淺談無人機在公務船的應用

何靈華++楊亞男++錢莉莉

摘要：本文主要介紹某公務船無人機系統的組成、接口、工作流程，重點歸納了無人機系統在公務船上的布置安裝要領及注意事項。希望通過實船應用的總結為公務船無人機系統的設計提供較好的借鑒。

關鍵詞：無人機；光電載荷；布置安裝要領

中圖分類號：U279.2 文獻標識碼：A

Application of UAV in Public Service Vessel

HE linghua1，YANG yanan2，QIAN lili2

（1.Huangpu wenchong shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715；

2.Hudong Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129）

Abstract： This paper introduces the composition， interface， function and workflow of an unmanned aerial vehicle（UAV） system and focuses on the key point of its arrangement and installation in a public service vessel.

Key words： UAV； Electric-optic load； Key point of arrangement

1 引言

隨著人類對海洋開發力度的增大，各國對海洋資源的爭奪日益激烈，對海洋環境的破壞和污染也隨之增多。我國的海洋形勢日益嚴峻，特別是近年來釣魚島和南海問題的升溫，考驗著我國海上維權執法的能力，我國的海洋執法力度亟待加強。

公務船在日益嚴峻的海洋權益爭奪的形勢下，迎來了前所未有的大好機遇，但也面臨諸多挑戰。公務船在我國管轄海域巡航監視、查處違法行為、維護海洋權益等方面擔負著神圣的任務。

目前我國公務船直升機規模偏小，飛行員數量嚴重不足，在海況惡劣的環境下直升機起降存在安全隱患。因此，為了提高公務船海上執法的快速性和靈活性，擴展搜索范圍，增加查證手段，將船載無人直升機系統應用到執法公務船，可以協助克服艦船單一執法平臺越來越難以勝任的超視距探測等各項任務，同時能完善信息化和系統化指揮探測節點，對提高執法船的執法能力具有深遠的意義。

2 無人機系統淺析

無人機除具有直升機一般優點外，還具有垂直起飛著陸、空中定點懸停、低速、低空飛行、懸停回轉等特點，因此在飛行空間受限和要求執行低空低速飛行的情況下，無人直升機有著廣闊的應用前景，在船舶系統中發揮著不可替代的作用。

無人機搭載光電復合載荷，可以對海面、近岸目標進行紅外、電視成像探測，提供目標圖像；可以對海上及岸上目標進行警戒探測和監視，完成海面目標定位功能，通過以太網將探測信息傳輸至緝私系統。其具體功能如下：

（1） 對海、岸上目標紅外、電視成像探測；

（2） 對海面指定目標定位；

（3） 對目標自動搜索、跟蹤。

目前我國公務船主要用于近海執法，執法過程需要具備一定的隱身和防偵察技術，輕型、智能化和易操縱的小型無人機是船載無人機的主要特點。為滿足船舶艙室對無人機的存放要求，船載無人機體積一般較小，長度最好控制在2.5米以下，整機重量在200千克以下，無人機空載重量小有利于飛機的長時間飛行。目前部分公務船除配備無人機外還配備直升機，建議無人機和直升機使用同一種燃油，減少公務船的船舶系統配置。無人機飛行高度在3000米以上，有利于機載光電跟蹤監視設備的監視范圍。

與普通無人機相比，船載無人機在海上起飛和降落過程中受到甲板搖擺等因素的影響。船載無人機在自主著艦過程中，由于船舶飛行甲板處于搖擺和船舶處于航行狀態，船載無人機控制系統需具備跟蹤移動船舶并實現無人干涉下的自主著艦功能。無人機還需考慮海上鹽霧、抗沖擊等因素的影響，因此在結構和性能方面需作特殊考慮。

3 無人機系統組成

3.1系統組成和內部接口

無人機系統設備組成，見表1。

無人機系統內部設備接口，見圖1。

3.2 系統主要設備功能

（1） 無人機

無人直升機作為本系統的平臺，搭載光電復合載荷，可以對海面、近岸目標進行紅外、電視成像探測，提供目標圖像；可以對海上及岸上目標進行警戒探測和監視，完成海面目標定位功能，通過以太網將探測信息傳輸至緝私系統。無人機不需要飛行員駕駛，可以彌補當前公務船飛行員數量的不足。無人機可提高海上執法的快速性和靈活性，擴展搜索范圍，增加查證手段。

