中國是一個毗鄰太平洋的海洋大國，海域廣袤、海岸線漫長、島嶼眾多，海洋對于國家經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境和國防建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。國家“十三五”規(guī)劃中明確提出，要統(tǒng)籌規(guī)劃國家海洋觀(監(jiān))測網(wǎng)布局，推進國家海洋環(huán)境實時在線監(jiān)控系統(tǒng)和海外觀(監(jiān))測系統(tǒng)建設(shè)，逐步形成全球海洋立體觀監(jiān)測系統(tǒng)。目前中國已經(jīng)構(gòu)建了由衛(wèi)星、飛機、車輛、船舶、岸基、島基、油氣平臺基、浮標(biāo)、海床基等多元監(jiān)測平臺組成的海洋立體監(jiān)視監(jiān)測體系，可開展全方位、多尺度、長時效的監(jiān)視監(jiān)測，保障海洋生態(tài)環(huán)境和安全。

無人機(UAV)作為一種高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取以及海域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測平臺，以其靈活、高效的特點成為了海洋立體監(jiān)視監(jiān)測體系的重要組成部分。世界上不少國家都非常重視無人機在海洋監(jiān)測中的應(yīng)用，早在2002年美國就將“捕食者”、“全球鷹”等大型無人機投入海洋應(yīng)用科學(xué)研究中，搭載光電吊艙、對海雷達的“全球鷹”無人機系統(tǒng)已成為美國國家航空航天局(NASA)對美國海岸線巡查的常規(guī)機型；在歐洲改進型的“全球鷹”也頻繁出現(xiàn)在各國海域，其應(yīng)用相對成熟；2019年希臘海岸警衛(wèi)隊測試了美國通用原子能公司“海上守衛(wèi)者”MQ-9無人機的海上監(jiān)視能力，MQ-9搭載多模式海上搜索雷達和高清/全運動視頻光學(xué)和紅外傳感器，海面搜索雷達系統(tǒng)可開展海上目標(biāo)連續(xù)跟蹤，并將自動識別系統(tǒng)(AIS)發(fā)射器與雷達檢測相關(guān)聯(lián)，其逆合成孔徑雷達(ISAR)模式有助于識別和分類超出光學(xué)傳感器探測范圍的艦船，高清/全運動視頻光學(xué)和紅外傳感器可對飛機周圍的大型和小型水面艦船進行360°的遠(yuǎn)距離全天候?qū)崟r檢測和識別；2020年日本海上保安廳為了引進大型無人機作為海洋監(jiān)測平臺進行了試驗，試驗機型為“海上守衛(wèi)者”(MQ-9B)無人機，機身全長11.7m，翼展24.0m，續(xù)航時間最多35h，搭載光電吊艙和對海雷達，通過衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程操控?zé)o人機和實時回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，其作業(yè)半徑能覆蓋日本的專屬經(jīng)濟區(qū)。

與國外相比，我國的無人機技術(shù)發(fā)展較為成熟，尤其是輕小型無人機在各個領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用，不少單位和學(xué)者利用無人機在海域使用動態(tài)監(jiān)管、海洋災(zāi)害監(jiān)視監(jiān)測、海島礁測繪、突發(fā)事件(溢油、?；?應(yīng)急監(jiān)測等方面開展技術(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，其抗風(fēng)能力無法有效應(yīng)對海洋復(fù)雜多變的氣象條件，遠(yuǎn)距離測控和大數(shù)據(jù)量信息傳輸制約大范圍實時動態(tài)監(jiān)測的開展，載荷量和飛機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，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，以“彩虹”“翼龍”為代表的中空長航時大型無人機開始在民用領(lǐng)域嶄露頭角，2015年中國航天科技集團公司十一院在山東省煙臺市沿海地區(qū)成功實施了“藍(lán)色海鷗”“彩虹-4”無人機海洋示范應(yīng)用，是我國首次大型中空長航時無人機系統(tǒng)海洋示范應(yīng)用；2020年中國氣象局采用騰盾科技公司的大型雙發(fā)長航時“雙尾蝎”無人機攜帶氣象雷達、激光測風(fēng)雷達、光電偵察吊艙和溫濕壓探測器等多種氣象探測設(shè)備，實施了臺風(fēng)海上觀測作業(yè)，達到預(yù)先設(shè)定目標(biāo)。通過國內(nèi)外無人機海洋監(jiān)測平臺對比可以發(fā)現(xiàn)，國外在大型無人機多載荷集成的海洋監(jiān)測應(yīng)用較為成熟，而我國基于輕小型無人機的海洋監(jiān)測研究較為普遍，只有近幾年基于大型無人機的海洋監(jiān)測平臺應(yīng)用才有公開報道。

