無人直升機在海事領域的應用研究

王鵬，石磊，巫艷明

中國直升機設計研究所

我國地處亞歐大陸東部，太平洋西岸，擁有一望無際的海岸線，海洋國土面積超過3×106km2，海上交通密集，險情多發，監管任務繁重。無人直升機以其機動靈活、可長時間飛行、部署快速、無人員傷亡、效費比高等優勢，可在海事監管海域監管范圍內執行日常巡航、溢油監視監測、違章查處、海上重大事件安保、應急搜救、通信中繼、喊話等任務。

目前海事系統推行的立體化監管體系主要采用靜態和動態監管手段相結合的模式，其中包括船舶交管中心（VTS）、自動識別系統（AIS）和視頻監控（CCTV）等電子靜態監管手段；海巡船日常巡邏，海事直升機和固定翼飛機不定期巡航，以及海巡車機動應急指揮處置等動態監管方式。隨著技術的發展，現有安全監管水平已有很大提高，但從長遠來看，現有的海事裝備在監管范圍、時效性、運行成本等方面仍存在一些問題和不足，僅僅依靠現有裝備已無法滿足當前及未來海事“陸、海、空”三維立體監管的需要。例如日常海事巡航，現有有人駕駛直升機或固定翼飛機的運營和維護成本高，且受天氣因素和飛行員生理因素影響，導致空中巡航監管無法實現常態化。隨著無人直升機載重能力、可靠性和安全性等性能指標不斷提升，其在許多領域得到廣泛應用。無人直升機的技術成熟度已經能滿足日常海事巡航監管的需求，為豐富海事系統的監管手段，實現常態化空中巡航監管提供了新的解決方案。

圖1 海事無人直升機。

無人直升機優勢

無人直升機搭載海事任務載荷，可在監管海域內執行日常巡航、溢油監視監測、違章查處、海上重大事件安保、應急搜救、通信中繼、喊話驅離等任務。相對傳統手段，無人直升機應用于海事系統具備以下優勢。

機動性強適宜應急

海上事故和自然災害突發性強，其隨機性、不可預知性則要求主管部門必須快速判明情況，組織指揮救援。小型無人直升機具有對起降地點要求低、自主飛行能力強、操作簡單等特點，當緊急情況發生時，可在短時間內實現機動部署，采用遠程遙控方式在異地起飛后，快速抵達目標區域，而無需大規模人員轉場，具備較強的環境適應性，執行任務的方式也更加機動靈活，效率高。

執行持久廣域海面巡航任務

無人直升機機上無飛行員，不會發生人員疲勞問題，經過適當維修保養后，可連續執行任務。其滯空時間僅依賴于平臺的性能指標，特別適宜執行持久、廣域海面搜索和監視任務，實現常態化巡航監管。

實時傳輸數據信息

無人直升機適合在高危環境中探測、飛行速度快。相較傳統的監測手段，無人直升機可深入事故、災害中心區域，最大限度接近目標，收集的情報信息可信度高，監測效果更佳，為溢油等事故調查取證提供有效證據。同時，無人直升機具備數據實時傳輸能力，第一時間為應急指揮決策提供數據，信息時效性強。

安全可靠

無人直升機操控員與平臺分離，且位于安全區域，即使出現無人直升機墜落等情況，也不會造成人員傷亡，損失大幅降低。

受起降場地限制小

無人直升機不需要專用跑道，對起降環境要求低，可在沿岸復雜地形快速起降，執行任務。

效費比高

與直升機相比，無人直升機結構更簡單，生產制造成本相對較低，售價也相應更低，用戶的直接采購成本大幅下降。在人員培訓方面，培訓一個無人直升機機組與培訓一位飛行員相比，無論是周期還是費用都大幅縮減。由此可見，無人直升機系統能以相對較低的成本，實現更大的作用，效費比大幅提升。

使命任務

無人直升機作為海事監管系統的重要組成部分，主要在近海、重要港口、航線及錨地等重點區域執行日常巡航監管、應急支持和通航保障等海事任務。

日常巡航監管

（1） 船舶巡查、監督

無人直升機巡查、監督船舶在航道、港池、錨地等區域執行有關安全管理規定的情況，監督船舶遵守避碰規則、船舶定線制等情況；

（2）海域環境監視

無人直升機定期巡查航道、錨地等通道密集區，加強有污染隱患區域的巡查，對存在非法排污行為的船舶進行及時追蹤、調查取證；

（3）港區作業巡查

無人直升機巡查碼頭、港外系泊點、裝卸站、渡口等設施的安全狀況，對影響通航安全的捕撈、海上養殖、挖砂、海上娛樂活動等行為進行及時追蹤、調查取證，及時報告巡航中發現的海上交通事故，必要時做應急處理；

