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。
图4 遥控遥测链路示意图
卫通系统分为机载端和地面端，其中机载端包括机载动中通天线、机载调制解调器、机载功放等；地面端包括地面卫通天线、卫通业务调制解调器、数据处理终端、网络交换机等，其主要性能参数如表4所示，实际安装如图5所示。为了将载荷数据打包下传，专门设计了数据采集板卡，该板卡同时接入载荷设备接口和惯导接口，利用惯导脉冲信号为载荷数据记录时间标识，从根本上消除无线传输延时带来的误差，优化载荷数据与位姿信息的时间同步精度。
表4 卫星通信系统主要性能指标表
图5 机载动中通天线安装实物图
⒋载荷通信接口设计
在无人机对海监测过程中要求地面指挥舱能实时监控无人机的飞行状况，无人机能向地面指挥系统实时回传载荷和飞行数据，地面指挥系统也可根据需要向无人机发送指令来控制飞行和载荷作业。多任务载荷通信接口包括向光电吊舱、对海雷达、AIS等载荷设备发送控制指令的上行链路接口和接收三种载荷作业数据以及飞控信息的下行链路接口。上行链路通信采用一对一模式，即视距和卫通链路地面指挥站各自只有一个端口能上传指令，为了安全起见，还各自设计了一个备用端口。用于数据实时回传的下行链路采用一对多模式，即一个载荷数据可通过组播形式分发给多个地址接收，这样就可以满足不同设备同时接收数据的需求。另外为了实现载荷数据与遥测数据的同步下传，在机载端需要对载荷数据和遥测数据同步打包下传，用自定义标识符加以区分，在地面接收端通过解析每包数据的标识符分离载荷数据与遥测数据，消除回传数据时间不同步为后续数据处理带来位置偏差，机上载荷通信接口设计如图6所示。
图6 机上载荷通信接口设计图
三、软件模块
地面指挥舱主要集成了无人机飞行监控、任务规划与数据处理两大软件系统，飞行监控系统主要用于无人机飞行控制及飞行状态监管，任务规划与数据处理系统用于海洋监测任务规划、载荷数据接收与处理、多源监测信息显示、数据成果存储管理等。
⒈任务规划
海洋监测任务一般分为常规监测任务和应急监测任务。常规监测任务主要包括用海规划、海岸线及沿海滩涂监测等。这类任务所需数据通常为正射影像、视频数据等，其任务规划可采用航摄设计方案获取满足旁向重叠度要求的可见光视频数据，最终提取关键帧拼接为整体影像。应急监测任务针对突发紧急事件，需要快速作出响应。这类任务需要将现场画面以视频、图像形式实时回传指挥中心或利用雷达对目标进行搜索跟踪，其任务规划没有明确方案，需要根据现场情况实时修改航线或根据监测目标航向实时修正自身航线。任务规划是海洋监测平台“飞得好”的前提，CH-4飞行控制软件可以实时规划飞行航线，但其无法进行航空摄影测量的航线设计，因此本文在此基础上结合航线设计算法二次开发实现基于数字高程模型的无人机航线自适应设计。
⒉数据处理
通过光电吊舱载荷接口下传的数据流中不仅包括可见光、红外视频码流，还包括同一时刻获取的遥测数据，软件系统根据数据包帧头的标识符区分可见光、红外和遥测数据，其中视频流通过解码模块获取每帧影像，遥测数据根据飞控解析协议得到位置和姿态信息，最后通过视频流地理编码技术建立每帧影像与位姿数据的一一映射关系，为视频帧正射纠正及拼接处理提供地理参考。在拼接之前，由于视频冗余度较高，需要对视频进行抽帧处理，提取满足重叠度的视频帧参与拼接，这些视频帧称为关键帧，关键帧的提取采用固定重叠度方法进行，即每帧关键帧都满足一定的重叠度要求，相邻视频帧之间的航向重叠度可采用式⑴计算：
p＝1－（S/（W×μw×H/f），⑴
其中，S为相邻视频帧中心点之间的地面距离，可通过定位定姿信息中的坐标计算；f为传感器焦距；W、μw分别是视频帧航向像素个数和像素物理尺寸；H为视频帧获取时刻的相对航高。按照上述算法可获取满足重叠度要求的视频关键帧，下一步利用PhotoScan软件对其进行拼接处理，获取目标区域整幅影像。
图7 任务规划与数据处理流程
