淺談無人機(jī)在公務(wù)船的應(yīng)用

何靈華++楊亞男++錢莉莉

摘要：本文主要介紹某公務(wù)船無人機(jī)系統(tǒng)的組成、接口、工作流程，重點(diǎn)歸納了無人機(jī)系統(tǒng)在公務(wù)船上的布置安裝要領(lǐng)及注意事項(xiàng)。希望通過實(shí)船應(yīng)用的總結(jié)為公務(wù)船無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供較好的借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；光電載荷；布置安裝要領(lǐng)

中圖分類號：U279.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of UAV in Public Service Vessel

HE linghua1，YANG yanan2，QIAN lili2

（1.Huangpu wenchong shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715；

2.Hudong Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129）

Abstract： This paper introduces the composition， interface， function and workflow of an unmanned aerial vehicle（UAV） system and focuses on the key point of its arrangement and installation in a public service vessel.

Key words： UAV； Electric-optic load； Key point of arrangement

1 引言

隨著人類對海洋開發(fā)力度的增大，各國對海洋資源的爭奪日益激烈，對海洋環(huán)境的破壞和污染也隨之增多。我國的海洋形勢日益嚴(yán)峻，特別是近年來釣魚島和南海問題的升溫，考驗(yàn)著我國海上維權(quán)執(zhí)法的能力，我國的海洋執(zhí)法力度亟待加強(qiáng)。

公務(wù)船在日益嚴(yán)峻的海洋權(quán)益爭奪的形勢下，迎來了前所未有的大好機(jī)遇，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。公務(wù)船在我國管轄海域巡航監(jiān)視、查處違法行為、維護(hù)海洋權(quán)益等方面擔(dān)負(fù)著神圣的任務(wù)。

目前我國公務(wù)船直升機(jī)規(guī)模偏小，飛行員數(shù)量嚴(yán)重不足，在海況惡劣的環(huán)境下直升機(jī)起降存在安全隱患。因此，為了提高公務(wù)船海上執(zhí)法的快速性和靈活性，擴(kuò)展搜索范圍，增加查證手段，將船載無人直升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到執(zhí)法公務(wù)船，可以協(xié)助克服艦船單一執(zhí)法平臺越來越難以勝任的超視距探測等各項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)能完善信息化和系統(tǒng)化指揮探測節(jié)點(diǎn)，對提高執(zhí)法船的執(zhí)法能力具有深遠(yuǎn)的意義。

2 無人機(jī)系統(tǒng)淺析

無人機(jī)除具有直升機(jī)一般優(yōu)點(diǎn)外，還具有垂直起飛著陸、空中定點(diǎn)懸停、低速、低空飛行、懸?；剞D(zhuǎn)等特點(diǎn)，因此在飛行空間受限和要求執(zhí)行低空低速飛行的情況下，無人直升機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景，在船舶系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。

無人機(jī)搭載光電復(fù)合載荷，可以對海面、近岸目標(biāo)進(jìn)行紅外、電視成像探測，提供目標(biāo)圖像；可以對海上及岸上目標(biāo)進(jìn)行警戒探測和監(jiān)視，完成海面目標(biāo)定位功能，通過以太網(wǎng)將探測信息傳輸至緝私系統(tǒng)。其具體功能如下：

（1） 對海、岸上目標(biāo)紅外、電視成像探測；

（2） 對海面指定目標(biāo)定位；

（3） 對目標(biāo)自動搜索、跟蹤。

目前我國公務(wù)船主要用于近海執(zhí)法，執(zhí)法過程需要具備一定的隱身和防偵察技術(shù)，輕型、智能化和易操縱的小型無人機(jī)是船載無人機(jī)的主要特點(diǎn)。為滿足船舶艙室對無人機(jī)的存放要求，船載無人機(jī)體積一般較小，長度最好控制在2.5米以下，整機(jī)重量在200千克以下，無人機(jī)空載重量小有利于飛機(jī)的長時(shí)間飛行。目前部分公務(wù)船除配備無人機(jī)外還配備直升機(jī)，建議無人機(jī)和直升機(jī)使用同一種燃油，減少公務(wù)船的船舶系統(tǒng)配置。無人機(jī)飛行高度在3000米以上，有利于機(jī)載光電跟蹤監(jiān)視設(shè)備的監(jiān)視范圍。

