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基于“彩虹”无人机海洋立体监测平台的设计与试验
来源:溪流之海洋人生 | 作者:溪流之海洋人生 | 发布时间: 86天前 | 1727 次浏览 | 分享到:
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……

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。

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