航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)研究與應(yīng)用

顧海超 李乃瑞

摘? 要：航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間、方向、飛機(jī)位置、目標(biāo)位置等信息，在發(fā)現(xiàn)火情的第一時(shí)間迅速將高清的火場(chǎng)視頻圖像、紅外圖像、偽彩圖像和火場(chǎng)位置等關(guān)鍵信息傳輸?shù)礁骷?jí)指揮部門，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)指揮部門與機(jī)上操作員的通話，以便及時(shí)、有效組織開展森林防火撲救工作，確保森林火災(zāi)“打早、打小、打了”，有利于準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，迅速組織人員滅火，可以最大限度地減少森林火災(zāi)發(fā)生和災(zāi)害損失。

關(guān)鍵詞：航空護(hù)林;信息傳輸系統(tǒng);L波段;單載波頻域均衡;正交頻分復(fù)用;光電吊艙

中圖分類號(hào)：TN912.11;S776.29? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）16-0048-04

The Research and Application of the Information Transmission

System for Aerial Forest Protection Fire

GU Haichao，LI Nairui

（AVIC ATM System & Equipment Co.，Ltd.，Shanghai? 200241，China）

Abstract：The information transmission system of aerial forest protection fire can display the current time，direction，aircraft position，target position and other information in real time. The key information such as high-definition video image，infrared image，pseudo color image and the location of the fire scene will be quickly transmitted to all levels of command departments，at the same time also can command the communication between the department and the operator on board，in order to organize and carry out forest fire fighting work timely and effectively，guarantee the goal of “hitting early，hitting small and hitting end”，it is helpful to find the fire point accurately，organize the manpower and material resources to extinguish the fire quickly，and reduce the forest fire occurrence and disaster loss to the maximum extent.

Keywords：aerial forest protection;information transmission system;L-band;SC-FDE;OFDM;electro-optical pod

0? 引? 言

中航空管系統(tǒng)裝備有限公司以構(gòu)建新型空域管理模式、保障航空飛行安全和空域高效運(yùn)行為目標(biāo)，在空域綜合管理、航空運(yùn)營(yíng)與信息保障、空管設(shè)備研制三大業(yè)務(wù)領(lǐng)域?yàn)樾袠I(yè)客戶提供專業(yè)化系統(tǒng)解決方案、產(chǎn)品和服務(wù)。公司根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)性地解決用戶痛點(diǎn)，該項(xiàng)目研發(fā)的航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)依托衛(wèi)星、運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)、指揮中心和選址的基站建設(shè)位置既有基礎(chǔ)設(shè)施等平臺(tái)資源，通過(guò)安裝部署機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)、空地音視頻傳輸系統(tǒng)、地面可視化指揮應(yīng)用軟件系統(tǒng)等，為森林防火應(yīng)用構(gòu)建高效的扁平化航空護(hù)林信息指揮體系，以極大提升航空護(hù)林任務(wù)的空地信息互通、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)和可視化指揮調(diào)度能力，本文通過(guò)示范應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性。

1? 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

火場(chǎng)圖像傳輸指揮系統(tǒng)1套，按功能分為機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)、空地音視頻傳輸系統(tǒng)、地面指揮應(yīng)用系統(tǒng)三部分。機(jī)載設(shè)備載體是運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)，全系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容需包含機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)2套，空地音視頻傳輸系統(tǒng)中的機(jī)載分系統(tǒng)2套，地面基站分系統(tǒng)14套，地面便攜分系統(tǒng)12套，地面指揮應(yīng)用系統(tǒng)1套，如圖1所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)原理

航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)以運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)為平臺(tái)，利用森林防火機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)在空中對(duì)林區(qū)進(jìn)行偵察，在實(shí)時(shí)存儲(chǔ)視頻圖像（可見光/紅外/偽彩）的同時(shí)，操作員在飛機(jī)上對(duì)吊艙進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡護(hù)區(qū)域的偵察、搜索、觀察、定位等功能。