與普通無人機(jī)相比，船載無人機(jī)在海上起飛和降落過程中受到甲板搖擺等因素的影響。船載無人機(jī)在自主著艦過程中，由于船舶飛行甲板處于搖擺和船舶處于航行狀態(tài)，船載無人機(jī)控制系統(tǒng)需具備跟蹤移動船舶并實(shí)現(xiàn)無人干涉下的自主著艦功能。無人機(jī)還需考慮海上鹽霧、抗沖擊等因素的影響，因此在結(jié)構(gòu)和性能方面需作特殊考慮。

3 無人機(jī)系統(tǒng)組成

3.1系統(tǒng)組成和內(nèi)部接口

無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備組成，見表1。

無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備接口，見圖1。

3.2 系統(tǒng)主要設(shè)備功能

（1） 無人機(jī)

無人直升機(jī)作為本系統(tǒng)的平臺，搭載光電復(fù)合載荷，可以對海面、近岸目標(biāo)進(jìn)行紅外、電視成像探測，提供目標(biāo)圖像；可以對海上及岸上目標(biāo)進(jìn)行警戒探測和監(jiān)視，完成海面目標(biāo)定位功能，通過以太網(wǎng)將探測信息傳輸至緝私系統(tǒng)。無人機(jī)不需要飛行員駕駛，可以彌補(bǔ)當(dāng)前公務(wù)船飛行員數(shù)量的不足。無人機(jī)可提高海上執(zhí)法的快速性和靈活性，擴(kuò)展搜索范圍，增加查證手段。

無人機(jī)搭載飛控系統(tǒng)，包含慣導(dǎo)、加速度計(jì)、GPS接收機(jī)、高度計(jì)、計(jì)算單元和執(zhí)行單元。

（2） 數(shù)據(jù)鏈天線

無人機(jī)與船舶之間通過數(shù)據(jù)鏈裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，將無人機(jī)的各種信息實(shí)時(shí)傳回給船舶。在常規(guī)直升機(jī)中，船舶對直升機(jī)的通信是通過無線電通話設(shè)備來完成，在起降過程中無法及時(shí)掌握船舶的運(yùn)動參數(shù)，為了在執(zhí)行使用任務(wù)時(shí)發(fā)揮最大性能，建立專門了數(shù)據(jù)鏈路。

無人機(jī)的通信系統(tǒng)主要由控制數(shù)據(jù)鏈和任務(wù)數(shù)據(jù)鏈組成：控制數(shù)據(jù)鏈由上行的無人機(jī)控制器參數(shù)信息、軌跡規(guī)劃信息及下行的飛機(jī)狀態(tài)信息組成。

控制數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)潜ＷC無人機(jī)安全穩(wěn)定自主飛行的必備數(shù)據(jù)鏈，必須保證其安全性和可靠性。其中，飛機(jī)的控制器參數(shù)及軌跡規(guī)劃信息一般是根據(jù)無人機(jī)飛行需要隨機(jī)發(fā)送的，數(shù)據(jù)量較小；而下行的飛機(jī)狀態(tài)信息一般是周期性發(fā)送，數(shù)據(jù)量相對較大。

任務(wù)數(shù)據(jù)鏈一般 為下行的應(yīng)用信息，如圖像、視頻或根據(jù)其他應(yīng)用需要下傳遙感數(shù)據(jù)，是根據(jù)各種無人機(jī)應(yīng)用需求提出的，數(shù)據(jù)量一般較大。endprint

數(shù)據(jù)鏈天線是船舶控制無人機(jī)飛行的主要通信設(shè)備。數(shù)據(jù)鏈為無人機(jī)和控制站之間提供雙向通信，使整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的信息傳輸和控制成為有效的統(tǒng)一整體。

