平流層飛艇對地觀測系統在遙感領域中的應用

郭雙仁 唐芝青

摘 ?要 ?本文首先介紹了遙感技術的應用領域及遙感平臺的分類，引出了平流層飛艇的概念、特點和重要性。然后，對比闡述了國內外平流層飛艇在遙感領域的發展現狀，并分析了其相對優勢，列出了部分應用案例。最后總結全文，展望了平流層飛艇技術發展的未來。

關鍵詞 ?遙感;平流層飛艇;對地觀測

中圖分類號：V274 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： This paper firstly introduces the classification and application fields of remote sensing and remote sensing platform， introduces the concept， characteristics and importance of stratospheric airship. Then， contrast expounds current situation at home and abroad in the field of remote sensing of stratospheric airship， and analyzes its key techniques， advantages， Finally， a summary， prospect of stratospheric airship technology development in the future.

Keywords： Remote sensing; Stratosphericairship; The earth observation

0 ? 引言

平流層飛艇是一種依靠空氣浮力駐空，以太陽能為能源動力，并保有推進系統的浮空器，它具有可垂直起降、能懸停于任意地理位置上空、運行高度超出空管范圍、不受對流層惡劣天氣影響、可全天侯、全天時連續工作的特點。基于上述特點，平流層飛艇非常適合長期駐空對地觀測，獲取遙感數據，應用廣泛，對推動區域協調發展、統籌城鄉發展，推進社會主義新農村建設、加強能源資源節約和生態環境保護、增強可持續發展能力、優化國土開發格局和保護國土安全有著極其重要的作用。

1 ?平流層飛艇發展歷史及現狀

由于平流層飛艇在對地觀測應用上與生以來的優勢，以美國為首的發達國家早在上世紀80年代初就開展了平流層飛艇平臺民用的技術可行性論證及模擬試驗。然而，由于受當時技術水平的限制，平流層飛艇平臺的實質性推廣應用仍然不具備可靠條件。得力于科學技術飛速發展，進入90年代后，平流層飛艇的關鍵技術研發取得了實質性突破，使平流層飛艇的軍民應用成為可能。近年來，美、英、德、日等國都積極投入巨資進行研發，搶奪先機。美國非常重視平流層飛艇技術發展及軍用，明確將平流層飛艇發展計劃納入其軍事行動快速響應空間規劃和聯合作戰空間規劃之中，同時投入巨資進行平流層飛艇項目的研究，以滿足軍方目前對平流層飛艇的迫切需求，諸多項目中僅“美國高空飛艇”項目投資已超過2億美金[1]。日本、俄羅斯1992年成立阿夫古力浮空器中心，正在實施“金雕”平流層飛艇計劃方案， 可部分代替靜止衛星，用于通信、觀測和其他軍事目的。日本自1998年開始平流層飛艇研究，計劃使用15個平流層平臺覆蓋全部國土面積[2];韓國自2000年開始實施分三步走的平流層飛艇發展計劃;以色列計劃于1998年開始研究偵察飛艇;英國ATG 公司2002年開始實施“天貓（SkyCat）”高空無人飛艇計劃，并正與馬來西亞合作研制平流層目標艇。德國Sanswire TAO 公司與斯圖加特大學合作研制Airworm和Airchain鏈式多氣囊平流層飛艇。

就我國而言，目前已有少數有政府背景的測繪研究院所、高校科研院校重視平流層飛艇的科學研究和試驗，如上海交通大學研制的“致遠一號”平流層飛艇于2009年11月8 日試驗飛行成功，具有重要意義。中國測繪科學研究院和武漢大學是國內最早應用遙感飛艇平臺開展低空攝影測量地形圖測繪的。2008年，彭曉東等針對航空攝影測量的要求，改進設計制造而成了FKC-1 無人飛艇平臺，并專門開發了解決無人飛艇所獲取的高重疊度、大旋轉角的立體影像，大數據量等問題的空中三角測量軟件，基本實現無人飛艇影像空中三角測量的自動處理。2012年，華南理工大學任鵬等利用自制的小型遙控飛艇搭載數碼相機和紅外成像設備，在廣州大學城飛行，獲取了近2355 m×2081 m的正射影像。2007年，中國電子科技集團38所在安徽省六安市試驗場利用BWT-300飛艇搭載自研的SAR 設備，開展了高分辨率寬幅成像模式、GMTI模式、InSAR 模式、方位向擺掃成像模式試驗，獲取大量低空遙感數據[3]。然而總體而言我國平流層飛艇技術仍處在研究和演示驗證階段，未完成關鍵技術攻關，與已經基本完成關鍵技術攻關并正準備高度仿真試驗的西方國家相比，存在較大差距。

