tǒng)中不可替代的重要組成部分。

目前，海洋環(huán)境觀測手段大多采用多種傳感器、儀器及多種觀測平臺，對海域進(jìn)行全時空、高密度、高頻率的立體觀測。對研究海域進(jìn)行長期的、實(shí)時的、動態(tài)的、交互式的觀測[5–6]。近年來，隨著國內(nèi)無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)遙感監(jiān)測已在民用技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用并取得了良好的應(yīng)用效果。在海洋環(huán)境監(jiān)測方面，無人機(jī)作為一種新的遙感監(jiān)測平臺，成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，與衛(wèi)星航天遙感、有人機(jī)航空遙感、海面船舶調(diào)查形成有機(jī)補(bǔ)充，形成對海洋環(huán)境的全方位、立體化監(jiān)測。同時隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，能夠搭載多種不同的海洋環(huán)境探測任務(wù)載荷，對各類海洋動力環(huán)境要素、海洋環(huán)境現(xiàn)象和海上目標(biāo)進(jìn)行探測。船載無人直升機(jī)探測技術(shù)以其高機(jī)動性、快速反應(yīng)、高分辨率、低成本的應(yīng)用特點(diǎn)在海洋觀測系統(tǒng)中占有重要的地位[7–8]。為了更好地開發(fā)利用海洋資源，維護(hù)海洋權(quán)益，盡快發(fā)展和完善我國無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)的集成應(yīng)用技術(shù)研究目前已成為一個重要的研究課題。

1 無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)組成

無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)主要由 3 部分組成，分別是無人機(jī)飛行平臺、海洋觀測載荷和多源觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中海洋觀測載荷主要包括了微型 SAR、激光雷達(dá)、溫濕度傳感器等，為進(jìn)行全方位的海洋觀測提供了良好的觀測手段。無人機(jī)系統(tǒng)作為飛行平臺為載荷觀測提供空中觀測平臺，在獲取觀測數(shù)據(jù)后，對不同觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與融合分析，從而形成一套完整的海洋觀測系統(tǒng)。

1.1 無人機(jī)飛行平臺

無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)飛行平臺選取 Z-5 型無人直升機(jī)，Z-5 型無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖 1 所示。

無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)主要由直升機(jī)平臺分系統(tǒng)、船載監(jiān)控站分系統(tǒng)和船載保障分系統(tǒng) 3 部分組成。無人直升機(jī)平臺分系統(tǒng)主要提供飛行和裝載的功能，由機(jī)體結(jié)構(gòu)、動力及傳動系統(tǒng)、旋翼及尾槳系統(tǒng)、電氣及控制系統(tǒng)等組成；船載監(jiān)控站分系統(tǒng)由飛行控制與導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈測控設(shè)備等組成，主要完成任務(wù)的規(guī)劃、飛行狀態(tài)的監(jiān)測與控制等功能；船載保障分系統(tǒng)主要由船載供電設(shè)備、燃油加注設(shè)備等組成，主要用于維護(hù)、燃油加注、系留、飛行前的準(zhǔn)備和測試[9]。Z-5 無人直升機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

在 Z-5 型無人直升機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)海洋觀測船載使用環(huán)境的要求，進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)的船載適應(yīng)性改造，包括結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改造、飛行控制系統(tǒng)的船載自主起降功能設(shè)計、測控系統(tǒng)的小型化設(shè)計以及船載保障系統(tǒng)的設(shè)計等，完成船載自主起降的功能測試，開展載荷集成工作，并配合載荷開展飛行試驗(yàn)。

表1 Z-5 型無人直升機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Z-5 UAV main specifications

無人直升機(jī)海洋觀測系統(tǒng)的系統(tǒng)組成如圖 2 所示。

1.2 海洋觀測載荷

海洋觀測環(huán)境復(fù)雜多變，不同的應(yīng)用方向需要不同的載荷。海洋移動目標(biāo)和海島監(jiān)測需要全天時、全天候的 SAR 載荷和光學(xué)攝像機(jī)；海洋動力環(huán)境觀測需要 SAR 載荷和激光測風(fēng)雷達(dá)；海氣邊界層觀測需要激光測風(fēng)雷達(dá)和溫濕度檢測儀，進(jìn)而建立多傳感器、多角度、全方位的海、陸、氣一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)[10]。