根據(jù)海上工作環(huán)境要求和前期相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，船載數(shù)據(jù)鏈采用相控陣體制的平板天線陣，避免了常規(guī)天線因伺服運(yùn)動部件造成整個(gè)天線系統(tǒng)故障率高的缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧體積重量小、功率要求小、易于定制改造等特點(diǎn)。

主數(shù)據(jù)鏈由4個(gè)面陣天線組成，每個(gè)面陣覆蓋90°空域，共覆蓋360°空域。每個(gè)面陣天線要求安裝于艙外盡量高的位置，每個(gè)面陣所覆蓋的90°空域內(nèi)無遮擋。

（3） 自主起降控制技術(shù)

無人機(jī)自動起降是飛行控制過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在自動起降階段，由于飛行速度低、氣動效應(yīng)非常弱、通道之間的耦合嚴(yán)重、船舶著陸場地小等因素，對小型無人機(jī)的起降控制性能提出了很高的要求。在船舶上自動起飛，海面風(fēng)浪和船舶搖擺對起降有較大的干涉影響。在著艦過程中，海上風(fēng)浪、船舶甲板運(yùn)動、船尾氣流、陣風(fēng)干擾和地面效應(yīng)使無人機(jī)著艦困難。因此，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在船上的自主起降，無人機(jī)系統(tǒng)加裝了自主起降輔助設(shè)備。自主起降輔助設(shè)備工作原理類似于全球衛(wèi)星系統(tǒng)，用于測量無人機(jī)與起降甲板間的相對位置和姿態(tài)，并最終為著艦決策提供相對的高度、位置、姿態(tài)信息。

（4） 飛行控制臺

飛行控制臺作為無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對無人機(jī)的飛行控制與管理、航路設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視、信息記錄等。

（5） 綜合任務(wù)控制臺

綜合任務(wù)控制臺作為無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成任務(wù)載荷狀態(tài)監(jiān)視、控制、綜合顯示、信息交換、處理、記錄和輸出等功能，并把探測態(tài)勢信息輸出到各有關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)與緝私系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息交換。

系統(tǒng)指揮員制訂任務(wù)全過程的無人機(jī)任務(wù)航路和載荷的工作計(jì)劃。任務(wù)航路規(guī)劃主要包括海圖標(biāo)繪、任務(wù)航路規(guī)劃和規(guī)劃方案管理。

（6） 光電任務(wù)載荷

光電任務(wù)載荷是無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)中的重要組成部分，設(shè)備可由光電轉(zhuǎn)塔、電子箱、減震掛架、顯控單元等組成。

光電轉(zhuǎn)塔承載光電傳感器，為光電傳感器方位、俯仰轉(zhuǎn)動提供平臺。包括方位軸系、俯仰軸系、電視傳感器、紅外傳感器、陀螺等。

電子箱承載電氣組件，包括電源、測角、伺服驅(qū)動、伺服控制、圖像處理、錄像存儲等功能模塊。便攜式操控盒為設(shè)備調(diào)試、測試用的操控和顯示終端，包括電源、液晶顯示器、操控桿、操控鍵盤等。

外界景物（包含目標(biāo)）的輻射和反射通過大氣傳輸，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像于探測器的靶面，探測器將景物信息轉(zhuǎn)變成電信息，從而將空間目標(biāo)及景物的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間序列的電圖像。安裝在吊艙內(nèi)的陀螺能敏感出載機(jī)的搖擺，通過陀螺穩(wěn)定回路，使光電系統(tǒng)保持瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定，圖像傳感器輸出穩(wěn)定的圖像。

操控手通過操控手柄控制光電系統(tǒng)方位、俯仰轉(zhuǎn)動，搜索海面目標(biāo)。主控計(jì)算機(jī)接收操作手或系統(tǒng)給出的工作指令，控制設(shè)備的正常運(yùn)行、監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài)以及目標(biāo)；在自動跟蹤方式下，主控計(jì)算機(jī)接收視頻跟蹤器測取目標(biāo)質(zhì)心相對光軸中心的方位、高低角偏差，控制伺服系統(tǒng)使瞄準(zhǔn)線保持對目標(biāo)的自動跟蹤。

