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)。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。

無人機(jī)(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”無人機(jī)系統(tǒng)已成為美國(guó)國(guó)家航空航天局(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)(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)(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)無人機(jī)，機(jī)身全長(zhǎng)11.7m，翼展24.0m，續(xù)航時(shí)間最多35h，搭載光電吊艙和對(duì)海雷達(dá)，通過衛(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)的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展較為成熟，尤其是輕小型無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用，不少單位和學(xué)者利用無人機(jī)在海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)管、海洋災(zāi)害監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海島礁測(cè)繪、突發(fā)事件(溢油、危化品)應(yīng)急監(jiān)測(cè)等方面開展技術(shù)研究與應(yīng)用示范。上述研究大多數(shù)采用的是小型無人機(jī)，其抗風(fēng)能力無法有效應(yīng)對(duì)海洋復(fù)雜多變的氣象條件，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，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。

“彩虹-4”無人機(jī)，圖片來自網(wǎng)絡(luò)

近年來，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)。通過國(guó)內(nèi)外無人機(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)無人機(jī)為平臺(tái)研究光電吊艙、合成孔徑雷達(dá)(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)無人機(jī)海洋監(jiān)測(cè)工程化應(yīng)用提供新的解決方案。

一、平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)無人機(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，一般要求無人機(jī)作業(yè)半徑在1000km以上，往返作業(yè)里程2000km以上，續(xù)航時(shí)間要求不低于20h，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。“看得見”是關(guān)鍵，即在海洋監(jiān)測(cè)過程中，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。基于上述技術(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。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架圖

海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括無人機(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)。

二、平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)與集成

⒈無人機(jī)簡(jiǎn)介

CH-4無人機(jī)是中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院在“彩虹-3”無人機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，目前在應(yīng)急測(cè)繪、航空物探、海事監(jiān)管等領(lǐng)域，以CH-4無人機(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無人機(jī)機(jī)長(zhǎng)8.5m，高3.4m，翼展18m，最大起飛質(zhì)量1330kg，載荷100kg以下情況下可連續(xù)飛行30h以上，滿載345kg情況下可飛行12h，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。

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

通過CH-4無人機(jī)性能指標(biāo)可知，與一般小型無人機(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。

⒉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70kg，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。

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

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108～174MHz，偵收頻點(diǎn)為161.975MHz和162.025MHz。

在作業(yè)過程中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)也可以顯示無人機(jī)的位置、速度等信息，更加直觀的顯示無人機(jī)與目標(biāo)船只的位置關(guān)系，并通過對(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。

⑴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)(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。

圖2 多任務(wù)載荷集成實(shí)物圖

⑵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無人機(jī)提供一個(gè)總的供電轉(zhuǎn)接頭，通過電源轉(zhuǎn)接線分出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)切斷無人機(jī)對(duì)載荷系統(tǒng)的供電，最大限度保護(hù)無人機(jī)的安全飛行。CH-4無人機(jī)供電單元對(duì)載荷的最大輸出功率為644W，本平臺(tái)中光電吊艙功耗為18W，AIS功耗為10W，對(duì)海雷達(dá)功耗180W，總功耗為208W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CH-4的最大輸出功率。

⑶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)

⒊遙控遙測(cè)鏈路設(shè)計(jì)

在海洋監(jiān)測(cè)過程中，“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，小型無人機(jī)通常只能搭載數(shù)傳電臺(tái)和圖傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)近距離的通信和數(shù)據(jù)傳輸，而CH-4無人機(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200km，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)2000km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)，從根本上消除無線傳輸延時(shí)帶來的誤差，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

⒋載荷通信接口設(shè)計(jì)

在無人機(jī)對(duì)海監(jiān)測(cè)過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)需要向無人機(jī)發(fā)送指令來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)，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

三、軟件模塊

地面指揮艙主要集成了無人機(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。

⒈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)。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)算法二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字高程模型的無人機(jī)航線自適應(yīng)設(shè)計(jì)。

⒉數(shù)據(jù)處理

通過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，最后通過視頻流地理編碼技術(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⑴計(jì)算：

p＝1－（S/（W×μ_w×H/f），⑴

其中，S為相鄰視頻幀中心點(diǎn)之間的地面距離，可通過定位定姿信息中的坐標(biāo)計(jì)算；f為傳感器焦距；W、μ_w分別是視頻幀航向像素個(gè)數(shù)和像素物理尺寸；H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PhotoScan軟件對(duì)其進(jìn)行拼接處理，獲取目標(biāo)區(qū)域整幅影像。

圖7 任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理流程

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。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

⒈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48h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)過長(zhǎng)達(dá)12h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。

⒉飛行測(cè)試

⑴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)107km，南北寬70km，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。

⑵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4.3～129mm，設(shè)計(jì)地面分辨率為0.5m，旁向重疊度為35%，根據(jù)攝影比例尺公式反算焦距為11.5mm，因此在飛行作業(yè)中需要將可見光焦距鎖定為11.5mm。紅外鏡頭為定焦鏡頭，焦距為30mm，成像單元物理尺寸為18μm，設(shè)計(jì)地面分辨率為0.5m，旁向重疊度35%，按照航攝比例尺式⑵計(jì)算航高為820m，共敷設(shè)11條航線。

f/H＝μ/D   ⑵

式中，f為焦距，μ為成像單元物理尺寸，D為地面分辨率，H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50km的要求，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算飛行航高在2620～4374m，而作業(yè)區(qū)域的空域管控為3500m以下，因此在SAR條帶成像模式，本文設(shè)計(jì)定高3000m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

⑶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190km，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)2300km，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，地面接收站與飛機(jī)之間通訊正常，無中斷，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4.5h，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137kg，理論續(xù)航25h，實(shí)際飛行22h后安全降落。通過試驗(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。

   (a)                              (b)

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

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視頻拼接全圖，如圖11所示。

    (a)                                (b)

 圖11 分界洲島可見光(a)、紅外(b)視頻拼接效果

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。

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

在無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15.35m，紅外拼接影像相對(duì)中誤差為21.09m。

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6.30m。

圖12 對(duì)海雷達(dá)條帶模式下成像結(jié)果

通過試驗(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

五、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。

⑴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22h，作業(yè)半徑為2000km，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。

⑵為了提高海洋監(jiān)測(cè)過程無人機(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)的無控地理編碼處理。

⑶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無人機(jī)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化海洋立體監(jiān)測(cè)體系。

來源：溪流之海洋人生