基于“彩虹4”無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

朱振宇, 周乃恩, 賀少帥

基于“彩虹4”無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

朱振宇, 周乃恩, 賀少帥

(青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)展中心, 山東 青島 266235)

針對(duì)海洋監(jiān)測(cè)中輕小型無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力差、大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力不足的問(wèn)題, 本文以彩虹-4型中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行了載荷安裝、電氣接口及電磁兼容性設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了光電吊艙、對(duì)海雷達(dá)、AIS多任務(wù)載荷的優(yōu)化集成, 通過(guò)開展遠(yuǎn)距離無(wú)人機(jī)通信、載荷數(shù)據(jù)與位姿信息實(shí)時(shí)同步回傳、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)研究, 形成了一套完整的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟硬件系統(tǒng)。最后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的地面測(cè)試并在海南三亞市東部海域開展遠(yuǎn)距離飛行試驗(yàn), 依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及作業(yè)的緊迫程度, 探索了海島礁成圖等常規(guī)監(jiān)測(cè)和海上船只目標(biāo)應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用模式, 驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo), 其中平臺(tái)續(xù)航能力優(yōu)于22 h, 作業(yè)通訊距離達(dá)到2 300 km, 在無(wú)控條件下可見光、紅外、SAR成像精度分別為15.35 m、21.09 m、6.30 m。結(jié)果表明, 該平臺(tái)能夠滿足海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)要求, 具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

中空長(zhǎng)航時(shí); 無(wú)人機(jī); 海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái); 多任務(wù)載荷; 集成設(shè)計(jì)

中國(guó)是一個(gè)毗鄰太平洋的海洋大國(guó), 海域廣袤、海岸線漫長(zhǎng)、島嶼眾多, 海洋對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境和國(guó)防建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。國(guó)家“十三五”規(guī)劃中明確提出, 要統(tǒng)籌規(guī)劃國(guó)家海洋觀(監(jiān))測(cè)網(wǎng)布局, 推進(jìn)國(guó)家海洋環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)和海外觀(監(jiān))測(cè)系統(tǒng)建設(shè), 逐步形成全球海洋立體觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。目前中國(guó)已經(jīng)構(gòu)建了由衛(wèi)星、飛機(jī)、車輛、船舶、岸基、島基、油氣平臺(tái)基、浮標(biāo)、海床基等多元監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成的海洋立體監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系, 可開展全方位、多尺度、長(zhǎng)時(shí)效的監(jiān)視監(jiān)測(cè), 保障海洋生態(tài)環(huán)境和安全。無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle, UAV)作為一種高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取以及海域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái), 以其靈活、高效的特點(diǎn)成為了海洋立體監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分。世界上不少國(guó)家都非常重視無(wú)人機(jī)在海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用, 早在2002年美國(guó)就將“捕食者”、“全球鷹”等大型無(wú)人機(jī)投入海洋應(yīng)用科學(xué)研究中, 搭載光電吊艙、對(duì)海雷達(dá)的“全球鷹”無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已成為美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)對(duì)美國(guó)海岸線巡查的常規(guī)機(jī)型; 在歐洲改進(jìn)型的“全球鷹”也頻繁出現(xiàn)在各國(guó)海域, 其應(yīng)用相對(duì)成熟; 2019年希臘海岸警衛(wèi)隊(duì)測(cè)試了美國(guó)通用原子能公司“海上守衛(wèi)者”MQ-9無(wú)人機(jī)的海上監(jiān)視能力, MQ-9搭載多模式海上搜索雷達(dá)和高清/全運(yùn)動(dòng)視頻光學(xué)和紅外傳感器, 海面搜索雷達(dá)系統(tǒng)可開展海上目標(biāo)連續(xù)跟蹤, 并將自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)發(fā)射器與雷達(dá)檢測(cè)相關(guān)聯(lián), 其逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar, ISAR)模式有助于識(shí)別和分類超出光學(xué)傳感器探測(cè)范圍的艦船, 高清/全運(yùn)動(dòng)視頻光學(xué)和紅外傳感器可對(duì)飛機(jī)周圍的大型和小型水面艦船進(jìn)行360°的遠(yuǎn)距離全天候?qū)崟r(shí)檢測(cè)和識(shí)別; 2020年日本海上保安廳為了引進(jìn)大型無(wú)人機(jī)作為海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn), 試驗(yàn)機(jī)型為“海上守衛(wèi)者”(MQ-9B)無(wú)人機(jī), 機(jī)身全長(zhǎng)11.7 m, 翼展24.0 m, 續(xù)航時(shí)間最多35 h, 搭載光電吊艙和對(duì)海雷達(dá), 通過(guò)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)和實(shí)時(shí)回傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 其作業(yè)半徑能覆蓋日本的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)。與國(guó)外相比, 我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展較為成熟, 尤其是輕小型無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用, 不少單位和學(xué)者利用無(wú)人機(jī)在海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)管[2-3]、海洋災(zāi)害監(jiān)視監(jiān)測(cè)[4-8]、海島礁測(cè)繪[9-11]、突發(fā)事件(溢油、危化品)應(yīng)急監(jiān)測(cè)[12]等方面開展技術(shù)研究與應(yīng)用示范。上述研究大多數(shù)采用的是小型無(wú)人機(jī), 其抗風(fēng)能力無(wú)法有效應(yīng)對(duì)海洋復(fù)雜多變的氣象條件[13], 遠(yuǎn)距離測(cè)控和大數(shù)據(jù)量信息傳輸制約大范圍實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的開展[14], 載荷量和飛機(jī)尺寸限制了多種類型傳感器協(xié)同工作的可能性。近年來(lái), 隨著軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn), 以“彩虹”“翼龍”為代表的中空長(zhǎng)航時(shí)大型無(wú)人機(jī)開始在民用領(lǐng)域嶄露頭角, 2015年中國(guó)航天科技集團(tuán)公司十一院在山東省煙臺(tái)市沿海地區(qū)成功實(shí)施了“藍(lán)色海鷗”“彩虹-4”無(wú)人機(jī)海洋示范應(yīng)用, 是我國(guó)首次大型中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)海洋示范應(yīng)用; 2020年中國(guó)氣象局采用騰盾科技公司的大型雙發(fā)長(zhǎng)航時(shí)“雙尾蝎”無(wú)人機(jī)攜帶氣象雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、光電偵察吊艙和溫濕壓探測(cè)器等多種氣象探測(cè)設(shè)備, 實(shí)施了臺(tái)風(fēng)海上觀測(cè)作業(yè), 達(dá)到預(yù)先設(shè)定目標(biāo)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn), 國(guó)外在大型無(wú)人機(jī)多載荷集成的海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用較為成熟, 而我國(guó)基于輕小型無(wú)人機(jī)的海洋監(jiān)測(cè)研究較為普遍, 只有近幾年基于大型無(wú)人機(jī)的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用才有公開報(bào)道。

