中国是一个毗邻太平洋的海洋大国，海域广袤、海岸线漫长、岛屿众多，海洋对于国家经济社会、生态环境和国防建设具有重要的战略意义。国家“十三五”规划中明确提出，要统筹规划国家海洋观(监)测网布局，推进国家海洋环境实时在线监控系统和海外观(监)测系统建设，逐步形成全球海洋立体观监测系统。目前中国已经构建了由卫星、飞机、车辆、船舶、岸基、岛基、油气平台基、浮标、海床基等多元监测平台组成的海洋立体监视监测体系，可开展全方位、多尺度、长时效的监视监测，保障海洋生态环境和安全。

无人机(UAV)作为一种高分辨率遥感数据获取以及海域实时动态监测平台，以其灵活、高效的特点成为了海洋立体监视监测体系的重要组成部分。世界上不少国家都非常重视无人机在海洋监测中的应用，早在2002年美国就将“捕食者”、“全球鹰”等大型无人机投入海洋应用科学研究中，搭载光电吊舱、对海雷达的“全球鹰”无人机系统已成为美国国家航空航天局(NASA)对美国海岸线巡查的常规机型；在欧洲改进型的“全球鹰”也频繁出现在各国海域，其应用相对成熟；2019年希腊海岸警卫队测试了美国通用原子能公司“海上守卫者”MQ-9无人机的海上监视能力，MQ-9搭载多模式海上搜索雷达和高清/全运动视频光学和红外传感器，海面搜索雷达系统可开展海上目标连续跟踪，并将自动识别系统(AIS)发射器与雷达检测相关联，其逆合成孔径雷达(ISAR)模式有助于识别和分类超出光学传感器探测范围的舰船，高清/全运动视频光学和红外传感器可对飞机周围的大型和小型水面舰船进行360°的远距离全天候实时检测和识别；2020年日本海上保安厅为了引进大型无人机作为海洋监测平台进行了试验，试验机型为“海上守卫者”(MQ-9B)无人机，机身全长11.7m，翼展24.0m，续航时间最多35h，搭载光电吊舱和对海雷达，通过卫星传输系统即可远程操控无人机和实时回传监测数据，其作业半径能覆盖日本的专属经济区。

与国外相比，我国的无人机技术发展较为成熟，尤其是轻小型无人机在各个领域都广泛应用，不少单位和学者利用无人机在海域使用动态监管、海洋灾害监视监测、海岛礁测绘、突发事件(溢油、危化品)应急监测等方面开展技术研究与应用示范。上述研究大多数采用的是小型无人机，其抗风能力无法有效应对海洋复杂多变的气象条件，远距离测控和大数据量信息传输制约大范围实时动态监测的开展，载荷量和飞机尺寸限制了多种类型传感器协同工作的可能性。

“彩虹-4”无人机，图片来自网络

近年来，随着军民融合发展战略的持续推进，以“彩虹”“翼龙”为代表的中空长航时大型无人机开始在民用领域崭露头角，2015年中国航天科技集团公司十一院在山东省烟台市沿海地区成功实施了“蓝色海鸥”“彩虹-4”无人机海洋示范应用，是我国首次大型中空长航时无人机系统海洋示范应用；2020年中国气象局采用腾盾科技公司的大型双发长航时“双尾蝎”无人机携带气象雷达、激光测风雷达、光电侦察吊舱和温湿压探测器等多种气象探测设备，实施了台风海上观测作业，达到预先设定目标。通过国内外无人机海洋监测平台对比可以发现，国外在大型无人机多载荷集成的海洋监测应用较为成熟，而我国基于轻小型无人机的海洋监测研究较为普遍，只有近几年基于大型无人机的海洋监测平台应用才有公开报道。

针对海洋监测应用需求，本文依托“海洋高端装备技术创新工程”专项，以“彩虹-4型”(CH-4)无人机为平台研究光电吊舱、合成孔径雷达(SAR)、船舶自动识别系统等多任务载荷优化集成、远距离无人机实时监管及载荷数据实时回传、监测数据与位姿数据同步打包下传等关键技术，通过在海南三亚市东部海域开展飞行实验，探索海洋监测常规任务和应急任务应用模式，验证了平台集成方法的可行性以及平台功能性能指标，可为我国开展中空长航时无人机海洋监测工程化应用提供新的解决方案。

一、平台总体设计

海洋监测平台对无人机系统有较高的要求，通常要满足“飞得到”“看得见”“飞得好”等基本条件。“飞得到、飞得好”是前提，即飞机的续航时间要满足工作要求，以远海岛礁测图为例，一般要求无人机作业半径在1000km以上，往返作业里程2000km以上，续航时间要求不低于20h，同时在保证飞行安全的前提下，尽可能获取质量较好的监测数据成果。“看得见”是关键，即在海洋监测过程中，地面指挥中心能实时监控无人机飞行状态，载荷数据能实时回传地面。基于上述技术要求和项目设计目标，选用CH-4型中空长航时无人机，搭载对海雷达、光电吊舱、船舶自动识别系统等任务载荷，并通过遥控遥测链路实时接收地面指挥舱指令，控制任务载荷开展海上目标识别、跟踪，海岛礁测绘成图等监测任务，同时载荷数据又可通过遥控遥测链路实时回传地面，为指挥决策提供数据支撑。

图1 总体设计框架图

海洋监测平台主要包括无人机、任务载荷集成模块、遥控遥测链路模块、任务规划与数据处理模块等，总体设计框架图如图1所示。针对不同海洋监测任务需求，系统需要根据任务规划软件设计相应航线，引导无人机系统执行相关任务，此时载荷设备可根据任务需求获取不同类型数据。船舶自动识别系统辅助对海雷达开展目标搜索、跟踪，雷达方位坐标信息引导光电吊舱联动，对目标信息进行查证分析，并将相关数据实时回传地面；在对海岛、滩涂等固定目标进行常规监测时，可利用光电吊舱、雷达分别获取目标区域不同时序的正射影像、SAR成像图等测绘成果数据，为下一步开展目标区域动态变化监测提供基础数据。