針對海洋監(jiān)測應(yīng)用需求，本文依托“海洋高端裝備技術(shù)創(chuàng)新工程”專項，以“彩虹-4型”(CH-4)無人機為平臺研究光電吊艙、合成孔徑雷達(SAR)、船舶自動識別系統(tǒng)等多任務(wù)載荷優(yōu)化集成、遠(yuǎn)距離無人機實時監(jiān)管及載荷數(shù)據(jù)實時回傳、監(jiān)測數(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驗，探索海洋監(jiān)測常規(guī)任務(wù)和應(yīng)急任務(wù)應(yīng)用模式，驗證了平臺集成方法的可行性以及平臺功能性能指標(biāo)，可為我國開展中空長航時無人機海洋監(jiān)測工程化應(yīng)用提供新的解決方案。

一、平臺總體設(shè)計

海洋監(jiān)測平臺對無人機系統(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。“飛得到、飛得好”是前提，即飛機的續(xù)航時間要滿足工作要求，以遠(yuǎn)海島礁測圖為例，一般要求無人機作業(yè)半徑在1000km以上，往返作業(yè)里程2000km以上，續(xù)航時間要求不低于20h，同時在保證飛行安全的前提下，盡可能獲取質(zhì)量較好的監(jiān)測數(shù)據(jù)成果。“看得見”是關(guān)鍵，即在海洋監(jiān)測過程中，地面指揮中心能實時監(jiān)控?zé)o人機飛行狀態(tài)，載荷數(shù)據(jù)能實時回傳地面?；谏鲜黾夹g(shù)要求和項目設(shè)計目標(biāo)，選用CH-4型中空長航時無人機，搭載對海雷達、光電吊艙、船舶自動識別系統(tǒng)等任務(wù)載荷，并通過遙控遙測鏈路實時接收地面指揮艙指令，控制任務(wù)載荷開展海上目標(biāo)識別、跟蹤，海島礁測繪成圖等監(jiān)測任務(wù)，同時載荷數(shù)據(jù)又可通過遙控遙測鏈路實時回傳地面，為指揮決策提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 總體設(shè)計框架圖

海洋監(jiān)測平臺主要包括無人機、任務(wù)載荷集成模塊、遙控遙測鏈路模塊、任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理模塊等，總體設(shè)計框架圖如圖1所示。針對不同海洋監(jiān)測任務(wù)需求，系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)規(guī)劃軟件設(shè)計相應(yīng)航線，引導(dǎo)無人機系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，此時載荷設(shè)備可根據(jù)任務(wù)需求獲取不同類型數(shù)據(jù)。船舶自動識別系統(tǒng)輔助對海雷達開展目標(biāo)搜索、跟蹤，雷達方位坐標(biāo)信息引導(dǎo)光電吊艙聯(lián)動，對目標(biāo)信息進行查證分析，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實時回傳地面；在對海島、灘涂等固定目標(biāo)進行常規(guī)監(jiān)測時，可利用光電吊艙、雷達分別獲取目標(biāo)區(qū)域不同時序的正射影像、SAR成像圖等測繪成果數(shù)據(jù)，為下一步開展目標(biāo)區(qū)域動態(tài)變化監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、平臺硬件設(shè)計與集成

⒈無人機簡介

CH-4無人機是中國航天空氣動力技術(shù)研究院在“彩虹-3”無人機基礎(chǔ)上研發(fā)的一種中空長航時無人機，目前在應(yīng)急測繪、航空物探、海事監(jiān)管等領(lǐng)域，以CH-4無人機為平臺進行的系統(tǒng)集成設(shè)計應(yīng)用，均取得了較好的效果。CH-4無人機機長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、留空時間長、使用半徑大、可擴展性強等特點，能夠滿足海洋監(jiān)測無人機“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型中空長航時無人機飛行平臺主要性能指標(biāo)表

