基于移動(dòng)平臺(tái)的海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

朱 瑞，施 麟，陳 寧

（1.江蘇省海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)中心，江蘇南京210017；2.江蘇省財(cái)政廳財(cái)政信息管理中心，江蘇南京210024；3.江蘇省水利網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，江蘇南京210029）

0 引言

江蘇省通過(guò)接入國(guó)家海洋信息通信網(wǎng)［1］，實(shí)現(xiàn)了國(guó)家-省-市-縣四級(jí)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系［2］。2017年，江蘇省在全省沿海布設(shè)16座4G專網(wǎng)無(wú)線通信基站，將海洋信息通信網(wǎng)無(wú)線信號(hào)有效覆蓋沿岸及近岸海域，實(shí)現(xiàn)有線專網(wǎng)與無(wú)線專網(wǎng)的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)近岸20公里海域有效覆蓋。江蘇省已利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，對(duì)江蘇省近岸海域開(kāi)展了立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，積累了大量遙感影像、海域海島管理和監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。目前，江蘇省海洋綜合管控平臺(tái)［3］是全省海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系的核心業(yè)務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)依托海洋信息通信網(wǎng)江蘇省節(jié)點(diǎn)，以“數(shù)據(jù)集中、資源整合、應(yīng)用協(xié)同”為主線，以“夯實(shí)基礎(chǔ)、突出管理、提升服務(wù)”為重點(diǎn)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合，為海洋綜合管理提供了有效的支撐。江蘇省海洋綜合管控平臺(tái)是基于移動(dòng)平臺(tái)的海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，部署于指揮中心。

1 研究目標(biāo)

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因具有機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)能力、低使用成本、高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力等特點(diǎn)，適用于低空遙感數(shù)據(jù)的快速獲?。?］。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，憑借無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、高效快速和成本低廉的特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于海洋測(cè)繪、海域監(jiān)管和海島巡查等領(lǐng)域［5］。

1.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究

裝備一套長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，滿足稀少控制大比例尺測(cè)圖精度要求的新型海飛行控制系統(tǒng)。包括無(wú)人機(jī)起降、飛行控制、監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、接收等相關(guān)的軟硬件設(shè)備。開(kāi)發(fā)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)的航線規(guī)劃、航攝質(zhì)量快速檢查、影像快速預(yù)處理軟件和無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后處理軟件，通過(guò)航攝作業(yè)測(cè)試，形成一套完整的固定翼輕型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，滿足高分辨率遙感影像獲取與處理的需求。

1.2 無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理系統(tǒng)研究

針對(duì)多作業(yè)模式、海量數(shù)據(jù)管理需求，通過(guò)研究應(yīng)用無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)控、協(xié)同作業(yè)到指揮調(diào)度、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、分析評(píng)估的全流程系統(tǒng)化管理。

1.3 無(wú)人機(jī)三維立體監(jiān)管系統(tǒng)研究

將無(wú)人機(jī)、移動(dòng)平臺(tái)、地面采集終端等硬件設(shè)備一體化集成，具備無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、無(wú)人機(jī)遙感影像與視頻獲取、地面視頻采集、遙感影像快速處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、宗海制圖等功能為一體，可實(shí)現(xiàn)從地面到高空的全方位三維立體動(dòng)態(tài)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)從監(jiān)視監(jiān)測(cè)區(qū)域影像的快速獲取、處理到海域使用信息的提取、成圖的全流程作業(yè)。

1.4 移動(dòng)平臺(tái)研究

針對(duì)海域監(jiān)視監(jiān)測(cè)中作業(yè)地點(diǎn)多變和任務(wù)多樣的需求，使用衛(wèi)星通信、4G-VPDN通信、4G專網(wǎng)無(wú)線基站通信鏈路，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)通用測(cè)控、數(shù)據(jù)采集、指揮調(diào)度、視頻會(huì)商、作業(yè)保障等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)集成了無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)、集成了雙頻GPS的飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等設(shè)備，具有高精度定位解算、相機(jī)定點(diǎn)曝光、自動(dòng)旋修偏改正功能，獲取高分辨率航空影像，滿足遙感影像獲取需要。為保障作業(yè)安全，提高影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，在執(zhí)行任務(wù)的飛行準(zhǔn)備階段設(shè)計(jì)了作業(yè)檢查記錄、飛行日志等過(guò)程文件，檢查內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)機(jī)體、通信鏈路、載荷、地面站、電池等硬件設(shè)備狀態(tài)，功能方面主要檢查GPS信號(hào)、飛機(jī)姿態(tài)、云臺(tái)控制、地面站信息參數(shù)、圖傳鏈路通信性能等內(nèi)容［6］。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)平臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)載荷、飛控地面站、載荷地面站等設(shè)備調(diào)試完成后，進(jìn)行系統(tǒng)集成，完成地面測(cè)試后，進(jìn)行了飛行聯(lián)試；飛行聯(lián)試后與無(wú)人機(jī)通用測(cè)控地面站進(jìn)行飛行聯(lián)試，通過(guò)車載集成的數(shù)據(jù)鏈路可在車內(nèi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)控制，同時(shí)接收無(wú)人機(jī)視頻遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)流程如圖1所示，圖例中最終成果為南通啟東市呂四漁港經(jīng)濟(jì)區(qū)航攝正射影像［7］。

