固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的設計

宋在杰 白銀剛 唐健仁 張 莉

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

近年來，隨著氣候變暖和極端天氣增多，森林火場形勢極其嚴峻，尤其是森林防火工作更是森林管理工作的重中之重[1]。同時，由于森林面積大，林木可燃物多，林區(qū)地形復雜等不確定因素的影響，即時有效的高質(zhì)量火場偵察信息一方面可以輔助應急部門決策者進行正確的人員與物資的調(diào)配，另一方面，還可以使火場前線的消防人員進行更為安全且高效的林火撲滅操作[2]。

針對火場偵察信息的獲取，傳統(tǒng)的地面火場偵察，主要通過人的視線或者安裝攝像頭等傳統(tǒng)的手段，考慮到森林地形復雜與人員分布不均等因素，不能準確提供大范圍火場偵察信息；衛(wèi)星遙感火場偵察，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)上傳的實時性較差，大火時不能滿足實際使用需求；無人機火場偵察，面對大面積的森林著火，無人機的可靠性大大降低，同時對于多個無人機火場偵察系統(tǒng)的開發(fā)也較為復雜[3]。

在森林火場偵察的應用中，有人機通常分為固定翼有人機與旋翼有人機。固定翼有人機具有飛行速度快、續(xù)航時間長、遠距離飛行和載荷能力強等特點，在中、遠距離范圍偵察作業(yè)中有著優(yōu)異的表現(xiàn)；旋翼有人機多為直升機，可以實現(xiàn)定點懸停，但是直升機多用于救火，其續(xù)航能力差，飛行距離短，適用于小范圍區(qū)域火場救援。在環(huán)境復雜、區(qū)域面積大的森林防火任務中，固定翼飛機更適合長遠距離的偵察任務，其次固定翼有人機可實現(xiàn)信息實時傳送。

該文針對目前火場偵察研究中存在的不足，基于固定翼特種飛機的平臺特性，提出了固定翼飛機加改裝的火場偵察系統(tǒng)飛機，通過飛機平臺加裝光電吊艙，利用衛(wèi)星通信傳輸手段建立的火場偵察系統(tǒng)，實現(xiàn)飛機與火場前指之間指揮調(diào)度，火場視頻圖像等信息實時回傳，確?；饒銮闆r實時上報，確保指揮決策科學有效，對于類似的森林火場偵察項目的實施具有一定的參考價值。

1 固定翼特種飛機平臺性能

固定翼特種飛機是碳纖維和玻璃纖維結構的雙引擎特種飛機，最多可搭載4名機組人員。固定翼特種飛機由2臺高效的Austro Engine AE300煤油發(fā)動機提供動力，可實現(xiàn)特殊設備和傳感器系統(tǒng)的安裝，用于航空測繪、偵察巡邏和地理空間調(diào)查等任務。碳纖維和玻璃纖維機身可確保最佳的空氣動力學性能，確保飛行機組人員最高的飛行安全性。集成的Garmin G1000航空電子設備為飛行機組人員提供最佳的態(tài)勢感知能力和安全的飛行操作。特殊的材質(zhì)和多功能掛載使固定翼成為最適合和最多的經(jīng)過任務驗證的特殊任務平臺。固定翼特種飛機的參數(shù)見表1。

表1 固定翼特種飛機參數(shù)

固定翼特種飛機是一款雙引擎多用途特種飛機，在飛機的機頭、機腹和機背處可以加裝各類機載設備及傳感器系統(tǒng)。機頭可提供共2種類型的吊艙，機腹可提供4種類型的吊艙，機背可提供1種類型的吊艙，具體吊艙的技術參數(shù)詳見表2。以上7種吊艙都已取得歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局（CAAC）認證，并且7種吊艙組合的固定翼飛機任務構型都已取得CAAC頒發(fā)的型號認可證（VTC），不需要重新進行適航認證。

表2 固定翼特種飛機吊艙參數(shù)

2 火場偵察系統(tǒng)設計

結合該課題火場偵察系統(tǒng)研究的特點及實驗平臺和場地的限制，該次火場偵察系統(tǒng)的改裝飛機將利用固定翼特種飛機進行。

圖1 基于固定翼特種飛機的火場偵察系統(tǒng)

2.1 火場偵察系統(tǒng)原理

圖1為一典型的基于固定翼飛機平臺的火場偵察系統(tǒng)原理圖。其中固定翼特種飛機搭載光電吊艙進行圖像或視頻采集，任務管理計算機能夠進行本地實時的圖像或視頻檢測，衛(wèi)通通信系統(tǒng)負責接收任務管理計算機的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)或語音傳輸給通信衛(wèi)星[4]，通信衛(wèi)星作為地面衛(wèi)星站和衛(wèi)通系統(tǒng)的中間傳遞站，地面指揮與顯示系統(tǒng)收到飛機實時傳輸?shù)膱D像與位置信息后對森林火情進行偵測與診斷，同時地面指揮可對有人機發(fā)送操作指令。該系統(tǒng)利用固定翼飛機平臺搭載火場偵察系統(tǒng)能實時進行火場偵察，基于通信衛(wèi)星的傳輸，為森林火場偵察提供更可靠的保障。