森林防火空地音視頻傳輸系統(tǒng)采用單載波頻域均衡（SC-FDE）技術(shù)，工作在L波段，為雙頻段設(shè)計(jì)，通過(guò)1.4 GHz同頻多基站組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建起空地一體的1.4 GHz通信專網(wǎng)。飛機(jī)平臺(tái)既可實(shí)時(shí)接入實(shí)現(xiàn)空地互聯(lián)，又可采用1.4 GHz鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)地面便攜式分系統(tǒng)的中繼通信，實(shí)現(xiàn)指揮中心—飛機(jī)—地面指揮車的三方互聯(lián)互通。

森林防火地面指揮應(yīng)用系統(tǒng)主要由指揮中心服務(wù)器、工作站主機(jī)顯示器和應(yīng)用層軟件構(gòu)成。其中，可視化指揮調(diào)度應(yīng)用軟件定制開發(fā)，以符合森林防火指揮流程和滿足使用習(xí)慣為目的，采用C/S+B/S混合架構(gòu)，部署在工作站主機(jī)，提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)服務(wù)、可靠通信服務(wù)、存儲(chǔ)檢索服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)、定位授時(shí)服務(wù)、指揮調(diào)度服務(wù)和GIS服務(wù)。

基站遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理軟件定制開發(fā)，以滿足用戶使用習(xí)慣，采用C/S架構(gòu)，部署在工作站主機(jī)，由系統(tǒng)配置工具和通信管理軟件組成，其中系統(tǒng)配置工具實(shí)現(xiàn)對(duì)核心網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的配置和管理，包括鏈路配置模塊、信道配置模塊、基站簇配置模塊、基站配置模塊、終端配置模塊和設(shè)備配置模塊;通信管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路管理模塊、基站管理模塊和終端管理模塊。

2.2? 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

結(jié)合森林防火實(shí)際情況，挑選兩架運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)加裝森林防火機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)，兩架飛機(jī)搭載的兩套機(jī)載設(shè)備既可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同作業(yè);另外兩套機(jī)載設(shè)備還可以互為備份，又可以在發(fā)生多地多點(diǎn)火情的情況下同時(shí)工作。

機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)由操控臺(tái)（集成記錄儀）和光電吊艙組成。將光電吊艙安裝于運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)機(jī)腹下方，運(yùn)-5運(yùn)輸機(jī)執(zhí)行航空護(hù)林任務(wù)時(shí)，操作員利用其可見光相機(jī)、紅外熱像儀進(jìn)行對(duì)林區(qū)的偵察探測(cè)，以采集獲取高清可見光、紅外與偽彩視頻圖像。

同時(shí)，在加改裝機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)的兩架飛機(jī)上分別加裝空地音視頻傳輸系統(tǒng)機(jī)載分系統(tǒng)，共2套機(jī)載分系統(tǒng);在14個(gè)地面基站位置處分別配備地面組網(wǎng)基站分系統(tǒng)，共14套地面組網(wǎng)基站分系統(tǒng);另外給地區(qū)森林防火指揮部、地面指揮車配備地面便攜式分系統(tǒng)，共12套地面便攜式分系統(tǒng)，方便在無(wú)網(wǎng)絡(luò)通信的情況下，火場(chǎng)前線指揮實(shí)時(shí)接收?qǐng)D像信息并及時(shí)下達(dá)滅火任務(wù)。

在日常空中巡邏時(shí)，由機(jī)上操作員操控手柄（集成于操作臺(tái)）進(jìn)行林區(qū)偵察，在機(jī)上操作臺(tái)顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察（可全程錄像）。同時(shí)用可見光和紅外功能監(jiān)測(cè)飛行區(qū)域，一旦發(fā)現(xiàn)火情，飛機(jī)圍繞著火地點(diǎn)進(jìn)行環(huán)繞飛行。光電吊艙鎖定目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，并將現(xiàn)場(chǎng)的火情態(tài)勢(shì)等信息通過(guò)空地音視頻傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁鞯刂笓]中心與前線指揮所，以輔助地面指揮人員進(jìn)行打火方案的決策。

各地面組網(wǎng)基站分系統(tǒng)構(gòu)建起同頻組網(wǎng)系統(tǒng)（微波專網(wǎng)），并通過(guò)地區(qū)防火專網(wǎng)互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)全區(qū)的圖像共享，即任意地面基站收到的圖像都可以通過(guò)可視化指揮調(diào)度應(yīng)用軟件在全區(qū)范圍內(nèi)調(diào)閱，以確保上下信息暢通，一旦發(fā)生火情，能夠迅速出擊，實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”。

