基于北斗衛(wèi)星的無人機(jī)地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)

王子丞

（鄭州市第一中學(xué)，鄭州 450000）

1 研究背景

1.1 現(xiàn)階段地震救援問題的概況

近年來，國內(nèi)外發(fā)生了一系列的重大地震災(zāi)害，如2016年印尼的6.8級地震和2014年發(fā)生在我國新疆于田的7.3級地震[1]等等，都造成巨大的人民和財(cái)產(chǎn)損失。在救援設(shè)備較為完善的當(dāng)下，如何迅速展開展高質(zhì)量的搜救工作是減少人員及財(cái)產(chǎn)損失的重中之重，然而解決這個(gè)問題面臨著一些困難。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，雖然無人機(jī)技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，民用無人機(jī)也發(fā)展迅速，但是國內(nèi)無人機(jī)在地震救援中的應(yīng)用還比較基礎(chǔ)。主要是令無人機(jī)通過微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，依靠無線電遙控系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，進(jìn)行直觀、準(zhǔn)確的圖像和數(shù)據(jù)信息采集。微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)就曾在“5.12”汶川大地震中得到了實(shí)踐應(yīng)用。而歐美等國由于近年來地震災(zāi)害很少發(fā)生，對地震救災(zāi)中無人機(jī)應(yīng)用的研究不夠重視。

為此，筆者基于北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)嘗試開發(fā)了無人機(jī)地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)地震時(shí)對無人機(jī)的有效快速的指揮調(diào)度，迅速高效地展開地震搜救工作，減少人員及財(cái)產(chǎn)損失。

2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

2.1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是我國第一代區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是世界上第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以提供全國范圍內(nèi)的衛(wèi)星定位。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力，已在個(gè)人位置服務(wù)、交通運(yùn)輸、氣象和地質(zhì)災(zāi)害、應(yīng)急救援等民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。就性能而言，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)目前在覆蓋范圍、定位和授時(shí)精度等方面與美國的GPS還存在差距。但北斗衛(wèi)星具有定位和通信雙重作用，其特有的短報(bào)文通信功能是GPS所不具備的。

2.2 北斗衛(wèi)星通信的工作方式

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括空間衛(wèi)星、地面站和用戶終端三個(gè)部分，地面站則分為地面中心站和地面網(wǎng)管中心（圖1）。北斗系統(tǒng)具有點(diǎn)對點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，依靠數(shù)據(jù)包的形式來傳輸數(shù)據(jù)報(bào)告，一次最多可發(fā)送210個(gè)字節(jié)，即用戶可以發(fā)送100bytes信息。發(fā)送信息首先依靠數(shù)傳終端采用碼分多址直接擴(kuò)頻序列調(diào)制（即CDMA方式），再依靠擴(kuò)頻偽碼使用周期偽隨機(jī)序列，實(shí)現(xiàn)以L波段的發(fā)送頻率發(fā)送到衛(wèi)星，然后經(jīng)過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段，傳送至地面中心站，經(jīng)處理后發(fā)送給地面網(wǎng)管中心。地面網(wǎng)管中心經(jīng)解密和再加密后，發(fā)回給地面中心站，之后經(jīng)過處理再次發(fā)送回衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換形成S波段廣播傳送給測站終端和指揮終端，解調(diào)解密出站電文，完成一次點(diǎn)對點(diǎn)通信。主要通信技術(shù)指標(biāo)：人站信道（L波段）傳輸速率15.625 kbps，出站信道（S波段）傳輸速率31-25 kbps，系統(tǒng)誤碼率1×10-7。

3 無人機(jī)地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)構(gòu)成與工作流程

該系統(tǒng)整體上由通信和定位衛(wèi)星、地面調(diào)度指揮中心、無人機(jī)載用戶終端、搜救中心四部分組成。見圖1。

3.1 通信和定位衛(wèi)星

（1）定位功能：獲取無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息；獲取現(xiàn)場熱成像圖等圖像信息；將可能存在幸存者的準(zhǔn)確的經(jīng)緯度位置坐標(biāo)發(fā)送給地面中心。（2）導(dǎo)航功能：發(fā)送航線信息給無人機(jī)，確定并實(shí)時(shí)更新無人機(jī)巡行路線。（3）通信功能：可將信息在無人機(jī)終端和衛(wèi)星地面站之間實(shí)現(xiàn)信息快速傳遞，特有的短報(bào)文通信可在震區(qū)無信號覆蓋時(shí)進(jìn)行信息傳遞。（4）授時(shí)功能：確定位置信息、圖像信息的具體時(shí)間，及反饋無人機(jī)飛行時(shí)長。