無人機搭載飛控系統，包含慣導、加速度計、GPS接收機、高度計、計算單元和執行單元。

（2） 數據鏈天線

無人機與船舶之間通過數據鏈裝置進行數據無線傳輸，將無人機的各種信息實時傳回給船舶。在常規直升機中，船舶對直升機的通信是通過無線電通話設備來完成，在起降過程中無法及時掌握船舶的運動參數，為了在執行使用任務時發揮最大性能，建立專門了數據鏈路。

無人機的通信系統主要由控制數據鏈和任務數據鏈組成：控制數據鏈由上行的無人機控制器參數信息、軌跡規劃信息及下行的飛機狀態信息組成。

控制數據鏈是保證無人機安全穩定自主飛行的必備數據鏈，必須保證其安全性和可靠性。其中，飛機的控制器參數及軌跡規劃信息一般是根據無人機飛行需要隨機發送的，數據量較小；而下行的飛機狀態信息一般是周期性發送，數據量相對較大。

任務數據鏈一般 為下行的應用信息，如圖像、視頻或根據其他應用需要下傳遙感數據，是根據各種無人機應用需求提出的，數據量一般較大。endprint

數據鏈天線是船舶控制無人機飛行的主要通信設備。數據鏈為無人機和控制站之間提供雙向通信，使整個無人機系統的信息傳輸和控制成為有效的統一整體。

根據海上工作環境要求和前期相關項目的經驗，船載數據鏈采用相控陣體制的平板天線陣，避免了常規天線因伺服運動部件造成整個天線系統故障率高的缺點，同時兼顧體積重量小、功率要求小、易于定制改造等特點。

主數據鏈由4個面陣天線組成，每個面陣覆蓋90°空域，共覆蓋360°空域。每個面陣天線要求安裝于艙外盡量高的位置，每個面陣所覆蓋的90°空域內無遮擋。

（3） 自主起降控制技術

無人機自動起降是飛行控制過程中的重點和難點。在自動起降階段，由于飛行速度低、氣動效應非常弱、通道之間的耦合嚴重、船舶著陸場地小等因素，對小型無人機的起降控制性能提出了很高的要求。在船舶上自動起飛，海面風浪和船舶搖擺對起降有較大的干涉影響。在著艦過程中，海上風浪、船舶甲板運動、船尾氣流、陣風干擾和地面效應使無人機著艦困難。因此，為實現無人機在船上的自主起降，無人機系統加裝了自主起降輔助設備。自主起降輔助設備工作原理類似于全球衛星系統，用于測量無人機與起降甲板間的相對位置和姿態，并最終為著艦決策提供相對的高度、位置、姿態信息。

（4） 飛行控制臺

飛行控制臺作為無人機系統的重要組成部分，主要完成對無人機的飛行控制與管理、航路設置、狀態監視、信息記錄等。

（5） 綜合任務控制臺

綜合任務控制臺作為無人機系統的重要組成部分，主要完成任務載荷狀態監視、控制、綜合顯示、信息交換、處理、記錄和輸出等功能，并把探測態勢信息輸出到各有關節點，同時負責與緝私系統進行網絡信息交換。

系統指揮員制訂任務全過程的無人機任務航路和載荷的工作計劃。任務航路規劃主要包括海圖標繪、任務航路規劃和規劃方案管理。

（6） 光電任務載荷

光電任務載荷是無人機任務系統中的重要組成部分，設備可由光電轉塔、電子箱、減震掛架、顯控單元等組成。

光電轉塔承載光電傳感器，為光電傳感器方位、俯仰轉動提供平臺。包括方位軸系、俯仰軸系、電視傳感器、紅外傳感器、陀螺等。

電子箱承載電氣組件，包括電源、測角、伺服驅動、伺服控制、圖像處理、錄像存儲等功能模塊。便攜式操控盒為設備調試、測試用的操控和顯示終端，包括電源、液晶顯示器、操控桿、操控鍵盤等。