通過CH-4無人機性能指標(biāo)可知，與一般小型無人機相比，其作業(yè)半徑更大，在同等載荷條件下續(xù)航能力更強。除此之外，可擴展性強也是CH-4無人機的一大優(yōu)勢，目前在已公開的民用項目中，其已集成了光學(xué)面陣相機、高光譜/多光譜傳感器、SAR、傾斜相機、雷達高度計、光泵磁力儀等，結(jié)果表明CH-4無人機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

結(jié)合任務(wù)規(guī)劃需求，本平臺主要搭載對海多功能雷達、光電吊艙、船舶AIS三種載荷。機載對海雷達由中國電子科技集團公司第三十八研究所所研制，設(shè)備型號為JY-201(X)，質(zhì)量70kg，具備海面廣域搜索監(jiān)測、運動目標(biāo)監(jiān)測、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)型對海雷達主要性能指標(biāo)表

光電吊艙采用北京星網(wǎng)宇達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、可見光攝像機、紅外熱像儀、圖像存儲模塊、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，可實時對視頻圖像增強處理，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

機載AIS用于接收海面船舶動/靜態(tài)相關(guān)信息，提高無人機的對海偵察能力，由機載超短波天線、AIS接收機及高頻電纜組成，其工作頻段為108～174MHz，偵收頻點為161.975MHz和162.025MHz。

在作業(yè)過程中AIS接收天線接收AIS電磁信號，由AIS接收機解析AIS報文，AIS將收到的報文傳給飛管模塊，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，同時也可以顯示無人機的位置、速度等信息，更加直觀的顯示無人機與目標(biāo)船只的位置關(guān)系，并通過對比發(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，滿足平臺續(xù)航時間、作業(yè)半徑及飛行安全要求。

⑴安裝設(shè)計

在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時，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，因此在載荷安裝時必須剛性固聯(lián)于飛機平臺上，以保證位姿信息的有效性，不能借助運動補償穩(wěn)定平臺。光電吊艙安裝時要求視場范圍內(nèi)不受安裝結(jié)構(gòu)件和飛機腹部蓋板的遮擋，將其安裝在機腹最前方的位置；根據(jù)對海雷達側(cè)視的作業(yè)模式，將其天線安裝在機腹中部右側(cè)位置，AIS天線朝下安裝，雷達及AIS功能模塊安裝在機腹內(nèi)部，安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多任務(wù)載荷集成實物圖

⑵電氣設(shè)計

為了保證機上供電安全，在電氣設(shè)計時由CH-4無人機提供一個總的供電轉(zhuǎn)接頭，通過電源轉(zhuǎn)接線分出3路分別給光電吊艙、對海雷達、AIS供電。供電轉(zhuǎn)接頭具有短路保護功能，可在任務(wù)載荷發(fā)生意外故障、出現(xiàn)短路時自動切斷無人機對載荷系統(tǒng)的供電，最大限度保護無人機的安全飛行。CH-4無人機供電單元對載荷的最大輸出功率為644W，本平臺中光電吊艙功耗為18W，AIS功耗為10W，對海雷達功耗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

載荷功能模塊工作時往往處于復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中，因此必須進行電磁兼容性設(shè)計，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)備和無人機系統(tǒng)正常兼容工作。對海雷達功率較大對飛機電磁干擾也較大，在其機腹內(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)備安裝在機頭前方，遠(yuǎn)離其他信號接收設(shè)備，同時盡可能保證電源線與信號線不交叉。實物圖如圖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遙控遙測鏈路設(shè)計