本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求，主要選取研制3款類型載荷：微小型全極化 SAR 載荷、相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)和溫濕度檢測儀，同時利用成熟的光學(xué)攝像機(jī)，開展多載荷協(xié)同作業(yè)，適應(yīng)海洋觀測應(yīng)用。

1）無人機(jī)機(jī)載微小型全極化 SAR 載荷

針對海洋觀測應(yīng)用需求，SAR 載荷能夠?qū)崿F(xiàn)全極化 SAR 數(shù)據(jù)獲取、SAR 數(shù)據(jù)實(shí)時成像處理。從而獲得全天時、全天候海洋觀測能力，滿足海洋目標(biāo)特性分析、目標(biāo)識別、海島地物分類等觀測需求[11]。

2）無人機(jī)機(jī)載相干多普勒激光雷達(dá)

相干多普勒激光雷達(dá)是一種新型的遙感探測設(shè)備，探測數(shù)值精度高，能實(shí)現(xiàn)地面至低空 3 000 m 大氣風(fēng)場的無盲區(qū)探測，具有很高的時間分辨率（秒級）、空間分辨率（30～50 m）和精確度（0.5 m/s），并進(jìn)行不間斷連續(xù)探測。相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)可以快速、準(zhǔn)確測量晴空大氣三維風(fēng)場，實(shí)時提供高精度、高分辨率的大氣風(fēng)場信息。同時，還具備云底高度、海氣邊界層高度、能見度及氣溶膠等大氣參數(shù)的綜合探測能力。

3）無人機(jī)機(jī)載溫濕度檢測儀

無人機(jī)機(jī)載溫濕度傳感器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要分為信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)處理與通信模塊兩部分。信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)信號的采集、放大、數(shù)字化、調(diào)整與補(bǔ)償；數(shù)據(jù)處理與通信模塊負(fù)責(zé)溫濕度傳感器入云及出云自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)的自容存儲、無線傳輸和雙傳感器之間的通信[12]。

1.3 觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依據(jù)船載無人機(jī)多傳感器對海觀測特點(diǎn)和多源數(shù)據(jù)組織融合需求，設(shè)計開發(fā)的具備多源數(shù)據(jù)融合處理、集成管理和可視化展示能力的綜合處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用搭載的不同傳感器具有的特性，進(jìn)行船載無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)中的測量方法和反演模型的研究，并對海面的風(fēng)場、波浪場、溫濕度廓線、地物特性、船只目標(biāo)等要素進(jìn)行機(jī)動快速觀測，最終實(shí)現(xiàn)海-陸-氣一體的多傳感器協(xié)同觀測與數(shù)據(jù)融合集成[13]。

系統(tǒng)主要由以下 4 部分組成：

1）載荷驅(qū)動完成對無人機(jī)上搭載的傳感器（SAR、激光雷達(dá)、溫濕度）的工作狀態(tài)的監(jiān)視、數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)讀取以及對傳感器命令控制和通信初始化。

2）數(shù)據(jù)管理是進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和轉(zhuǎn)換格式，并提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理接口。將標(biāo)準(zhǔn)化的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，構(gòu)建穩(wěn)定易擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲模塊。

3）載荷數(shù)據(jù)引擎是監(jiān)控傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，并將觀測數(shù)據(jù)以可視化的形式進(jìn)行實(shí)時顯示。

4）觀測數(shù)據(jù)融合與可視化通過虛擬現(xiàn)實(shí)、視景仿真技術(shù)和三維可視化技術(shù)對海洋數(shù)據(jù)中的非可見要素進(jìn)行表達(dá)，構(gòu)建高逼真的虛擬海洋環(huán)境場景，并利用三維圖形學(xué)和科學(xué)可視化技術(shù)，對海洋中的非可見的海洋參數(shù)信息進(jìn)行多維度、多方式的動態(tài)可視化。

2 無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)集成

2.1 無人直升機(jī)任務(wù)載荷集成

無人直升機(jī)與任務(wù)載荷的集成主要包括電氣集成和結(jié)構(gòu)集成2種。電氣集成主要由地面鏈路設(shè)備和機(jī)載鏈路設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)集成主要關(guān)注無人機(jī)在搭載載荷后的系統(tǒng)重心配平。