对海雷达将锁定目标的距离、方位、速度等信息实时回传地面，软件系统利用雷达引导视频联动算法自动计算出目标在雷达-视频联动模型中对应的光电吊舱方位角和俯仰角，通过上传链路发送控制指令，引导光电吊舱锁定目标，实现目标的实时复核。利用对海雷达设备厂商提供的数据处理软件实现条带和聚束两种模式下SAR成像处理，包括单景单极化与全极化图像的几何校正以及多景图像的校正、拼接、地理编码等。任务规划与数据处理系统的作业流程，如图7所示。
四、试验验证
⒈地面测试
载荷集成之后，需要开展地面联调测试，主要测试电磁兼容性、载荷工作状态、链路通信情况等，首先进行地面通电测试，各项指标通过后再开展地面着车测试。地面通电测试是由外接电源对飞机进行供电，测试载荷全状态工作条件下是否会相互干扰、链路通信是否正常，本平台进行了48h不间断供电测试，期间未发生载荷故障，数据传输正常无间断。之后又进行了地面着车测试，测试发动机抖动对载荷设备的影响以及载荷供电稳定性，经过长达12h的着车测试验证了载荷集成的可靠性，满足飞行测试要求。
⒉飞行测试
⑴试验区概况
为了验证该平台作业半径、续航能力以及载荷作业性能指标等，本文开展了飞行试验，试验区位于海南省三亚市东部海域，东起分界洲岛海域，西至蜈支洲岛海域，东西长107km，南北宽70km，测区包括分界洲岛、蜈支洲岛等海岛，海岸线滩涂、人工建筑设施等。
⑵航线设计
常规监测任务包括分界洲岛可见光/红外视频成图、条带模式下的海岸带SAR成图。光电吊舱可见光为变焦镜头，焦距范围为4.3～129mm，设计地面分辨率为0.5m，旁向重叠度为35%，根据摄影比例尺公式反算焦距为11.5mm，因此在飞行作业中需要将可见光焦距锁定为11.5mm。红外镜头为定焦镜头，焦距为30mm，成像单元物理尺寸为18μm，设计地面分辨率为0.5m，旁向重叠度35%，按照航摄比例尺式⑵计算航高为820m，共敷设11条航线。
f/H＝μ/D ⑵
式中，f为焦距，μ为成像单元物理尺寸，D为地面分辨率，H为设计航高。
由于对海雷达天线与垂直方向的夹角为85°～88°，为了满足水平探测距离为50km的要求，根据三角函数计算飞行航高在2620～4374m，而作业区域的空域管控为3500m以下，因此在SAR条带成像模式，本文设计定高3000m飞行，采用右侧式作业方式。具体航线设计如图8所示
图8 常规监测任务光电吊舱航线设计
应急监测任务模拟飞机从某机场起飞到目标海域开展船只搜索、识别、查证与跟踪等，其航线设计为从机场到目标海域为固定航线，到达目标海域后进行大半径绕飞，操控对海雷达搜索目标船只，锁定跟踪。应急监测实际飞行航迹如图9所示。蓝色轨迹为指挥舱在飞行前规划的辅助飞行航线，红色为实际作业飞行航迹，包括红色矩形框的绕飞航迹和长条状折返航迹。
图9 应急监测实时规划航迹结果
⑶试验结果
视距指挥舱部署在三亚市某机场，距离试验区最远距离190km，卫通便携式地面站部署在青岛海洋实验室，距离试验区2300km，在整个试验过程中，地面接收站与飞机之间通讯正常，无中断，光电吊舱获取的视频数据实时回传地面。任务规划航时约4.5h，为了验证平台续航能力，在完成任务规划航线继续在试验区绕飞，总载荷质量为137kg，理论续航25h，实际飞行22h后安全降落。通过试验结果可知，该海洋监测平台的作业半径、续航能力、通信距离均满足设计指标要求，平台实际飞行及数据回传地面指挥舱如图10所示。图10a为CH-4无人机起飞和降落时的画面，图10b为指挥舱内载荷监控席位实时画面，其中最上方屏幕为AIS实时画面，中间屏幕为光电吊舱红外模式目标锁定跟踪实时画面。
(a) (b)
图10 CH-4无人机实际飞行作业图(a)
及实时回传软件界面(b)
针对常规监测任务获取的分界洲岛可见光、红外视频数据及其对应的遥测数据，开展遥测数据解析、红外视频增强、视频关键帧提取、视频地理编码、关键帧拼接等处理，得到分界洲岛可见光及红外视频拼接全图，如图11所示。
(a) (b)
图11 分界洲岛可见光(a)、红外(b)视频拼接效果
由处理结果可以看出，分界洲岛全貌可见光和红外视频影像获取清晰，由于没有在地面布设控制点，选择借助国家地理信息公共服务平台天地图卫星遥感影像数据评估成果精度。首先将拼接成果叠加在三维地理信息平台中，以天地图卫星遥感影像地图为基准，均匀选取同名地物点进行平面距离量测，分析其中误差，统计数据如表5所示。