2.2 無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控與指揮分系統(tǒng)、業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理分系統(tǒng)組成，兩個(gè)分系統(tǒng)通過(guò)特定的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行交互，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控與指揮分系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛行任務(wù)的具體實(shí)施和飛行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)任務(wù)和數(shù)據(jù)的管理以及任務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)具備如下功能。

（1）全流程業(yè)務(wù)管理功能：任務(wù)創(chuàng)建，任務(wù)審核，任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)下發(fā)、任務(wù)總結(jié)、數(shù)據(jù)上傳、任務(wù)評(píng)估、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控、現(xiàn)場(chǎng)綜合監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、全局任務(wù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理等功能。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)任務(wù)信息、無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)、視頻、航跡信息與載荷信息的功能；系統(tǒng)可通過(guò)海洋信息通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)測(cè)控信息回傳；支持海洋信息通信網(wǎng)各用戶獲取無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)服務(wù)和數(shù)據(jù)支持。

（3）無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)衛(wèi)星通信、4G專網(wǎng)等通信鏈路將實(shí)時(shí)遙測(cè)信息、實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳送至無(wú)人機(jī)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控與指揮分系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)指揮與測(cè)控分系統(tǒng)主要分為協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、飛行監(jiān)控模塊、載荷與鏈路監(jiān)控、無(wú)人機(jī)狀態(tài)檢查模塊、視頻實(shí)時(shí)拼接模塊和數(shù)據(jù)管理模塊?，F(xiàn)場(chǎng)指揮與測(cè)控分系統(tǒng)部署于移動(dòng)平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)海域無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)的全程規(guī)范化管理。包括現(xiàn)場(chǎng)指揮、設(shè)備狀態(tài)檢查、通用測(cè)控、綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控等。該分系統(tǒng)通過(guò)海洋信息通信網(wǎng)與海域無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理分系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)指揮中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)把握，實(shí)現(xiàn)對(duì)海域無(wú)人機(jī)作業(yè)任務(wù)的一體化監(jiān)管。

2.2.2 業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理分系統(tǒng)

業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理分系統(tǒng)部署于指揮中心，主要包括任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、全局任務(wù)監(jiān)控模塊和系統(tǒng)管理模塊。業(yè)務(wù)監(jiān)控與管理系統(tǒng)是面向海域無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)的綜合服務(wù)平臺(tái)。用于海域無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)任務(wù)監(jiān)控、作業(yè)任務(wù)管理、人員及設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)信息管理等。該分系實(shí)現(xiàn)海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)的全流程規(guī)范化管理，與現(xiàn)場(chǎng)指揮與測(cè)控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信可以及時(shí)掌握各無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)，滿足業(yè)務(wù)監(jiān)控的精細(xì)化管理要求，實(shí)現(xiàn)海域無(wú)人機(jī)作業(yè)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)信息的統(tǒng)一管理。

圖1 海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)流程

2.3 無(wú)人機(jī)三維立體監(jiān)子系統(tǒng)

三維立體監(jiān)管子系統(tǒng)集成了江蘇省全海岸帶高精度遙感影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了地形地貌、海域使用現(xiàn)狀和海上設(shè)施的仿真再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速處理，快速顯示、快速測(cè)量與分析等［8］，同時(shí)集成了江蘇省海域規(guī)劃、海域權(quán)屬、海島數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)專題信息的管理和三維立體展示，支撐了海域使用狀況的三維可視化管理。該平臺(tái)具有基于三維的自動(dòng)化航線設(shè)計(jì)功能，能夠快速構(gòu)建航飛線路，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的實(shí)時(shí)立體三維監(jiān)管，以及監(jiān)管對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)視監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)三維立體監(jiān)管子系統(tǒng)具備無(wú)人機(jī)遙感影像與視頻獲取、地面視頻采集、遙感影像快速處理、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、宗海制圖等功能為一體，從監(jiān)視監(jiān)測(cè)區(qū)域影像的快速獲取、處理到海域使用信息的提取、成圖的全流程作業(yè)。

2.4 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)包括1輛省級(jí)和15輛縣級(jí)車體平臺(tái)［9］、車體改裝、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、視頻會(huì)商系統(tǒng)、車載定位系統(tǒng)及綜合保障系統(tǒng)。省級(jí)移動(dòng)平臺(tái)由綜合監(jiān)控、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理等功能模塊組成。綜合監(jiān)控模塊包括車輛系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、視頻會(huì)商系統(tǒng)和基站系統(tǒng)的監(jiān)控。