地面便攜式分系統(tǒng)可通過(guò)空地1.4 GHz鏈路與飛機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像傳輸和雙向語(yǔ)音對(duì)講，同時(shí)，可通過(guò)飛機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地面便攜式分系統(tǒng)與地面組網(wǎng)基站分系統(tǒng)的語(yǔ)音互通。可車載固定使用也可野外單兵便攜使用，用于火場(chǎng)前線指揮輔助決策。

2.3? 系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系設(shè)計(jì)

系統(tǒng)空間上分為機(jī)載部分與地面部分。機(jī)載部分包括機(jī)載預(yù)警監(jiān)測(cè)圖像采集系統(tǒng)與空地音視頻傳輸系統(tǒng)的機(jī)載分系統(tǒng);地面部分包括空地音視頻傳輸系統(tǒng)中的地面組網(wǎng)基站分系統(tǒng)、地面便攜式分系統(tǒng)和地面指揮應(yīng)用系統(tǒng)。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

3.1? 嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

從用戶使用角度來(lái)看，本軟件涉及的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：通用IP數(shù)據(jù)流、遙測(cè)遙控串口數(shù)據(jù)流、控制命令/應(yīng)答數(shù)據(jù)流、復(fù)接數(shù)據(jù)流。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，本軟件還涉及的內(nèi)部數(shù)據(jù)：中轉(zhuǎn)IP流、命令/應(yīng)答包、命令/應(yīng)答消息、幀數(shù)據(jù)、包數(shù)據(jù)等。

軟件采用多線程設(shè)計(jì)，這樣不僅使得軟件結(jié)構(gòu)清晰，也便于對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行裁剪，另外也有利于模塊化，譬如命令處理線程包括在命令處理模塊中等等;線程間通信方面可以采用Linux內(nèi)核提供的機(jī)制。多線程設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

3.2? 多基站組網(wǎng)和在重疊區(qū)的抗干擾技術(shù)

為了提高頻譜利用率，全網(wǎng)所有無(wú)線接入設(shè)備采用同頻組網(wǎng)，如圖3所示。一個(gè)基站組網(wǎng)最多可以支持10個(gè)基站，在開闊地一般3基站可滿足使用需求。以3基站為例，按照?qǐng)D4中方法，沿3個(gè)基站相鄰的3個(gè)邊平推進(jìn)行擴(kuò)展，即可完成蜂窩覆蓋。

4? 系統(tǒng)仿真

4.1? 基站選址方法

根據(jù)能夠架設(shè)基站的地點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)、分組，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)篩選較優(yōu)的位置，約留30個(gè)基站，根據(jù)每個(gè)基站的覆蓋范圍進(jìn)行進(jìn)一步的比較分析，擬選出3個(gè)綜合性方案，然后比較這幾個(gè)方案的覆蓋率，得出14個(gè)站點(diǎn)的位置。根據(jù)擬采用的14個(gè)基站位置，進(jìn)行更詳細(xì)的覆蓋仿真計(jì)算，包括各個(gè)基站的位置分布和距離分析、各個(gè)基站在飛機(jī)不同高度條件下的覆蓋范圍、整體覆蓋范圍等。

通過(guò)查看基站間的距離和剖面，能夠分析各基站間的地形情況;根據(jù)地形和距離的關(guān)系，能夠簡(jiǎn)單驗(yàn)證選址是否合理;根據(jù)相鄰基站的距離和信號(hào)關(guān)系，能夠確定相鄰小區(qū)的最大數(shù)量，為解決自干擾問(wèn)題提供依據(jù)。相鄰基站之間的距離關(guān)系圖如圖5所示。

4.2? 仿真參數(shù)說(shuō)明

根據(jù)基站位置及條件進(jìn)行仿真計(jì)算，使用的仿真軟件是Global Mapper v14.1.0，仿真參數(shù)設(shè)置如下：（1）系統(tǒng)工作頻率：1 430 MHz～1 444 MHz、1 325 MHz～1 375 MHz;