該飛行平臺選擇固定翼特種飛機，能滿足系統(tǒng)實驗飛行要求。光電系統(tǒng)主要采用光電吊艙進行紅外成像、高清可見光成像、紅外偽彩色圖像、定位以及測溫等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星主站與終端小站組成，衛(wèi)星主站是全網(wǎng)的控制、管理、指揮中心，可實現(xiàn)飛機與地面數(shù)據(jù)網(wǎng)互連，支持動中通的終端小站加載在飛機上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與視頻業(yè)務傳輸，支持飛機編隊的飛行測控及指揮，可實現(xiàn)在中國海域巡邏數(shù)據(jù)回傳。顯控系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)多任務載荷設備的接入、管理、存儲、顯控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。以上功能滿足火場偵察系統(tǒng)要求，也有利于森林防火中對于火場情況和火場救援時間的精度把握。

2.2 火場偵察系統(tǒng)的總體布局

森林火場偵察系統(tǒng)要求能夠對森林火災范圍及位置進行檢測，同時能夠進行火情偵測、超視距通信、自主的路徑巡航。利用通用機頭吊艙將光電吊艙安裝在固定翼特種飛機機頭位置；將衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝在固定翼特種飛機機背位置；其他一些設備主要集中在固定翼特種飛機后行李艙內(nèi)。

通過對固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的初步構建，對火場偵察系統(tǒng)進行了合理的總體布局。總體布局是指根據(jù)固定翼特種飛機平臺的總體特征，考慮加裝設備的功能和技術要求，通過總體設計，科學合理地選擇加裝設備的位置。在完成了固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的初步構建和總體布局后，固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)已初步具有森林火場偵察的功能?？傮w布局如圖2所示。

2.3 火場偵察系統(tǒng)的功能及性能參數(shù)

固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)加裝的多功能光電吊艙、衛(wèi)星通信和任務管理計算機設備，實現(xiàn)了對森林火災預警、森林著火點定位的偵察監(jiān)控功能。其主要功能如下：1）對森林著火點目標具有大范圍、長時間的鎖定、跟蹤功能。2）具有紅外、高清可見光成像探測功能，對著火點進行定位和識別。3）實現(xiàn)現(xiàn)目標視頻單向回傳和數(shù)據(jù)雙向通信，支持視頻、音頻、圖像和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?）具有著火點紅外測溫功能。5）具有著火面積區(qū)域大小測算功能。6）實現(xiàn)目標信息的實時處理、分析和存儲。

圖2 總體設計布局

根據(jù)固定翼特種飛機平臺的特點及加裝的多功能光電吊艙、衛(wèi)星通信和任務管理計算機設備的性能，固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的主要性能參數(shù)見表3。

3 火場偵察系統(tǒng)的應用

利用固定翼特種平臺加裝光電吊艙、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和任務管理計算機等機載設備，實現(xiàn)了火場偵察特種飛機系統(tǒng)。此次加裝的設備均在固定翼特種飛機構型允許范圍內(nèi)，符合中國民航適航要求，同時，該火場偵察系統(tǒng)可應用到類似的中小型飛機平臺上[5]，實現(xiàn)所需要的功能?；诠潭ㄒ硖胤N平臺加裝的光電吊艙、衛(wèi)通天線以及任務管理計算機設備的火場偵察特種飛機系統(tǒng)如圖3所示。

基于固定翼特種飛行平臺實現(xiàn)的火場偵察特種飛機系統(tǒng)，選擇合適的飛行區(qū)域和航線，試驗階段主用利用本場區(qū)域的林場作為試飛對象，對系統(tǒng)進行飛行試驗驗證，通過對地面目標的跟蹤、偵察、定位以及實時成像等功能進行測試，試飛結果證明固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的設計滿足森林防火的使用要求。

圖3 火場偵察特種飛機系統(tǒng)實物

圖4是固定翼飛機飛行高度600 m，飛行速度200 km/h時光電吊艙利用可見光進行林場巡查的實時圖片。圖片中可以清楚的看到林場上方的信息，如有火情發(fā)生或者著火點，光電吊艙可以實時觀測和精準定位，便于火情決策和火災救援。

圖4 光電吊艙可見光圖片

圖5是固定翼飛機飛行高度1 000 m，飛行速度180 km/h時光電吊艙利用紅外進行林場巡查的實時偽彩圖片。圖片中可以清楚地看到林場區(qū)域的溫度信息，根據(jù)偽彩圖片可以實時的觀測到著火區(qū)域信息，便于火場信息的實時掌控。

通過固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)的飛行試驗研究成果可以看出，基于固定翼特種飛機集成火場偵察系統(tǒng)，不僅可以完成森林或林場的巡查和監(jiān)視，還可以利用平臺特性更換其他機載任務設備完成地理測繪、航空攝影、海洋巡查等任務。

4 結語

該文利用固定翼特種平臺進行了森林火場偵察系統(tǒng)的改裝，通過介紹森林防火的重要性和火場偵察信息獲取的現(xiàn)狀，構建了火場偵察系統(tǒng)用于森林防火、林場巡查和災后評估等場景。通過對固定翼特種飛機平臺基本性能和加改裝能力的介紹，選取火場偵察設備集成到飛機平臺上使其具備火場定位、測溫、面積估算等功能，試飛驗證的結果顯示固定翼特種飛機火場偵察系統(tǒng)具有完成森林防火、林場巡查和災后評估等功能。

圖5 光電吊艙紅外偽彩圖片