針對(duì)海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求, 本文依托“海洋高端裝備技術(shù)創(chuàng)新工程”專項(xiàng), 以“彩虹-4型”(CH-4)無(wú)人機(jī)為平臺(tái)研究光電吊艙、合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等多任務(wù)載荷優(yōu)化集成、遠(yuǎn)距離無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)管及載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與位姿數(shù)據(jù)同步打包下傳等關(guān)鍵技術(shù), 通過(guò)在海南三亞市東部海域開展飛行實(shí)驗(yàn), 探索海洋監(jiān)測(cè)常規(guī)任務(wù)和應(yīng)急任務(wù)應(yīng)用模式, 驗(yàn)證了平臺(tái)集成方法的可行性以及平臺(tái)功能性能指標(biāo), 可為我國(guó)開展中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)工程化應(yīng)用提供新的解決方案。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有較高的要求, 通常要滿足“飛得到”“看得見”“飛得好”等基本條件?！帮w得到、飛得好”是前提, 即飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間要滿足工作要求, 以遠(yuǎn)海島礁測(cè)圖為例, 一般要求無(wú)人機(jī)作業(yè)半徑在1 000 km以上, 往返作業(yè)里程2 000 km以上, 續(xù)航時(shí)間要求不低于20 h, 同時(shí)在保證飛行安全的前提下, 盡可能獲取質(zhì)量較好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果?！翱吹靡姟笔顷P(guān)鍵, 即在海洋監(jiān)測(cè)過(guò)程中, 地面指揮中心能實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài), 載荷數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)回傳地面?；谏鲜黾夹g(shù)要求和項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo), 選用CH-4型中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī), 搭載對(duì)海雷達(dá)、光電吊艙、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等任務(wù)載荷, 并通過(guò)遙控遙測(cè)鏈路實(shí)時(shí)接收地面指揮艙指令, 控制任務(wù)載荷開展海上目標(biāo)識(shí)別、跟蹤, 海島礁測(cè)繪成圖等監(jiān)測(cè)任務(wù), 同時(shí)載荷數(shù)據(jù)又可通過(guò)遙控遙測(cè)鏈路實(shí)時(shí)回傳地面, 為指揮決策提供數(shù)據(jù)支撐。海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括無(wú)人機(jī)、任務(wù)載荷集成模塊、遙控遙測(cè)鏈路模塊、任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理模塊等, 總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。針對(duì)不同海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)需求, 系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)航線, 引導(dǎo)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù), 此時(shí)載荷設(shè)備可根據(jù)任務(wù)需求獲取不同類型數(shù)據(jù)。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)輔助對(duì)海雷達(dá)開展目標(biāo)搜索、跟蹤, 雷達(dá)方位坐標(biāo)信息引導(dǎo)光電吊艙聯(lián)動(dòng), 對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行查證分析, 并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳地面; 在對(duì)海島、灘涂等固定目標(biāo)進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)時(shí), 可利用光電吊艙、雷達(dá)分別獲取目標(biāo)區(qū)域不同時(shí)序的正射影像、SAR成像圖等測(cè)繪成果數(shù)據(jù), 為下一步開展目標(biāo)區(qū)域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架圖