2.1.1 電氣集成

圖3 為無人機(jī)飛行平臺與任務(wù)載荷設(shè)備的電氣系統(tǒng)接口設(shè)計，分為機(jī)載鏈路和地面鏈路設(shè)備 2 個部分，通過系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化接口為無人機(jī)飛行平臺和任務(wù)載荷之間的飛行控制、航線設(shè)計、載荷觀測及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^程及工作原理圖。

1）地面鏈路設(shè)備

無人機(jī)正常飛行時，飛行控制指令和任務(wù)操控指令經(jīng)鏈路控制模塊復(fù)合編碼后，利用遙控發(fā)射電臺進(jìn)行傳輸。遙測及任務(wù)送給遙測軟件、任務(wù)處理設(shè)備和圖像顯示設(shè)備。結(jié)合遙控的通信可靠性，采用 2 個頻點(diǎn)同時發(fā)射。地面天線選用全向玻璃鋼或吸盤天線，離開一定距離放置在無遮擋平面上，要求間隔1個波長以上。

2）機(jī)載鏈路設(shè)備

機(jī)載鏈路設(shè)備與機(jī)上飛行控制計算機(jī)、任務(wù)載荷通過鏈路控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)載天線選用全向天線，并通過整機(jī)實(shí)際空中懸停測試，對機(jī)載天線布局進(jìn)行安裝布局。

2.1.2 結(jié)構(gòu)集成

結(jié)合 Z-5 型無人直升機(jī)搭載任務(wù)轉(zhuǎn)載在不同飛行總重下的重心范圍要求。從圖 4 可看出，起飛重量為450 kg 時直升機(jī)的重心范圍要求最為狹窄。為滿足大多數(shù)工況下的使用，對 Z-5 型無人直升機(jī)的航電設(shè)備，飛控設(shè)備及任務(wù)載荷設(shè)備進(jìn)行了安裝位置的優(yōu)化，以滿足無人機(jī)飛行平臺對飛行重心范圍的要求[14–15]。

優(yōu)化后的任務(wù)設(shè)備安裝位置以及整機(jī)重心測試完成后，結(jié)構(gòu)安裝及系統(tǒng)集成如圖 5 所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成

2.2.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件集成

海洋觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件組成包括：網(wǎng)絡(luò)交 換機(jī)、數(shù)據(jù)集成工作站和數(shù)據(jù)觀測顯示器，系統(tǒng)集成工作站通過交換機(jī)和串口鏈路與無人機(jī)地面站總控機(jī)進(jìn)行通信交互。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用面向服務(wù)的多層架構(gòu)模式，分為載荷驅(qū)動層、邏輯處理層、界面交互層以及數(shù)據(jù)層[16]。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖 7 所示。

1）載荷驅(qū)動層：以動態(tài)鏈接庫（DLL）的方式集成各個載荷的控制、狀態(tài)獲取以及觀測數(shù)據(jù)獲取等功能，向功能邏輯層提供載荷功能方法。

2）邏輯處理層：該層處于數(shù)據(jù)訪問層與表示層中間，通過訪問載荷驅(qū)動層和數(shù)據(jù)訪問層獲取數(shù)據(jù)，為UI 層提供功能數(shù)據(jù)。

3）界面交互層：采用 MVC 設(shè)計模式，將功能邏輯與 UI 展示分離，以動態(tài)視圖的方式，為用戶提供擴(kuò)展性高的界面交互。

4）系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲：根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計為文件系統(tǒng)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)協(xié)同存儲的模式。文件系統(tǒng)用來存儲影像、圖片等觀測數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)的索引結(jié)構(gòu)和標(biāo)量觀測數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)集成試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保無人機(jī)海洋觀測系統(tǒng)的實(shí)用性，將載荷與無人直升機(jī)飛行平臺集成完成后進(jìn)行飛行試驗(yàn)[17]，檢驗(yàn)多傳感器的協(xié)同觀測能力，通過多傳感器海洋協(xié)同觀測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)融合性能進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)集成試驗(yàn)驗(yàn)證分為 3 個部分，分別是海島陸基觀測試驗(yàn)、駁船起降飛行試驗(yàn)和海上船載飛行試驗(yàn)，分階段逐步完成對系統(tǒng)的集成性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 海島陸基觀測試驗(yàn)