在海洋監(jiān)測過程中，“看得見”是關(guān)鍵，不僅要求地面指揮中心實時監(jiān)控?zé)o人機飛行狀態(tài)，還要能夠做到載荷數(shù)據(jù)的實時回傳。受限于載荷能力，小型無人機通常只能搭載數(shù)傳電臺和圖傳電臺實現(xiàn)無人機近距離的通信和數(shù)據(jù)傳輸，而CH-4無人機可搭載衛(wèi)星通信(以下簡稱衛(wèi)通)設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。為了滿足載荷數(shù)據(jù)的實時大范圍傳輸需求，本文設(shè)計了雙鏈路模式，即同時搭載視距和衛(wèi)通鏈路，遙控遙測鏈路示意圖如下圖4所示。在通視條件下視距鏈路的最大測控距離為200km，是飛機與現(xiàn)場地面指揮艙的通信鏈路，衛(wèi)通鏈路可實現(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，可實現(xiàn)不同地點載荷數(shù)據(jù)的實時接收。

圖4 遙控遙測鏈路示意圖

衛(wèi)通系統(tǒng)分為機載端和地面端，其中機載端包括機載動中通天線、機載調(diào)制解調(diào)器、機載功放等；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)交換機等，其主要性能參數(shù)如表4所示，實際安裝如圖5所示。為了將載荷數(shù)據(jù)打包下傳，專門設(shè)計了數(shù)據(jù)采集板卡，該板卡同時接入載荷設(shè)備接口和慣導(dǎo)接口，利用慣導(dǎo)脈沖信號為載荷數(shù)據(jù)記錄時間標(biāo)識，從根本上消除無線傳輸延時帶來的誤差，優(yōu)化載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的時間同步精度。

表4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)表

圖5 機載動中通天線安裝實物圖

⒋載荷通信接口設(shè)計

在無人機對海監(jiān)測過程中要求地面指揮艙能實時監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀況，無人機能向地面指揮系統(tǒng)實時回傳載荷和飛行數(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、對海雷達、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一模式，即視距和衛(wèi)通鏈路地面指揮站各自只有一個端口能上傳指令，為了安全起見，還各自設(shè)計了一個備用端口。用于數(shù)據(jù)實時回傳的下行鏈路采用一對多模式，即一個載荷數(shù)據(jù)可通過組播形式分發(fā)給多個地址接收，這樣就可以滿足不同設(shè)備同時接收數(shù)據(jù)的需求。另外為了實現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)的同步下傳，在機載端需要對載荷數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)同步打包下傳，用自定義標(biāo)識符加以區(qū)分，在地面接收端通過解析每包數(shù)據(jù)的標(biāo)識符分離載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)，消除回傳數(shù)據(jù)時間不同步為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來位置偏差，機上載荷通信接口設(shè)計如圖6所示。

圖6 機上載荷通信接口設(shè)計圖

三、軟件模塊

地面指揮艙主要集成了無人機飛行監(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)測任務(wù)規(guī)劃、載荷數(shù)據(jù)接收與處理、多源監(jiān)測信息顯示、數(shù)據(jù)成果存儲管理等。

⒈任務(wù)規(guī)劃

海洋監(jiān)測任務(wù)一般分為常規(guī)監(jiān)測任務(wù)和應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)。常規(guī)監(jiān)測任務(wù)主要包括用海規(guī)劃、海岸線及沿海灘涂監(jiān)測等。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)測任務(wù)針對突發(fā)緊急事件，需要快速作出響應(yīng)。這類任務(wù)需要將現(xiàn)場畫面以視頻、圖像形式實時回傳指揮中心或利用雷達對目標(biāo)進行搜索跟蹤，其任務(wù)規(guī)劃沒有明確方案，需要根據(jù)現(xiàn)場情況實時修改航線或根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)航向?qū)崟r修正自身航線。任務(wù)規(guī)劃是海洋監(jiān)測平臺“飛得好”的前提，CH-4飛行控制軟件可以實時規(guī)劃飛行航線，但其無法進行航空攝影測量的航線設(shè)計，因此本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合航線設(shè)計算法二次開發(fā)實現(xiàn)基于數(shù)字高程模型的無人機航線自適應(yīng)設(shè)計。

