二、平台硬件设计与集成
⒈无人机简介
CH-4无人机是中国航天空气动力技术研究院在“彩虹-3”无人机基础上研发的一种中空长航时无人机，目前在应急测绘、航空物探、海事监管等领域，以CH-4无人机为平台进行的系统集成设计应用，均取得了较好的效果。CH-4无人机机长8.5m，高3.4m，翼展18m，最大起飞质量1330kg，载荷100kg以下情况下可连续飞行30h以上，满载345kg情况下可飞行12h，具有装载能力强、留空时间长、使用半径大、可扩展性强等特点，能够满足海洋监测无人机“飞得到”技术要求，其主要性能指标如下表1所示。
表1 CH-4型中空长航时无人机飞行平台主要性能指标表
通过CH-4无人机性能指标可知，与一般小型无人机相比，其作业半径更大，在同等载荷条件下续航能力更强。除此之外，可扩展性强也是CH-4无人机的一大优势，目前在已公开的民用项目中，其已集成了光学面阵相机、高光谱/多光谱传感器、SAR、倾斜相机、雷达高度计、光泵磁力仪等，结果表明CH-4无人机可兼容不同载荷的硬件接口及数据传输协议。
⒉多任务载荷集成设计
结合任务规划需求，本平台主要搭载对海多功能雷达、光电吊舱、船舶AIS三种载荷。机载对海雷达由中国电子科技集团公司第三十八研究所所研制，设备型号为JY-201(X)，质量70kg，具备海面广域搜索监测、运动目标监测、条带式合成孔径成像等功能，其主要性能指标见表2。
光电吊舱采用北京星网宇达科技股份有限公司的SCA350型设备，包括两轴陀螺稳定平台、可见光摄像机、红外热像仪、图像存储模块、图像跟踪器等部件，主要用于目标查证、跟踪以及区域快速成图等，其内部集成有FPGA芯片，可实时对视频图像增强处理，解决由于雾霾、光照不均等因素造成的图像降质问题，且增加了便于观瞄的辅助功能，便于后续的目标识别与跟踪，其主要参数见表3。
表3 SCA350-RB02型光电吊舱主要性能指标表
机载AIS用于接收海面船舶动/静态相关信息，提高无人机的对海侦察能力，由机载超短波天线、AIS接收机及高频电缆组成，其工作频段为108～174MHz，侦收频点为161.975MHz和162.025MHz。
在作业过程中AIS接收天线接收AIS电磁信号，由AIS接收机解析AIS报文，AIS将收到的报文传给飞管模块，再由飞管模块发送给链路的收发组合单元，然后下传到指挥舱。在地面指挥舱内的AIS海图显示软件上可显示船只的位置、航向、航速等信息，同时也可以显示无人机的位置、速度等信息，更加直观的显示无人机与目标船只的位置关系，并通过对比发现关闭或未安装AIS系统的可疑船只。
在不增加载荷质量的前提下，优化载荷设备选型及集成设计，满足平台续航时间、作业半径及飞行安全要求。
⑴安装设计
在监测数据采集时，需同步获取载荷的位置和姿态信息，为了减轻载荷质量，本文并未集成高精度的定位定姿系统(POS)，而是利用飞机自身的组合惯导系统为载荷提供位姿信息，因此在载荷安装时必须刚性固联于飞机平台上，以保证位姿信息的有效性，不能借助运动补偿稳定平台。光电吊舱安装时要求视场范围内不受安装结构件和飞机腹部盖板的遮挡，将其安装在机腹最前方的位置；根据对海雷达侧视的作业模式，将其天线安装在机腹中部右侧位置，AIS天线朝下安装，雷达及AIS功能模块安装在机腹内部，安装结构如图2所示。
图2 多任务载荷集成实物图
⑵电气设计
为了保证机上供电安全，在电气设计时由CH-4无人机提供一个总的供电转接头，通过电源转接线分出3路分别给光电吊舱、对海雷达、AIS供电。供电转接头具有短路保护功能，可在任务载荷发生意外故障、出现短路时自动切断无人机对载荷系统的供电，最大限度保护无人机的安全飞行。CH-4无人机供电单元对载荷的最大输出功率为644W，本平台中光电吊舱功耗为18W，AIS功耗为10W，对海雷达功耗180W，总功耗为208W，远远小于CH-4的最大输出功率。
⑶电磁兼容性设计
载荷功能模块工作时往往处于复杂的电磁干扰环境中，因此必须进行电磁兼容性设计，本文采用接地、屏蔽、优化电缆走线等方式降低电磁干扰，保证载荷设备和无人机系统正常兼容工作。对海雷达功率较大对飞机电磁干扰也较大，在其机腹内部模块覆盖锡箔纸，屏蔽内部辐射；卫星通信大功率发射设备安装在机头前方，远离其他信号接收设备，同时尽可能保证电源线与信号线不交叉。实物图如图3所示。
图3 载荷电缆走线(a)
覆盖有锡纸的内部载荷模块安装盖(b)
⒊遥控遥测链路设计
在海洋监测过程中，“看得见”是关键，不仅要求地面指挥中心实时监控无人机飞行状态，还要能够做到载荷数据的实时回传。受限于载荷能力，小型无人机通常只能搭载数传电台和图传电台实现无人机近距离的通信和数据传输，而CH-4无人机可搭载卫星通信(以下简称卫通)设备实现远距离通信。为了满足载荷数据的实时大范围传输需求，本文设计了双链路模式，即同时搭载视距和卫通链路，遥控遥测链路示意图如下图4所示。在通视条件下视距链路的最大测控距离为200km，是飞机与现场地面指挥舱的通信链路，卫通链路可实现2000km以上的远距离通信，卫通地面接收站部署在海洋指挥中心，可实现不同地点载荷数据的实时接收。