2 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)與集成

2.1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

CH-4無(wú)人機(jī)是中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院在“彩虹-3”無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī), 目前在應(yīng)急測(cè)繪[15]、航空物探[16]、海事監(jiān)管[17]等領(lǐng)域, 以CH-4無(wú)人機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)應(yīng)用, 均取得了較好的效果。CH-4無(wú)人機(jī)機(jī)長(zhǎng)8.5 m, 高3.4 m, 翼展18 m, 最大起飛質(zhì)量1 330 kg, 載荷100 kg以下情況下可連續(xù)飛行30 h以上, 滿載345 kg情況下可飛行12 h, 具有裝載能力強(qiáng)、留空時(shí)間長(zhǎng)、使用半徑大、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn), 能夠滿足海洋監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)“飛得到”技術(shù)要求, 其主要性能指標(biāo)如下表1所示。通過(guò)CH-4無(wú)人機(jī)性能指標(biāo)可知, 與一般小型無(wú)人機(jī)相比, 其作業(yè)半徑更大, 在同等載荷條件下續(xù)航能力更強(qiáng)。除此之外, 可擴(kuò)展性強(qiáng)也是CH-4無(wú)人機(jī)的一大優(yōu)勢(shì), 目前在已公開的民用項(xiàng)目中, 其已集成了光學(xué)面陣相機(jī)、高光譜/多光譜傳感器、SAR、傾斜相機(jī)、雷達(dá)高度計(jì)、光泵磁力儀等, 結(jié)果表明CH-4無(wú)人機(jī)可兼容不同載荷的硬件接口及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

表1 CH-4型中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)主要性能指標(biāo)表

2.2 多任務(wù)載荷集成設(shè)計(jì)

結(jié)合任務(wù)規(guī)劃需求, 本平臺(tái)主要搭載對(duì)海多功能雷達(dá)、光電吊艙、船舶AIS三種載荷。機(jī)載對(duì)海雷達(dá)由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所所研制, 設(shè)備型號(hào)為JY-201(X), 質(zhì)量70 kg, 具備海面廣域搜索監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、條帶式合成孔徑成像等功能, 其主要性能指標(biāo)見表2。

光電吊艙采用北京星網(wǎng)宇達(dá)科技股份有限公司的SCA350型設(shè)備, 包括兩軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、圖像存儲(chǔ)模塊、圖像跟蹤器等部件, 主要用于目標(biāo)查證、跟蹤以及區(qū)域快速成圖等, 其內(nèi)部集成有FPGA芯片, 可實(shí)時(shí)對(duì)視頻圖像增強(qiáng)處理, 解決由于霧霾、光照不均等因素造成的圖像降質(zhì)問(wèn)題, 且增加了便于觀瞄的輔助功能, 便于后續(xù)的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤, 其主要參數(shù)見表3。

表2 JY-201(X)型對(duì)海雷達(dá)主要性能指標(biāo)表

表3 SCA350-RB02型光電吊艙主要性能指標(biāo)表

機(jī)載AIS用于接收海面船舶動(dòng)/靜態(tài)相關(guān)信息, 提高無(wú)人機(jī)的對(duì)海偵察能力, 由機(jī)載超短波天線、AIS接收機(jī)及高頻電纜組成, 其工作頻段為108～ 174 MHz, 偵收頻點(diǎn)為161.975 MHz和162.025 MHz。在作業(yè)過(guò)程中AIS接收天線接收AIS電磁信號(hào), 由AIS接收機(jī)解析AIS報(bào)文, AIS將收到的報(bào)文傳給飛管模塊, 再由飛管模塊發(fā)送給鏈路的收發(fā)組合單元, 然后下傳到指揮艙。在地面指揮艙內(nèi)的AIS海圖顯示軟件上可顯示船只的位置、航向、航速等信息, 同時(shí)也可以顯示無(wú)人機(jī)的位置、速度等信息, 更加直觀的顯示無(wú)人機(jī)與目標(biāo)船只的位置關(guān)系, 并通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)關(guān)閉或未安裝AIS系統(tǒng)的可疑船只。

在不增加載荷質(zhì)量的前提下, 優(yōu)化載荷設(shè)備選型及集成設(shè)計(jì), 滿足平臺(tái)續(xù)航時(shí)間、作業(yè)半徑及飛行安全要求。