通過選定適合起降條件的區(qū)域進(jìn)行陸基對島觀測試驗(yàn)，利用不同載荷進(jìn)行多傳感器協(xié)同對島觀測，重點(diǎn)觀測海島地物，海島附近的海洋動力環(huán)境，以及海氣邊界層風(fēng)場及溫濕廓線，從而獲取海島區(qū)域的海、陸、氣一體化觀測數(shù)據(jù)。測試無人直升機(jī)在負(fù)載情況下，復(fù)雜海上環(huán)境的飛行性能；通過機(jī)載載荷的海洋觀測數(shù)據(jù)矯正載荷參數(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能。具體試驗(yàn)流程圖 8 所示。

3.2 船載起降飛行試驗(yàn)

海上船載起降試驗(yàn)是在海上測試驗(yàn)證無人機(jī)船載起降飛行性能，進(jìn)一步驗(yàn)證船載無人直升機(jī)海洋觀測 系統(tǒng)的整體集成能力，評估海洋觀測系統(tǒng)系統(tǒng)在真實(shí)海上環(huán)境的表現(xiàn)，為海上應(yīng)用提供技術(shù)保障。

試驗(yàn)選擇駁船作為無人直升機(jī)系統(tǒng)的起降平臺，船只后甲板區(qū)域可為無人直升機(jī)提供起降空間。主要為無人直升機(jī)測控系統(tǒng)與駁船的集成，以及無人直升機(jī)起降平臺與駁船的系統(tǒng)集成。具體試驗(yàn)流程如圖 9 所示。

3.3 海上船載飛行試驗(yàn)

海上船載飛行試驗(yàn)是在真實(shí)海況條件下，測試船載無人機(jī)定點(diǎn)起降性能；評估船載無人直升機(jī)海洋觀測系統(tǒng)的整體性能，完成海島（礁）海-陸-氣一體化觀測應(yīng)用。在真實(shí)海況條件下進(jìn)行完整的船上起飛、海面巡航、傳感器實(shí)時觀測與傳輸，船上定點(diǎn)降落和獲取數(shù)據(jù)后期處理與應(yīng)用。海上船載飛行試驗(yàn)具體試驗(yàn)流程如圖 10 所示。

4 結(jié) 語

本文主要針對海洋觀測的實(shí)際應(yīng)用需求，完成了基于無人機(jī)的海洋觀測的系統(tǒng)集成。首先針對海洋觀測的應(yīng)用需求，給出海洋觀測系統(tǒng)的組成；其次重點(diǎn)介紹了無人機(jī)與機(jī)載載荷的硬件集成，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟件集成；最后提出了船載無人機(jī)起降和多傳感器協(xié)同海洋觀測的系統(tǒng)集成驗(yàn)證試驗(yàn)。為建立船載無人機(jī)海、陸、氣一體化的海洋觀測系統(tǒng)，并構(gòu)建面向海洋的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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UAV onboard ocean observing system

WANG Jun-feng1, DENG Hao1, WEI Yu-cheng1,2, XU Cheng-hua1,2
(1. GeoDo (Beijing) Spatial Information Technology Co. Ltd., Beijing 100190, China; 2. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The prototype is based on combined types of sensors which are equipped on UAV on board. It can be used for observing specified marine area to aim at monitoring the marine environment and objects. This paper focus on the system integration technology of ocean observation, including the integration of the UAV and the airborne load, and the data processing system. The system integration verification test of the ship carrying UAV landing and multi sensor cooperative ocean observation is carried out, finally, a marine observation system of the shipborne UAV ocean, land and gas integration is established, which will lay a foundation for building the actual ocean business application system.

UAV；ocean observe；system integration

V279

A

1672–7619(2017)05–0157–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.032

2017–01–13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項(xiàng)目(2014AA09A511)

王軍鋒(1976–)，男，工程師，主要從事攝影測量與遙感、系統(tǒng)集成測試等工作。