圖2 典型應用場景圖。

圖3 無人直升機執行日常巡查監管任務。

（4）溢油監視監測

無人直升機在重要海域巡航，借助機載任務設備監控溢油、船舶傾廢情況，對發現、控制和清除溢油起到支撐作用。

應急支持

（1）應急搜尋和定位

接到海上遇險報告后，快速啟動無人直升機在相關海域開展應急搜尋，并將遇險位置實時回傳至后方指揮中心；

（2）應急現場支持

無人直升機快速飛赴應急現場，在現場低速盤旋或懸停監測，將現場信息實時回傳給指揮中心，供應急輔助決策，或通過海事對講系統進行現場指揮和協調；

（3）搜救物資拋投

無人直升機攜帶輕便救生圈、海上應急示位標至事故地點投放應急物資。

通航保障

（1）通航秩序維護

無人直升機可維護交通管制區、交通密集區、捕撈作業區、橋區、油區、事故多發區等海域的通航秩序，保障重點船舶的航行安全；

（2）航海保障

無人直升機巡查助航、導航標志、水上建筑物安全標志的使用狀態，巡查海域內是否存在妨礙航行安全的漂流物、礙航物；

（3）交通密集區通航環境調查

無人直升機觀察、拍攝、跟蹤了解船舶在交通密集區的通過情況，調查巡航海域不同季節漁船、定置漁具、養殖區分布情況；

（4） 重大活動保障

利用無人直升機對中央、地方政府以及軍隊的一些重大海上活動進行通航保障，如大型海上運動會、軍事演習、衛星發射海上保障等。

典型任務剖面

圖4 無人機開展應急支持。

圖5 無人直升機執行通航保障任務。

無人直升機搭載光電、擴音、自動識別系統、海事對講系統和拋投等設備在監管海域執行日常巡查監管、應急支持、通航保障等任務，通過任務設備將監管畫面、船載自動識別系統信息、語音信息回傳至地面指揮中心，第一時間提供信息。同時也可向船只擴音喊話或海事對講系統對講喊話，向遇險海域拋投應急物資或示位標，提供應急支持。

日常巡查監管及通航保障

（1）無人直升機在海事基地展開飛行準備，如掛載任務設備、加注燃油等

（2）利用地面控制站，控制無人直升機垂直起飛；

（3）無人直升機轉入斜爬升飛行狀態；

（4）無人直升機進入巡航高度后按預設航線進入監管海域；

（5）無人直升機對監管航道、港地、錨地等海域開展日常巡查和觀測記錄；如果遇到非法捕撈、養殖、挖砂等違法行為，無人直升機進入盤旋飛行狀態，對違法船只和行為進行船載自動識別系統收集、喊話、語音通話并拍攝取證，將搜集的信息實時回傳至地面指揮中心；

（6）執行航海保障任務時，無人直升機到達任務高度后，對任務海域進行巡航，檢查助航裝置、海上建筑物的使用狀態，并將拍攝信息實時回傳至指揮中心；

（7）執行重大活動保障時，無人直升機到達任務高度后，對任務海域進行巡航，如遇到影響重大活動的船只或障礙物，進入盤旋飛行狀態，對障礙物進行定位，對船只進行船載自動識別系統收集、喊話以及語音通話，指導其駛離活動區域；

（8）完成巡查任務后，無人直升機返航。

應急支持

（1）接到任務后，為無人直升機掛裝任務設備，裝填救生物資，加注燃油等；

（2）利用地面控制站控制無人直升機垂直起飛；

（3）無人直升機轉入斜爬升飛行狀態；

（4）進入巡航高度后，無人直升機按預設航線進入任務海域；

圖6 日常巡查監管及保障任務執行過程。

圖7 應急支持任務過程。

（5）執行應急搜索和定位任務時，無人直升機對事故發生的海域開展搜索，當搜索到被困船只或人員時，通過定位裝置進行目標定位，并將遇險位置實時傳輸至指揮中心；

（6）開展應急現場支持時，無人直升機根據目標位置，進入盤旋飛行狀態，實時拍攝事故現場狀態并回傳至指揮中心，供應急輔助決策，并通過擴音設備進行現場喊話和提醒；

（7）需要拋投搜救物資時，無人直升機利用拋投設備將救生衣等物資投送給被困人員；

（8）完成應急支持任務后，無人直升機返航。

關鍵技術

復雜海洋環境下的通信技術

在無人直升機飛行高度較低時，無線通信需在海面環境下進行，無線電信號受海水鏡面反射效應影響，產生無線電信號疊加，多徑傳輸引起信道衰落。鑒于無線電信號在復雜海面上，特別是在有波浪的海面上傳輸時會受到各種干擾、吸收和衰減，如果在波浪波谷處發送無線電信號，大部分信號能量會被波浪阻擋和吸收，加大了通信的誤碼率。因此，需要對一種適用于海面無線通信環境，具備自愈能力的自適應聯網技術進行研究，建立高效、可靠的海面無線通信系統和通信機制，提高信道利用率。

海上目標智能識別技術

多光譜、紅外、可見光影像分別用于溢油監測、夜間偵察和日常電視監視監測。不同場景中這三種非同元傳感器具有不同目標的監測能力。因此，需要以傳感器的成像特性、像素精度、作用距離等多個角度為突破口開展技術攻關，建立適用于無人直升機機載平臺，具有對目標自動識別功能的傳感器決策融合方式，以達到更高的使用效能。

精準投放技術

針對無人直升機的應急支持需求，研究多體耦合飛行動力學建模、多體協調運動控制等一系列飛行控制技術，以及復雜海洋環境下的救援物資精準投放技術，解決投放過程存在的模型不確定性和旋翼下洗流、海上惡劣氣象條件如強風等外部干擾因素對投放性能的影響，對失事人員、船只實施精準救援。

海面應急迫降技術

無人直升機在執行海事作業時，一旦遭遇飛行安全故障，需進行海面應急迫降。應急漂浮系統可以提高無人直升機海上飛行的安全性，確保無人直升機在應急迫降時在海面穩定漂浮，為救援人員從海面成功撈起無人直升機爭取時間。因此，需針對無人直升機自轉下滑特性，開展無人直升機應急漂浮系統技術研究。

與其它裝備相比，無人直升機應用于海事領域，具備獨特優勢如垂直起降、定點懸停、低空飛行、無需專用跑道、響應速度快、搜索范圍廣、使用方式靈活、體積小、重量輕、研制和維護成本低、無人員傷亡等特點。無人直升機作為一種新的輔助手段應用到海事監管領域，能夠進一步補充完善海事監管服務體系，優化海上安全監管體系，對全面推進我國海事現代化發展具有積極意義。■