1) 安裝設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí), 需同步獲取載荷的位置和姿態(tài)信息, 為了減輕載荷質(zhì)量, 本文并未集成高精度的定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system, POS), 而是利用飛機(jī)自身的組合慣導(dǎo)系統(tǒng)為載荷提供位姿信息, 因此在載荷安裝時(shí)必須剛性固聯(lián)于飛機(jī)平臺(tái)上, 以保證位姿信息的有效性, 不能借助運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償穩(wěn)定平臺(tái)。光電吊艙安裝時(shí)要求視場(chǎng)范圍內(nèi)不受安裝結(jié)構(gòu)件和飛機(jī)腹部蓋板的遮擋, 將其安裝在機(jī)腹最前方的位置; 根據(jù)對(duì)海雷達(dá)側(cè)視的作業(yè)模式, 將其天線安裝在機(jī)腹中部右側(cè)位置, AIS天線朝下安裝, 雷達(dá)及AIS功能模塊安裝在機(jī)腹內(nèi)部, 安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2) 電氣設(shè)計(jì)

為了保證機(jī)上供電安全, 在電氣設(shè)計(jì)時(shí)由CH-4無(wú)人機(jī)提供一個(gè)總的供電轉(zhuǎn)接頭, 通過(guò)電源轉(zhuǎn)接線

圖2 多任務(wù)載荷集成實(shí)物圖

分出3路分別給光電吊艙、對(duì)海雷達(dá)、AIS供電。供電轉(zhuǎn)接頭具有短路保護(hù)功能, 可在任務(wù)載荷發(fā)生意外故障、出現(xiàn)短路時(shí)自動(dòng)切斷無(wú)人機(jī)對(duì)載荷系統(tǒng)的供電, 最大限度保護(hù)無(wú)人機(jī)的安全飛行。CH-4無(wú)人機(jī)供電單元對(duì)載荷的最大輸出功率為644 W, 本平臺(tái)中光電吊艙功耗為18 W, AIS功耗為10 W, 對(duì)海雷達(dá)功耗180 W, 總功耗為208 W, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CH-4的最大輸出功率。

3) 電磁兼容性設(shè)計(jì)

載荷功能模塊工作時(shí)往往處于復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中, 因此必須進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì), 本文采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式降低電磁干擾, 保證載荷設(shè)備和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)正常兼容工作。對(duì)海雷達(dá)功率較大對(duì)飛機(jī)電磁干擾也較大, 在其機(jī)腹內(nèi)部模塊覆蓋錫箔紙, 屏蔽內(nèi)部輻射; 衛(wèi)星通信大功率發(fā)射設(shè)備安裝在機(jī)頭前方, 遠(yuǎn)離其他信號(hào)接收設(shè)備, 同時(shí)盡可能保證電源線與信號(hào)線不交叉。實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 載荷電纜走線(a)、覆蓋有錫紙的內(nèi)部載荷模塊安裝蓋(b)

2.3 遙控遙測(cè)鏈路設(shè)計(jì)

在海洋監(jiān)測(cè)過(guò)程中, “看得見”是關(guān)鍵, 不僅要求地面指揮中心實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài), 還要能夠做到載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。受限于載荷能力, 小型無(wú)人機(jī)通常只能搭載數(shù)傳電臺(tái)和圖傳電臺(tái)[18]實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)近距離的通信和數(shù)據(jù)傳輸, 而CH-4無(wú)人機(jī)可搭載衛(wèi)星通信(以下簡(jiǎn)稱衛(wèi)通)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。為了滿足載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)大范圍傳輸需求, 本文設(shè)計(jì)了雙鏈路模式, 即同時(shí)搭載視距和衛(wèi)通鏈路, 遙控遙測(cè)鏈路示意圖如下圖4所示。在通視條件下視距鏈路的最大測(cè)控距離為200 km, 是飛機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)地面指揮艙的通信鏈路, 衛(wèi)通鏈路可實(shí)現(xiàn)2 000 km以上的遠(yuǎn)距離通信, 衛(wèi)通地面接收站部署在海洋指揮中心, 可實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收。

圖4 遙控遙測(cè)鏈路示意圖

衛(wèi)通系統(tǒng)分為機(jī)載端和地面端, 其中機(jī)載端包括機(jī)載動(dòng)中通天線、機(jī)載調(diào)制解調(diào)器、機(jī)載功放等; 地面端包括地面衛(wèi)通天線、衛(wèi)通業(yè)務(wù)調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)處理終端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等, 其主要性能參數(shù)如表4所示, 實(shí)際安裝如圖5所示。為了將載荷數(shù)據(jù)打包下傳, 專門設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集板卡, 該板卡同時(shí)接入載荷設(shè)備接口和慣導(dǎo)接口, 利用慣導(dǎo)脈沖信號(hào)為載荷數(shù)據(jù)記錄時(shí)間標(biāo)識(shí), 從根本上消除無(wú)線傳輸延時(shí)帶來(lái)的誤差, 優(yōu)化載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的時(shí)間同步精度。