（2）發(fā)射功率：20 W;（3）接收靈敏度：-97 dBm;（4）地面天線增益：8.0 dBi;（5）地面天線高度：10米～20米;（6）機(jī)載天線增益：2.5 dBi;（7）飛機(jī)飛行高度：800米（起飛階段）、1 200米（任務(wù)階段）、2 000米（巡航階段）。

由于無(wú)線信號(hào)的傳輸特性，實(shí)際無(wú)線通信傳輸過(guò)程中除與距離和遮擋關(guān)系密切的慢衰落外，還存在時(shí)變的快衰落，導(dǎo)致接收電平在不斷波動(dòng)，因此一般在應(yīng)用時(shí)均會(huì)考慮一定接收裕量，根據(jù)實(shí)測(cè)視頻傳輸?shù)膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)，裕量在0 dB～ 5 dB時(shí)，經(jīng)常會(huì)有丟包現(xiàn)象;裕量在5 dB～10 dB時(shí)，偶爾會(huì)有丟包，對(duì)于要求不高或可以重傳的場(chǎng)合，已經(jīng)可以接受;裕量大于10 dB時(shí)，基本不丟包。

4.3? 仿真結(jié)果

飛機(jī)起飛時(shí)在機(jī)場(chǎng)附近飛行高度較低，按800米高度計(jì)算仿真，14個(gè)基站覆蓋情況如圖6所示。

飛機(jī)作業(yè)時(shí)，為保證所拍攝視頻的清晰度，飛行高度不能太高，按1 200米海拔高度進(jìn)行仿真計(jì)算，14個(gè)基站的覆蓋情況如圖7所示。

由于地形情況限制，在部分地區(qū)信號(hào)可能會(huì)被遮擋，為保證通信效果，可以適當(dāng)提高飛行高度，按2 000米高度進(jìn)行仿真，14個(gè)基站的覆蓋情況如圖8所示。

5? 結(jié)? 論

綜上所述，通過(guò)合理開展仿真、計(jì)算和分析，從上面的各個(gè)高度仿真情況來(lái)看，在800米高度時(shí)，完全可滿足機(jī)場(chǎng)、基站附近的通信要求;在1 200米高度時(shí)，可完成大部分區(qū)域的通信覆蓋;部分區(qū)域被山體遮擋不能通信時(shí)，飛機(jī)提升到2 000米高度可基本滿足全區(qū)覆蓋要求。后續(xù)也可根據(jù)用戶的具體要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施條件和實(shí)際飛行測(cè)試情況，做進(jìn)一步的基站選址調(diào)整和優(yōu)化。

航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)是針對(duì)我國(guó)森林防火相關(guān)用戶對(duì)航空護(hù)林指揮調(diào)度的需求，研制開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空護(hù)林火場(chǎng)偵察信息傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)可完成對(duì)巡護(hù)區(qū)域火情的搜索、觀察、定位等功能，為我國(guó)航空森林防火應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆楊.圖像傳輸系統(tǒng)在森林航空消防工作中的應(yīng)用 [J].林業(yè)科技情報(bào)，2018，50（4）：50-52.

[2] 陳宏剛，王文元，徐艾華.森林航空消防火場(chǎng)偵察及信息傳輸系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用 [J].森林防火，2013（3）：52-54.

[3] 閻鐵錚，李戈偉.基于ArcGIS Engine的森林火場(chǎng)偵察標(biāo)繪系統(tǒng) [J].森林防火，2006（2）：31-32.

[4] 魏光興.關(guān)于我國(guó)航空護(hù)林的發(fā)展探究 [J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015，35（4）：60.

[5] 周濤，黃向東，張雷，等.湖南省森林消防航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) [J].湖南林業(yè)科技，2015，42（6）：136-140.

[6] 江西軍，劉世明，王志龍，等.無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)在航空護(hù)林中的應(yīng)用測(cè)試 [J].森林防火，2018（1）：42-44.

作者簡(jiǎn)介：顧海超（1987.09—），男，漢族，江蘇常州人，工程師，碩士研究生，研究方向：微波通信、導(dǎo)航定位;李乃瑞（1989.06—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士研究生，研究方向：微波通信、數(shù)字信號(hào)處理。