圖1 北斗衛(wèi)星通信示意

3.2 地面調(diào)度指揮中心

3.2.1 衛(wèi)星地面站

衛(wèi)星地面站即衛(wèi)星地面站網(wǎng)管中心，作為衛(wèi)星通信的地面接續(xù)控制網(wǎng)關(guān)，主要負(fù)責(zé)建立起陸地上網(wǎng)絡(luò)用戶與北斗系統(tǒng)用戶終端之間或北斗系統(tǒng)用戶終端互相之間的通信鏈路；處理用戶之間的雙向通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給調(diào)度控制臺。提供多種接入方式與陸地公眾電信網(wǎng)絡(luò)相連接，如DDN、Internet、PSTN、GSM等。

3.2.2 調(diào)度控制臺

調(diào)度指揮臺是人工對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)度指揮、對搜救中心下達(dá)指令的控制臺。

調(diào)度指揮臺以百度地圖API為地圖引擎。電腦先將無人機(jī)通過北斗系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的位置信息、圖像信息等結(jié)合到地圖上。然后管理員對信息進(jìn)行人工處理和分析，通過DNN、Internet等通信技術(shù)，下達(dá)具體搜救任務(wù)給搜救中心，并發(fā)送現(xiàn)場圖像信息和幸存者位置坐標(biāo)信息。并且管理員可以通過大屏幕觀察到所有無人機(jī)的巡行路線和飛行狀態(tài)，有權(quán)劃定或更改無人機(jī)航線。

在震區(qū)信號暢通時(shí)，管理員通過DNN、Internet等通信技術(shù)，發(fā)送無人機(jī)調(diào)度指令到機(jī)庫端。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)記錄、更新和存儲信息。

數(shù)據(jù)庫能實(shí)時(shí)記錄、更新和儲存所有位置信息和圖像信息。調(diào)度指揮信息，并且在其他日常通信信息在上行發(fā)往衛(wèi)星地面站網(wǎng)管中心的同時(shí)，也被服務(wù)器自動(dòng)記錄存儲在相應(yīng)的日志中。數(shù)據(jù)庫可響應(yīng)調(diào)度指揮臺對無人機(jī)位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像信息的查詢，并顯示在地圖上，同時(shí)支持外部用戶（其它分中心）對信息的請求響應(yīng)。

數(shù)據(jù)庫為指令下達(dá)提供了信息數(shù)據(jù)參考，為地震救援提供了數(shù)據(jù)支持，增強(qiáng)了指令的正確性和調(diào)度指揮的實(shí)時(shí)性。

3.2.4 通信服務(wù)器

通信服務(wù)器負(fù)責(zé)對通信數(shù)據(jù)交換處理和對通信鏈路的建立和維護(hù)。

通信服務(wù)器可以對網(wǎng)管中心之間的上行、下行通信數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和處理，對由網(wǎng)管中心下行的無人機(jī)位數(shù)據(jù)、幸存者位置信息、現(xiàn)場圖像信息、報(bào)警信息以及其它常規(guī)信息進(jìn)行分發(fā)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為調(diào)度控制臺內(nèi)部服務(wù)器可以交換處理的數(shù)據(jù)形式；并將調(diào)度指揮臺要上行發(fā)送到網(wǎng)管中心的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星通信系統(tǒng)可處理的數(shù)據(jù)信號格式。

3.2.5 機(jī)庫端

機(jī)庫端是無人機(jī)的停放平臺和無人機(jī)操控中心站。

機(jī)庫端負(fù)責(zé)閑時(shí)停放無人機(jī)和救災(zāi)時(shí)對無人機(jī)的操控，直接聽從調(diào)度指揮中心的指令。機(jī)庫端由機(jī)庫管理員所控制，通過DNN、Internet等通信技術(shù)接受指揮調(diào)度臺的調(diào)度指令，根據(jù)調(diào)度指令對無人機(jī)進(jìn)行選項(xiàng)配置后，通過DNN、Internet、GSM等通信技術(shù)手段發(fā)出無人機(jī)調(diào)度指令，確定或更改無人機(jī)航線，或控制無人機(jī)起飛執(zhí)行任務(wù)。