表4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)表

圖5 機(jī)載動(dòng)中通天線安裝實(shí)物圖

2.4 載荷通信接口設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)對(duì)海監(jiān)測(cè)過(guò)程中要求地面指揮艙能實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀況, 無(wú)人機(jī)能向地面指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳載荷和飛行數(shù)據(jù), 地面指揮系統(tǒng)也可根據(jù)需要向無(wú)人機(jī)發(fā)送指令來(lái)控制飛行和載荷作業(yè)。多任務(wù)載荷通信接口包括向光電吊艙、對(duì)海雷達(dá)、AIS等載荷設(shè)備發(fā)送控制指令的上行鏈路接口和接收三種載荷作業(yè)數(shù)據(jù)以及飛控信息的下行鏈路接口。上行鏈路通信采用一對(duì)一模式, 即視距和衛(wèi)通鏈路地面指揮站各自只有一個(gè)端口能上傳指令, 為了安全起見, 還各自設(shè)計(jì)了一個(gè)備用端口。用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳的下行鏈路采用一對(duì)多模式, 即一個(gè)載荷數(shù)據(jù)可通過(guò)組播形式分發(fā)給多個(gè)地址接收, 這樣就可以滿足不同設(shè)備同時(shí)接收數(shù)據(jù)的需求。另外為了實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)的同步下傳, 在機(jī)載端需要對(duì)載荷數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)同步打包下傳, 用自定義標(biāo)識(shí)符加以區(qū)分, 在地面接收端通過(guò)解析每包數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符分離載荷數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)[19], 消除回傳數(shù)據(jù)時(shí)間不同步為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)位置偏差, 機(jī)上載荷通信接口設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 機(jī)上載荷通信接口設(shè)計(jì)圖

3 軟件模塊

地面指揮艙主要集成了無(wú)人機(jī)飛行監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理兩大軟件系統(tǒng), 飛行監(jiān)控系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)飛行控制及飛行狀態(tài)監(jiān)管, 任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃、載荷數(shù)據(jù)接收與處理、多源監(jiān)測(cè)信息顯示、數(shù)據(jù)成果存儲(chǔ)管理等。

3.1 任務(wù)規(guī)劃

海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)一般分為常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)[20]。常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)主要包括用海規(guī)劃、海岸線及沿海灘涂監(jiān)測(cè)等。這類任務(wù)所需數(shù)據(jù)通常為正射影像、視頻數(shù)據(jù)等, 其任務(wù)規(guī)劃可采用航攝設(shè)計(jì)方案獲取滿足旁向重疊度要求[21]的可見光視頻數(shù)據(jù), 最終提取關(guān)鍵幀拼接為整體影像。應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)針對(duì)突發(fā)緊急事件, 需要快速作出響應(yīng)。這類任務(wù)需要將現(xiàn)場(chǎng)畫面以視頻、圖像形式實(shí)時(shí)回傳指揮中心或利用雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤, 其任務(wù)規(guī)劃沒(méi)有明確方案, 需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)修改航線或根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)航向?qū)崟r(shí)修正自身航線。任務(wù)規(guī)劃是海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)“飛得好”的前提, CH-4飛行控制軟件可以實(shí)時(shí)規(guī)劃飛行航線, 但其無(wú)法進(jìn)行航空攝影測(cè)量的航線設(shè)計(jì), 因此本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合航線設(shè)計(jì)算法[22]二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字高程模型的無(wú)人機(jī)航線自適應(yīng)設(shè)計(jì)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)光電吊艙載荷接口下傳的數(shù)據(jù)流中不僅包括可見光、紅外視頻碼流, 還包括同一時(shí)刻獲取的遙測(cè)數(shù)據(jù), 軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)包幀頭的標(biāo)識(shí)符區(qū)分可見光、紅外和遙測(cè)數(shù)據(jù), 其中視頻流通過(guò)解碼模塊獲取每幀影像, 遙測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)飛控解析協(xié)議得到位置和姿態(tài)信息, 最后通過(guò)視頻流地理編碼[23]技術(shù)建立每幀影像與位姿數(shù)據(jù)的一一映射關(guān)系, 為視頻幀正射糾正及拼接處理提供地理參考。在拼接之前, 由于視頻冗余度較高, 需要對(duì)視頻進(jìn)行抽幀處理, 提取滿足重疊度的視頻幀參與拼接, 這些視頻幀稱為關(guān)鍵幀, 關(guān)鍵幀的提取采用固定重疊度方法進(jìn)行, 即每幀關(guān)鍵幀都滿足一定的重疊度要求, 相鄰視頻幀之間的航向重疊度可采用式(1)計(jì)算:

其中,為相鄰視頻幀中心點(diǎn)之間的地面距離, 可通過(guò)定位定姿信息中的坐標(biāo)計(jì)算;為傳感器焦距;、w分別是視頻幀航向像素個(gè)數(shù)和像素物理尺寸;為視頻幀獲取時(shí)刻的相對(duì)航高。按照上述算法可獲取滿足重疊度要求的視頻關(guān)鍵幀, 下一步利用Photo-Scan軟件對(duì)其進(jìn)行拼接處理, 獲取目標(biāo)區(qū)域整幅影像。

對(duì)海雷達(dá)將鎖定目標(biāo)的距離、方位、速度等信息實(shí)時(shí)回傳地面, 軟件系統(tǒng)利用雷達(dá)引導(dǎo)視頻聯(lián)動(dòng)算法[24]自動(dòng)計(jì)算出目標(biāo)在雷達(dá)-視頻聯(lián)動(dòng)模型中對(duì)應(yīng)的光電吊艙方位角和俯仰角, 通過(guò)上傳鏈路發(fā)送控制指令, 引導(dǎo)光電吊艙鎖定目標(biāo), 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)復(fù)核。利用對(duì)海雷達(dá)設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)條帶和聚束兩種模式下SAR成像處理, 包括單景單極化與全極化圖像的幾何校正以及多景圖像的校正、拼接、地理編碼等。任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的作業(yè)流程, 如圖7所示。

圖7 任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 地面測(cè)試

載荷集成之后, 需要開展地面聯(lián)調(diào)測(cè)試, 主要測(cè)試電磁兼容性、載荷工作狀態(tài)、鏈路通信情況等, 首先進(jìn)行地面通電測(cè)試, 各項(xiàng)指標(biāo)通過(guò)后再開展地面著車測(cè)試。地面通電測(cè)試是由外接電源對(duì)飛機(jī)進(jìn)行供電, 測(cè)試載荷全狀態(tài)工作條件下是否會(huì)相互干擾、鏈路通信是否正常, 本平臺(tái)進(jìn)行了48 h不間斷供電測(cè)試, 期間未發(fā)生載荷故障, 數(shù)據(jù)傳輸正常無(wú)間斷。之后又進(jìn)行了地面著車測(cè)試, 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)對(duì)載荷設(shè)備的影響以及載荷供電穩(wěn)定性, 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)12 h的著車測(cè)試驗(yàn)證了載荷集成的可靠性, 滿足飛行測(cè)試要求。

4.2 飛行測(cè)試

4.2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

為了驗(yàn)證該平臺(tái)作業(yè)半徑、續(xù)航能力以及載荷作業(yè)性能指標(biāo)等, 本文開展了飛行試驗(yàn), 試驗(yàn)區(qū)位于海南省三亞市東部海域, 東起分界洲島海域, 西至蜈支洲島海域, 東西長(zhǎng)107 km, 南北寬70 km, 測(cè)區(qū)包括分界洲島、蜈支洲島等海島, 海岸線灘涂、人工建筑設(shè)施等。

4.2.2 航線設(shè)計(jì)

常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)包括分界洲島可見光/紅外視頻成圖、條帶模式下的海岸帶SAR成圖。光電吊艙可見光為變焦鏡頭, 焦距范圍為4.3～129 mm, 設(shè)計(jì)地面分辨率為0.5 m, 旁向重疊度為35%, 根據(jù)攝影比例尺公式反算焦距為11.5 mm, 因此在飛行作業(yè)中需要將可見光焦距鎖定為11.5 mm。紅外鏡頭為定焦鏡頭, 焦距為30 mm, 成像單元物理尺寸為18 μm, 設(shè)計(jì)地面分辨率為0.5 m, 旁向重疊度35%, 按照航攝比例尺式(2)計(jì)算航高為820 m, 共敷設(shè)11條航線。

式中,為焦距,為成像單元物理尺寸,為地面分辨率,為設(shè)計(jì)航高。

由于對(duì)海雷達(dá)天線與垂直方向的夾角為85°～ 88°, 為了滿足水平探測(cè)距離為50 km的要求, 根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算飛行航高在2 620～4 374 m, 而作業(yè)區(qū)域的空域管控為3 500 m以下, 因此在SAR條帶成像模式, 本文設(shè)計(jì)定高3 000 m飛行, 采用右側(cè)式作業(yè)方式。具體航線設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)光電吊艙航線設(shè)計(jì)