2 ?平流層飛艇遙感應用優勢

相對衛星遙感平臺，平流層飛艇機動性更好、成本更低、影像清晰度更高、對固定區域的連續觀測時間更長，易于更新和維護。相對對流層遙感平臺，平流層飛艇則觀測覆蓋面積更大、動力更環保、滯空時間更長、安全性也更高。細節對比如表1所示：

3 ?平流層飛艇遙感應用舉例

平流層飛艇可廣泛應用于自然資源觀測、海洋監測、環境保護、防災減災、精細農業、水利監測、大地測繪、城市規劃與管理等領域，在此列舉部分應用案例。

3.1 在生態環保監測中的應用

2014年起，青海湖管理部門利用平流層飛艇對青海湖區域進行了草場長勢、牧草營養量、種類、載畜量等信息的對地觀測，為制訂科學放牧路線提供了技術參考。平流層飛艇獨具穩定性和可控性，觀測精度可達3cm，使用艇身所帶的紅外光譜、可見高光譜、大面積高清相機、高清視頻、低清視頻、多光譜六種載荷經過數據分析后，可以得到觀測地區的草場長勢、牧草營養量、種類、載畜量等信息，輔助放牧路線規劃，如圖1所示。

3.2在交通監測中的應用

智慧交通需要信息技術手段為支撐，通過平流層飛艇上的高分辨率雷達、光學和紅外傳感器等遙感系統，可增強交通監測的效率，特別是采用移動目標監測技術（MTI）雷達技術非常適用于交通管理確定目標移動速度，平流層飛艇可全天時全天候工作，可為智能交通中的流量監測、目標車輛類型識別等提供輔助技術手段。

3.3 安全領域的應用

在邊境監測方面，對邊陲、開放水域、海岸線、水下、航空港、海關、貨物處理區域的常態化監測非常有必要，需采用平流層飛艇搭載的雷達、輻射計、超光譜、多光譜和紅外傳感器，能有效獲取大型觀測區域內的多期高清影像。任務特點：持續時長超過一年，需要近實時觀測，為保證安全需持續觀測，觀測區域大，高分辨率傳感器（<0.5m）可探測人員和物品。

在關鍵基礎設施保護方面，保護油、氣、水、交通、通信等網絡系統等非常重要，對上述內容進行實施觀測，防止人為破壞。任務特點：持續時長超過一年，近實時持續觀測，對可能的威脅快速反應，分辨率<1m，觀測區域大，平流層飛艇非常適合應用。

在危機與災害管理方面，包括重大火災監視、洪水監測、自然災害救援活動、工業事故監視等。平流層飛艇可提供以下能力：監測武器，爆炸物等危險品，第一時間為安全部隊確定事發位置。

4 ? 平流層飛艇遙感應用展望

平流層飛艇高分辨率對地觀測系統具有成本低、高精度、全天候、機動性好、易于更新和維護等諸多優點，在遙感領域將大有作為，將對社會、經濟、國防、科技進步、農業、災害防治、資源環境、公共安全等重大領域做出重大貢獻，是未來各國必爭的技術高地，具有很好的發展前景。如果我們能高度重視，抓住機遇，大力攻克包括平流層飛艇專用的新型遙感影像獲取設備，提高透云霧能力，研發針對地面目標慢速運動或靜止情況下高質量成像的新體制雷達等技術，服務經濟社會科學發展。

參考文獻/References

[1] 段洣毅，陳付幸.平流層飛艇的發展及其在遙感領域中的應用[J]，測繪地理信息2013.20（3）：63-65.

[2] 李智斌，吳雷，張景瑞.平流層飛艇動力學與控制研究進[J]，力學進展2013.4：42-44.

[3] 彭桂林，萬志強.中國浮空器遙感遙測應用現狀與展望[J]，地球信息科學Vol.21，No4 Apr.，2019.