3.3 無人機(jī)載用戶終端

無人機(jī)載用戶終端主要起到通信作用和定位作用。

無人機(jī)執(zhí)行巡行任務(wù)，搜查地震受災(zāi)現(xiàn)場，通過機(jī)載紅外熱成像儀獲取現(xiàn)場熱成像圖等圖像信息，并獲取可能存在幸存者的準(zhǔn)確的經(jīng)緯度位置坐標(biāo)。無人機(jī)配備定位終端后，可以發(fā)出警報(bào)，通過北斗衛(wèi)星回傳可能存在幸存者的位置信息到網(wǎng)管中心。

機(jī)載終端可以接收到北斗衛(wèi)星通信信號，獲得來自調(diào)度指揮臺的指令，確定或更新巡行線路。并且機(jī)載終端還可以接收DNN、Internet、GSM等通信信號，獲得來自機(jī)庫端的指令，在震區(qū)信號暢通時(shí)，也可以根據(jù)需要隨時(shí)改變航線。

3.4 搜救中心

搜救中心是負(fù)責(zé)直接指揮搜救人員開展救援工作的中心站。

搜救中心直接接收指揮調(diào)度臺發(fā)送的現(xiàn)場圖像信息和幸存者位置坐標(biāo)信息，并下達(dá)具體的搜救命令。搜救中心接收到信息和指令后，傳達(dá)給已派遣的搜救人員。搜救人員到達(dá)指定地點(diǎn)展開搜救工作，并將搜救情況、場地狀況和幸存者狀態(tài)等信息反饋給搜救中心，搜救中心再反饋給地面調(diào)度中心，完成信息的互通。

有調(diào)度指揮臺給搜救中心傳輸信息和下達(dá)指令，可以提高搜救工作的進(jìn)行的系統(tǒng)性和高效性。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）無人機(jī)航線實(shí)時(shí)更新。地面指揮調(diào)度中心可以通過北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和DNN、Internet、GSM等其它通信方式，下達(dá)確定或更改無人機(jī)航線指令，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)航線實(shí)時(shí)更新，有效防止了震區(qū)信號中斷而導(dǎo)致的無人機(jī)失聯(lián)，提高搜索效率。

（2）信息通信和數(shù)據(jù)管理。無人機(jī)安設(shè)有機(jī)載用戶終端，對無人機(jī)進(jìn)行定位，同時(shí)無人機(jī)通過北斗衛(wèi)星獲取熱成像圖等圖像信息、可能存在幸存者的位置坐標(biāo)信息等信息。這些信息通過北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸?shù)叫l(wèi)星地面站，經(jīng)過處理后儲存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的記錄、更新和存儲，并且可響應(yīng)調(diào)度指揮臺及其它中心對無人機(jī)位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像信息的查詢。

（3）搜救工作高效展開。調(diào)度指揮臺對信息進(jìn)行人工分析處理后，下達(dá)指令到搜救中心，搜救人員得到較為準(zhǔn)確的幸存者位置信息，到達(dá)現(xiàn)場后立即可以展開救援工作，可以大大提升救援效率。

（4）無人機(jī)工作可視化管理。調(diào)度指揮臺以百度地圖API為地圖引擎，將無人機(jī)搜索過程中各種信息，根據(jù)位置關(guān)系，簡潔直觀地結(jié)合到地圖上，在地圖上顯示無人機(jī)實(shí)時(shí)位置、無人機(jī)高度、無人機(jī)航線、信息聯(lián)系的位置及時(shí)間、幸存者位置等信息。

5 結(jié)束語

本文給出了將無人機(jī)應(yīng)用于地震救援工作的解決方案，無人機(jī)地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為通信工具，以百度地圖API為地圖引擎，可以滿足地震救援的無人機(jī)管理控制需要，提高無人機(jī)調(diào)度指揮的實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)地面中心、無人機(jī)、救援人員之間信息的快速傳輸，可以為提升救援人力利用效率和降低人員與財(cái)產(chǎn)損失做出貢獻(xiàn)。