應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)模擬飛機(jī)從某機(jī)場(chǎng)起飛到目標(biāo)海域開展船只搜索、識(shí)別、查證與跟蹤等, 其航線設(shè)計(jì)為從機(jī)場(chǎng)到目標(biāo)海域?yàn)楣潭ê骄€, 到達(dá)目標(biāo)海域后進(jìn)行大半徑繞飛, 操控對(duì)海雷達(dá)搜索目標(biāo)船只, 鎖定跟蹤。應(yīng)急監(jiān)測(cè)實(shí)際飛行航跡如圖9所示。藍(lán)色軌跡為指揮艙在飛行前規(guī)劃的輔助飛行航線, 紅色為實(shí)際作業(yè)飛行航跡, 包括紅色矩形框的繞飛航跡和長(zhǎng)條狀折返航跡。

圖9 應(yīng)急監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)規(guī)劃航跡結(jié)果

4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

視距指揮艙部署在三亞市某機(jī)場(chǎng), 距離試驗(yàn)區(qū)最遠(yuǎn)距離190 km, 衛(wèi)通便攜式地面站部署在青島海洋實(shí)驗(yàn)室, 距離試驗(yàn)區(qū)2 300 km, 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中, 地面接收站與飛機(jī)之間通訊正常, 無(wú)中斷, 光電吊艙獲取的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳地面。任務(wù)規(guī)劃航時(shí)約4.5 h, 為了驗(yàn)證平臺(tái)續(xù)航能力, 在完成任務(wù)規(guī)劃航線繼續(xù)在試驗(yàn)區(qū)繞飛, 總載荷質(zhì)量為137 kg, 理論續(xù)航25 h, 實(shí)際飛行22 h后安全降落。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知, 該海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)的作業(yè)半徑、續(xù)航能力、通信距離均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求, 平臺(tái)實(shí)際飛行及數(shù)據(jù)回傳地面指揮艙如圖10所示。圖10a為CH-4無(wú)人機(jī)起飛和降落時(shí)的畫面, 圖10b為指揮艙內(nèi)載荷監(jiān)控席位實(shí)時(shí)畫面, 其中最上方屏幕為AIS實(shí)時(shí)畫面, 中間屏幕為光電吊艙紅外模式目標(biāo)鎖定跟蹤實(shí)時(shí)畫面。

針對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)獲取的分界洲島可見光、紅外視頻數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的遙測(cè)數(shù)據(jù), 開展遙測(cè)數(shù)據(jù)解析、紅外視頻增強(qiáng)、視頻關(guān)鍵幀提取、視頻地理編碼、關(guān)鍵幀拼接等處理, 得到分界洲島可見光及紅外

圖10 CH-4無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行作業(yè)圖(a)及實(shí)時(shí)回傳軟件界面(b)

視頻拼接全圖, 如圖11所示。由處理結(jié)果可以看出, 分界洲島全貌可見光和紅外視頻影像獲取清晰, 由于沒(méi)有在地面布設(shè)控制點(diǎn), 選擇借助國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)天地圖衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)評(píng)估成果精度。首先將拼接成果疊加在三維地理信息平臺(tái)中, 以天地圖衛(wèi)星遙感影像地圖為基準(zhǔn), 均勻選取同名地物點(diǎn)進(jìn)行平面距離量測(cè), 分析其中誤差, 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表5所示。

在無(wú)控制條件下可見光拼接影像, 如下圖11所示, 其相對(duì)坐標(biāo)中誤差為15.35 m, 紅外拼接影像相對(duì)中誤差為21.09 m。

圖11 分界洲島可見光(a)、紅外(b)視頻拼接效果

表5 試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)表(單位: m)

對(duì)海雷達(dá)條帶成像模式對(duì)海岸線目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測(cè), 獲取SAR數(shù)據(jù), 經(jīng)過(guò)輻射校正、地理編碼、幾何糾正、拼接等處理得到目標(biāo)區(qū)域SAR成像結(jié)果, 部分成果及局部放大圖如下圖12所示, SAR成像清晰無(wú)噪點(diǎn), 條帶寬度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求, 坐標(biāo)相對(duì)中誤差為6.30 m。

圖12 對(duì)海雷達(dá)條帶模式下成像結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知, 常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)獲取的分界洲島可見光及紅外視頻、沿海灘涂SAR成像數(shù)據(jù)質(zhì)量合格, 且在無(wú)控制點(diǎn)條件下拼接結(jié)果坐標(biāo)相對(duì)中誤差較小, 能夠用于下一步的海洋監(jiān)測(cè)分析, 滿足“飛得好”技術(shù)要求。