綜合顯示器顯示目標(biāo)及背景圖像，為便于操作手掌握必要的信息，綜合顯示器還以文字和數(shù)字形式顯示出目標(biāo)參數(shù)和工作參數(shù)。

視頻圖像下傳到地面終端，一路傳輸?shù)接涗洶宕鎯Φ接涗浛?，方便任?wù)完成后直接取出記錄卡進(jìn)行后期閱讀處理。

（7） 船面保障設(shè)備

無人機(jī)系統(tǒng)具有許多船面保障設(shè)備，用以支持無人機(jī)在船上的運(yùn)轉(zhuǎn)、系留安全存儲等功能：

（A） 魚叉：無人機(jī)配備魚叉，滿足無人機(jī)著艦和快速固定要求，保證無人機(jī)降落不側(cè)滑、不翻倒、不與物體碰撞，能夠正常起飛和降落；

（B） 能見度激光雷達(dá)：配備遠(yuǎn)距離、高精度、全方向、無需合作目標(biāo)的激光后向探測能見度測量設(shè)備，獲得所在方向的能見度數(shù)值和濕度、溫度等氣象信息，為無人機(jī)的起降提供氣象安全保證；

（C） 燈光助降：在夜間或能見度低的情況下，滿足無人機(jī)著艦操作員目視無人機(jī)照度要求，提供低空照明；

（D） 燃油存儲、加注及回收設(shè)備：無人機(jī)系統(tǒng)與直升機(jī)共用燃油存儲裝置，使用時(shí)由直升機(jī)加注裝置將燃油加注到無人機(jī)加注裝置內(nèi)，再由無人機(jī)儲油加注裝置進(jìn)行燃油加注。無人機(jī)廢油回收與直升機(jī)廢油回收采用相同辦法。

（E） 無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車：配備無人機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)車，將無人機(jī)從無人機(jī)機(jī)庫快速轉(zhuǎn)運(yùn)到飛行平臺。

4 無人機(jī)系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)功能流程主要包括無人機(jī)起飛的典型工作流程、無人機(jī)降落的典型工作流程、系統(tǒng)搭載光電載荷的使用流程。

4.1 起飛的典型工作流程（見表2）

4.2 降落的典型工作流程（見圖3）

5.1著艦引導(dǎo)設(shè)備

自主著艦設(shè)備屬于臨時(shí)安裝設(shè)備，包括底座及著艦引導(dǎo)裝置。通過基座將底座固定安裝，使用時(shí)再將著艦引導(dǎo)裝置通過卡槽固定。6個(gè)安裝基座在飛行甲板上呈矩形或正六邊形布放，相鄰兩個(gè)安裝基座間不小于4m。基座與無人機(jī)機(jī)庫距離不得小于2m。要求每個(gè)安裝基座的位置在天線垂直法線15°范圍內(nèi)沒有遮擋物。

自主著艦設(shè)備、GPS、慣性測量單元安裝布置圖，見圖4。

5.2數(shù)據(jù)鏈天線

在無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)航與通信中，主數(shù)據(jù)鏈共有4個(gè)面陣天線，4個(gè)陣面集中成圓柱體結(jié)構(gòu)，布放于塔臺后方靠近甲板位置。要求天線安裝于艙外盡量高的位置，每個(gè)面陣所覆蓋的90°空域內(nèi)無遮擋，副鏈與主數(shù)據(jù)鏈天線集成在同一位置。

主數(shù)據(jù)鏈天線及副鏈布置安裝圖見圖5。

6 結(jié)論

無人機(jī)作為一種快速、靈活、有效的反應(yīng)平臺，在公務(wù)船上配置無人機(jī)系統(tǒng)有效的提高了海上執(zhí)法的快速性和靈活性，擴(kuò)展了搜索范圍，增加了查證手段，協(xié)助克服艦船單一執(zhí)法平臺越來越難以勝任的超視距探測等各項(xiàng)任務(wù)，使公務(wù)船的執(zhí)法能力上升了一個(gè)新臺階，為中國沿海區(qū)域維權(quán)執(zhí)法作出突出貢獻(xiàn)。endprint