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，還包括同一時刻獲取的遙測數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)包幀頭的標(biāo)識符區(qū)分可見光、紅外和遙測數(shù)據(jù)，其中視頻流通過解碼模塊獲取每幀影像，遙測數(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，需要對視頻進行抽幀處理，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計算：

p＝1－（S/（W×μ_w×H/f），⑴

其中，S為相鄰視頻幀中心點之間的地面距離，可通過定位定姿信息中的坐標(biāo)計算；f為傳感器焦距；W、μ_w分別是視頻幀航向像素個數(shù)和像素物理尺寸；H為視頻幀獲取時刻的相對航高。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軟件對其進行拼接處理，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

對海雷達將鎖定目標(biāo)的距離、方位、速度等信息實時回傳地面，軟件系統(tǒng)利用雷達引導(dǎo)視頻聯(lián)動算法自動計算出目標(biāo)在雷達-視頻聯(lián)動模型中對應(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)，實現(xiàn)目標(biāo)的實時復(fù)核。利用對海雷達設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)處理軟件實現(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、試驗驗證

⒈地面測試

載荷集成之后，需要開展地面聯(lián)調(diào)測試，主要測試電磁兼容性、載荷工作狀態(tài)、鏈路通信情況等，首先進行地面通電測試，各項指標(biāo)通過后再開展地面著車測試。地面通電測試是由外接電源對飛機進行供電，測試載荷全狀態(tài)工作條件下是否會相互干擾、鏈路通信是否正常，本平臺進行了48h不間斷供電測試，期間未發(fā)生載荷故障，數(shù)據(jù)傳輸正常無間斷。之后又進行了地面著車測試，測試發(fā)動機抖動對載荷設(shè)備的影響以及載荷供電穩(wěn)定性，經(jīng)過長達12h的著車測試驗證了載荷集成的可靠性，滿足飛行測試要求。

⒉飛行測試

⑴試驗區(qū)概況

為了驗證該平臺作業(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，試驗區(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107km，南北寬70km，測區(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

常規(guī)監(jiān)測任務(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)計地面分辨率為0.5m，旁向重疊度35%，按照航攝比例尺式⑵計算航高為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)計航高。

由于對海雷達天線與垂直方向的夾角為85°～88°，為了滿足水平探測距離為50km的要求，根據(jù)三角函數(shù)計算飛行航高在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)計定高3000m飛行，采用右側(cè)式作業(yè)方式。具體航線設(shè)計如圖8所示

圖8 常規(guī)監(jiān)測任務(wù)光電吊艙航線設(shè)計

應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)模擬飛機從某機場起飛到目標(biāo)海域開展船只搜索、識別、查證與跟蹤等，其航線設(shè)計為從機場到目標(biāo)海域為固定航線，到達目標(biāo)海域后進行大半徑繞飛，操控對海雷達搜索目標(biāo)船只，鎖定跟蹤。應(yīng)急監(jiān)測實際飛行航跡如圖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，紅色為實際作業(yè)飛行航跡，包括紅色矩形框的繞飛航跡和長條狀折返航跡。

圖9 應(yīng)急監(jiān)測實時規(guī)劃航跡結(jié)果

⑶試驗結(jié)果

視距指揮艙部署在三亞市某機場，距離試驗區(qū)最遠(yuǎn)距離190km，衛(wèi)通便攜式地面站部署在青島海洋實驗室，距離試驗區(qū)2300km，在整個試驗過程中，地面接收站與飛機之間通訊正常，無中斷，光電吊艙獲取的視頻數(shù)據(jù)實時回傳地面。任務(wù)規(guī)劃航時約4.5h，為了驗證平臺續(xù)航能力，在完成任務(wù)規(guī)劃航線繼續(xù)在試驗區(qū)繞飛，總載荷質(zhì)量為137kg，理論續(xù)航25h，實際飛行22h后安全降落。通過試驗結(jié)果可知，該海洋監(jiān)測平臺的作業(yè)半徑、續(xù)航能力、通信距離均滿足設(shè)計指標(biāo)要求，平臺實際飛行及數(shù)據(jù)回傳地面指揮艙如圖10所示。圖10a為CH-4無人機起飛和降落時的畫面，圖10b為指揮艙內(nèi)載荷監(jiān)控席位實時畫面，其中最上方屏幕為AIS實時畫面，中間屏幕為光電吊艙紅外模式目標(biāo)鎖定跟蹤實時畫面。