在應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中, 開啟雷達(dá)對(duì)海跟蹤監(jiān)視模式對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測(cè), 獲取船只的距離、方位、速度、航向等信息, 飛機(jī)朝目標(biāo)船只方向飛行, 對(duì)海雷達(dá)跟蹤目標(biāo)并將獲取信息實(shí)時(shí)回傳地面。軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)在雷達(dá)-視頻聯(lián)動(dòng)模型中對(duì)應(yīng)的光電吊艙方位角和俯仰角, 進(jìn)而引導(dǎo)光電吊艙鎖定目標(biāo)船只, 拍攝取證, 監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖13所示, 從圖中可以看出對(duì)海雷達(dá)(圖13a)能夠同時(shí)跟蹤多個(gè)船只目標(biāo), 并顯示其方位、距離、航速等信息; 雷達(dá)-視頻聯(lián)動(dòng)模式下, 光電吊艙可輕松鎖定目標(biāo)船只(圖13b、圖13c), 便于拍攝取證; AIS可顯示目標(biāo)船只與飛機(jī)位置關(guān)系, 輔助搜索跟蹤。

圖13 對(duì)海雷達(dá)條帶模式下成像結(jié)果

5 結(jié)論

圍繞海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求, 利用設(shè)計(jì)集成的海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)開展多個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)試驗(yàn), 驗(yàn)證了該平臺(tái)是解決海洋監(jiān)測(cè)長(zhǎng)航時(shí)、大范圍作業(yè)的有效技術(shù)裝備。

1) 針對(duì)海洋監(jiān)測(cè)長(zhǎng)航時(shí)指標(biāo)要求, 優(yōu)化載荷設(shè)備選型, 實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)載荷的優(yōu)化集成, 平臺(tái)續(xù)航時(shí)間大于22 h, 作業(yè)半徑為2 000 km, 從就近機(jī)場(chǎng)起飛, 能覆蓋中國(guó)大部分遠(yuǎn)海島礁及海域。

2) 為了提高海洋監(jiān)測(cè)過(guò)程無(wú)人機(jī)通信距離, 設(shè)計(jì)了視距與衛(wèi)通雙鏈路模式, 根據(jù)作業(yè)距離自動(dòng)切換鏈路, 實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離全航程的是實(shí)時(shí)監(jiān)管以及載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。針對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)處理需求, 設(shè)計(jì)了載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的同步打包下傳板卡, 實(shí)現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的無(wú)控地理編碼處理。

3) 針對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)任務(wù)獲取了分界洲島可見光和紅外視頻數(shù)據(jù), 并進(jìn)行了地理編碼、拼接處理, 驗(yàn)證了成圖精度, 在應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中對(duì)海雷達(dá)獲取了目標(biāo)船只的距離、方位、速度、航向等信息, 雷達(dá)-視頻聯(lián)動(dòng)模式下, 光電吊艙鎖定了目標(biāo)船只, 用于拍攝取證。

在下一步研究工作中, 將繼續(xù)開展高光譜、激光雷達(dá)等多任務(wù)載荷協(xié)同監(jiān)測(cè)研究, 為開展海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)應(yīng)用做好技術(shù)準(zhǔn)備, 同時(shí)還需進(jìn)一步挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果應(yīng)用價(jià)值, 充分發(fā)揮CH-4無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì),強(qiáng)化海洋立體監(jiān)測(cè)體系。

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Design and verification of a marine monitoring system plat-form based on CH-4 UAV

ZHU Zhen-yu, ZHOU Nai-en, HE Shao-shuai

(Pilot National Laboratory for Science and Technology, Shandong University, Qingdao 266235, China)

medium altitude long endurance; unmanned aerial vehicle (UAV); marine monitoring platform; multi-task payload; integrated design

Based on the CH-4 medium-altitude long-endurance UAV, we designed the load installation, electrical interface, and electromagnetic compatibility, and realized the optimized integration of multitask loads such as a photoelectric pod, sea radar, and AIS.We formed a complete set of marine monitoring platform software and hardware systems through the research on key technologies such as developing long-distance UAV communication, the real-time synchronous return of load data with attitude information, and data processing.Finally, long-term ground tests and long-distance flight tests were conducted in the eastern waters of Sanya, Hainan, and conventional and emergency marine monitoring application modes were investigated based on the application scenario and urgency of the job to validate the platform’s design indicators.The platform endurance exceeded 22 h, the operating communication distance exceeded 2300 km, and the imaging accuracies of visible light, infrared, and SAR imaging under uncontrolled conditions were 15.35, 21.09, and 6.30 m, respectively.To summarize, the platform can meet the technical requirements of marine monitoring while also being useful in practice.

Aug.12, 2021

[Marine S&T Fund of Shandong Province for Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), No.2018SDKJ0203]

P715.7

A

1000-3096(2022)03-0122-13

10.11759/hykx20210812001

2021-08-12;

2021-10-28

山東省支持青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室重大科技專項(xiàng)(2018SDKJ0203)

朱振宇(1985—), 男, 浙江臺(tái)州人, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要從事無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、無(wú)人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究, 電話: 15311815927, E-mail: ch_zhuzhenyu@163.com

(本文編輯: 叢培秀)