外界景物（包含目標）的輻射和反射通過大氣傳輸，經光學系統成像于探測器的靶面，探測器將景物信息轉變成電信息，從而將空間目標及景物的二維圖像轉變為時間序列的電圖像。安裝在吊艙內的陀螺能敏感出載機的搖擺，通過陀螺穩定回路，使光電系統保持瞄準線的穩定，圖像傳感器輸出穩定的圖像。

操控手通過操控手柄控制光電系統方位、俯仰轉動，搜索海面目標。主控計算機接收操作手或系統給出的工作指令，控制設備的正常運行、監視設備的工作狀態以及目標；在自動跟蹤方式下，主控計算機接收視頻跟蹤器測取目標質心相對光軸中心的方位、高低角偏差，控制伺服系統使瞄準線保持對目標的自動跟蹤。

綜合顯示器顯示目標及背景圖像，為便于操作手掌握必要的信息，綜合顯示器還以文字和數字形式顯示出目標參數和工作參數。

視頻圖像下傳到地面終端，一路傳輸到記錄板存儲到記錄卡，方便任務完成后直接取出記錄卡進行后期閱讀處理。

（7） 船面保障設備

無人機系統具有許多船面保障設備，用以支持無人機在船上的運轉、系留安全存儲等功能：

（A） 魚叉：無人機配備魚叉，滿足無人機著艦和快速固定要求，保證無人機降落不側滑、不翻倒、不與物體碰撞，能夠正常起飛和降落；

（B） 能見度激光雷達：配備遠距離、高精度、全方向、無需合作目標的激光后向探測能見度測量設備，獲得所在方向的能見度數值和濕度、溫度等氣象信息，為無人機的起降提供氣象安全保證；

（C） 燈光助降：在夜間或能見度低的情況下，滿足無人機著艦操作員目視無人機照度要求，提供低空照明；

（D） 燃油存儲、加注及回收設備：無人機系統與直升機共用燃油存儲裝置，使用時由直升機加注裝置將燃油加注到無人機加注裝置內，再由無人機儲油加注裝置進行燃油加注。無人機廢油回收與直升機廢油回收采用相同辦法。

（E） 無人機轉運車：配備無人機轉運車，將無人機從無人機機庫快速轉運到飛行平臺。

4 無人機系統工作流程

系統功能流程主要包括無人機起飛的典型工作流程、無人機降落的典型工作流程、系統搭載光電載荷的使用流程。

4.1 起飛的典型工作流程（見表2）

4.2 降落的典型工作流程（見圖3）

5.1著艦引導設備

自主著艦設備屬于臨時安裝設備，包括底座及著艦引導裝置。通過基座將底座固定安裝，使用時再將著艦引導裝置通過卡槽固定。6個安裝基座在飛行甲板上呈矩形或正六邊形布放，相鄰兩個安裝基座間不小于4m。基座與無人機機庫距離不得小于2m。要求每個安裝基座的位置在天線垂直法線15°范圍內沒有遮擋物。

自主著艦設備、GPS、慣性測量單元安裝布置圖，見圖4。

5.2數據鏈天線

在無人機系統導航與通信中，主數據鏈共有4個面陣天線，4個陣面集中成圓柱體結構，布放于塔臺后方靠近甲板位置。要求天線安裝于艙外盡量高的位置，每個面陣所覆蓋的90°空域內無遮擋，副鏈與主數據鏈天線集成在同一位置。

主數據鏈天線及副鏈布置安裝圖見圖5。

6 結論

無人機作為一種快速、靈活、有效的反應平臺，在公務船上配置無人機系統有效的提高了海上執法的快速性和靈活性，擴展了搜索范圍，增加了查證手段，協助克服艦船單一執法平臺越來越難以勝任的超視距探測等各項任務，使公務船的執法能力上升了一個新臺階，為中國沿海區域維權執法作出突出貢獻。endprint