   (a)                              (b)

 圖10 CH-4無人機實際飛行作業(yè)圖(a)及實時回傳軟件界面(b)

針對常規(guī)監(jiān)測任務(wù)獲取的分界洲島可見光、紅外視頻數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的遙測數(shù)據(jù)，開展遙測數(shù)據(jù)解析、紅外視頻增強、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，選擇借助國家地理信息公共服務(wù)平臺天地圖衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)評估成果精度。首先將拼接成果疊加在三維地理信息平臺中，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進行平面距離量測，分析其中誤差，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗成果數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表(單位：m)

在無控制條件下可見光拼接影像，如下圖11所示，其相對坐標(biāo)中誤差為15.35m，紅外拼接影像相對中誤差為21.09m。

對海雷達條帶成像模式對海岸線目標(biāo)區(qū)域進行探測，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，條帶寬度滿足設(shè)計指標(biāo)要求，坐標(biāo)相對中誤差為6.30m。

圖12 對海雷達條帶模式下成像結(jié)果

通過試驗結(jié)果可知，常規(guī)監(jiān)測任務(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，且在無控制點條件下拼接結(jié)果坐標(biāo)相對中誤差較小，能夠用于下一步的海洋監(jiān)測分析，滿足“飛得好”技術(shù)要求。

在應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)中，開啟雷達對海跟蹤監(jiān)視模式對目標(biāo)區(qū)域進行探測，獲取船只的距離、方位、速度、航向等信息，飛機朝目標(biāo)船只方向飛行，對海雷達跟蹤目標(biāo)并將獲取信息實時回傳地面。軟件系統(tǒng)實時計算目標(biāo)在雷達-視頻聯(lián)動模型中對應(yīng)的光電吊艙方位角和俯仰角，進而引導(dǎo)光電吊艙鎖定目標(biāo)船只，拍攝取證，監(jiān)測結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看出對海雷達(圖13a)能夠同時跟蹤多個船只目標(biāo)，并顯示其方位、距離、航速等信息；雷達-視頻聯(lián)動模式下，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)船只與飛機位置關(guān)系，輔助搜索跟蹤。

圖13 對海雷達條帶模式下成像結(jié)果

五、結(jié)論

圍繞海洋監(jiān)測應(yīng)用需求，利用設(shè)計集成的海洋監(jiān)測平臺開展多個監(jiān)測任務(wù)試驗，驗證了該平臺是解決海洋監(jiān)測長航時、大范圍作業(yè)的有效技術(shù)裝備。

⑴針對海洋監(jiān)測長航時指標(biāo)要求，優(yōu)化載荷設(shè)備選型，實現(xiàn)了多任務(wù)載荷的優(yōu)化集成，平臺續(xù)航時間大于22h，作業(yè)半徑為2000km，從就近機場起飛，能覆蓋中國大部分遠(yuǎn)海島礁及海域。

⑵為了提高海洋監(jiān)測過程無人機通信距離，設(shè)計了視距與衛(wèi)通雙鏈路模式，根據(jù)作業(yè)距離自動切換鏈路，實現(xiàn)了無人機遠(yuǎn)距離全航程的是實時監(jiān)管以及載荷數(shù)據(jù)的實時回傳。針對常規(guī)監(jiān)測任務(wù)數(shù)據(jù)處理需求，設(shè)計了載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的同步打包下傳板卡，實現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的無控地理編碼處理。

⑶針對常規(guī)監(jiān)測任務(wù)獲取了分界洲島可見光和紅外視頻數(shù)據(jù)，并進行了地理編碼、拼接處理，驗證了成圖精度，在應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)中對海雷達獲取了目標(biāo)船只的距離、方位、速度、航向等信息，雷達-視頻聯(lián)動模式下，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、激光雷達等多任務(wù)載荷協(xié)同監(jiān)測研究，為開展海洋環(huán)境污染監(jiān)測應(yīng)用做好技術(shù)準(zhǔn)備，同時還需進一步挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)成果應(yīng)用價值，充分發(fā)揮CH-4無人機優(yōu)勢，強化海洋立體監(jiān)測體系。

來源：溪流之海洋人生