2.4.1 車載平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)配備機(jī)柜、取力發(fā)電機(jī)、電源接口箱、信號(hào)接口箱、不間斷電源等設(shè)備，對(duì)車輛進(jìn)行車體及車內(nèi)的改裝及設(shè)備安裝。移動(dòng)平臺(tái)作為系統(tǒng)軟硬件設(shè)備的承載平臺(tái)，為海域監(jiān)測(cè)人員提供工作空間，為應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行綜合保障。車輛改裝主要針對(duì)車頂、車底加固處理，安裝車頂云臺(tái)、天線等設(shè)備。

省級(jí)移動(dòng)平臺(tái)配備無(wú)人機(jī)/載荷控制搖桿以及飛行前狀態(tài)檢查軟件、通用協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件、飛行監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，近場(chǎng)監(jiān)測(cè)視頻實(shí)時(shí)回傳等功能。飛行監(jiān)控軟件可以通過(guò)三維可視化方式形象化的顯示無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)和規(guī)劃航跡，通過(guò)不同的控件形象化的展示飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)信息。通用協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)服務(wù)和視頻服務(wù)的開(kāi)啟與關(guān)閉，并能監(jiān)測(cè)遙測(cè)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流量。飛行前狀態(tài)檢查軟件用于飛機(jī)起飛前對(duì)飛機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢查確認(rèn)，并具備無(wú)人機(jī)設(shè)備狀態(tài)檢查的訂制功能，可根據(jù)需求創(chuàng)建基于特定機(jī)型的設(shè)備狀態(tài)檢查模板。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備車頂攝像頭和風(fēng)速風(fēng)向儀，該分系統(tǒng)可進(jìn)行海域周邊現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)測(cè)、視頻存儲(chǔ)、視頻回放等功能，同時(shí)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理與顯示

數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)包括工控機(jī)、顯示器、KVM、混合視頻矩陣等硬件設(shè)備，同時(shí)安裝視頻拼接軟件、數(shù)據(jù)管理軟件。

2.4.4 通信傳輸

通信傳輸系統(tǒng)由衛(wèi)星通信設(shè)備、VPDN路由器、交換機(jī)、無(wú)線基站接入終端、視頻編解碼器組成。搭建移動(dòng)平臺(tái)與海洋通信網(wǎng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻會(huì)議、信息交互、遠(yuǎn)程應(yīng)急調(diào)度指揮等功能。

2.4.5 視頻會(huì)商

視頻會(huì)商系統(tǒng)包括視頻會(huì)議設(shè)備、單兵視頻會(huì)議設(shè)備，可以接入海洋信息通信網(wǎng)視頻會(huì)議系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與海洋信息通信網(wǎng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的視頻會(huì)議功能；可以將單兵采集視頻實(shí)時(shí)發(fā)送到移動(dòng)平臺(tái)，拓展應(yīng)急監(jiān)測(cè)范圍，形成省級(jí)、縣級(jí)移動(dòng)平臺(tái)、單兵多點(diǎn)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力。

2.4.6 車載定位

車載定位系統(tǒng)由北斗導(dǎo)航定位終端組成，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急車的導(dǎo)航定位，并能夠通過(guò)短報(bào)文的形式將位置信息實(shí)時(shí)上傳至指揮中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控定位功能。

2.4.7 綜合保障分系統(tǒng)

綜合保障系統(tǒng)由智能配電及中控、智能手持終端、對(duì)講機(jī)、車輛設(shè)備綜合監(jiān)控等設(shè)備組成。可實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電、設(shè)備運(yùn)行的智能控制，并對(duì)車輛供電和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于移動(dòng)平臺(tái)的海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［10］集成充分考慮單機(jī)設(shè)備以及子系統(tǒng)集成，包括硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的傳輸和軟件集成。硬件設(shè)備集成主要是對(duì)1輛省級(jí)和15輛縣級(jí)車體平臺(tái)車輛改裝、相關(guān)設(shè)置安裝調(diào)試。網(wǎng)絡(luò)的傳輸集成主要有兩種方式：一種是移動(dòng)平臺(tái)利用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采集硬盤(pán)錄像機(jī)、4G-VPDN路由器、視頻會(huì)議設(shè)備的狀態(tài)信息，利用232、485協(xié)議通過(guò)串口采集車載云臺(tái)攝像頭、GPS設(shè)備、風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)備的狀態(tài)信息，并將這些狀態(tài)信息封裝打包后利用4G-VPDN專網(wǎng)和4G基站專網(wǎng)將其發(fā)送到指揮中心。另一種是通過(guò)沿海已建立的16座4G專網(wǎng)無(wú)線基站無(wú)線通信基站，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集，將采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接上傳到海洋信息通信網(wǎng)。軟件集成主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)一體化實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)測(cè)控、移動(dòng)平臺(tái)綜合指揮調(diào)度和海域機(jī)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)綜合管理。網(wǎng)路拓?fù)淙鐖D2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在海洋領(lǐng)域探索無(wú)人機(jī)應(yīng)用和拓展無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)展基于移動(dòng)平臺(tái)的海域無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)與其他監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合，對(duì)豐富和完善海域監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，增強(qiáng)海域監(jiān)管水平，提升江蘇海洋綜合管控能力具有重要意義。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>