一種浮空通信中繼平臺的系統功能設計

李 攀,郭文剛,孫 樂,巫艷明

(1.應急管理部森林消防局,北京 100097;2.中國電子科學研究院,北京 100041;3.中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001)

0 引言

近年來,受全球氣候變化和極端天氣影響,世界各地森林火災頻發。這些火災都具有突發性強、過火面積廣、撲救難度大、持續時間長等特點,對森林資源、生態系統平衡、生物多樣性、全球碳循環及人類社會發展影響深遠。然而對重大森林火災的撲救,目前仍然是世界性難題,特別是在“斷路、斷網、斷電”的“三斷”條件下,森林火災滅火救援“最后一公里”實時通信還存在一定困難[1]。為解決森林火災滅火救援期間的偵察、指揮、通信等問題,提高滅火救援指揮效率,一些基于無人航空器的偵察通信系統逐漸進入應急救援視野[2-5],為解決極端惡劣條件下的應急通信問題提供了思路。我國東北、西南等原始林區,大多屬于“三斷”環境,當林區腹地發生火情時,救援力量通常采用徒步或直升機索滑降等方式接近火線實施滅火。但由于通信車難以就近部署,無法提供火場一線通信信號覆蓋,且高山密林遮擋經常導致超短波、衛星等應急指揮通信手段受限[6],救援力量一旦投入,極易與上級指揮所“失聯”,滅火指揮和人員安全難以得到有效保障。為有效解決森林火災滅火救援“最后一公里”指揮通信問題,本文結合森林消防隊伍滅火救援任務實際,對一種浮空通信中繼平臺系統的功能設計進行研究探討。

1 平臺選擇

浮空平臺一般是結合使用環境和實際需求,在航空飛行器上部署偵察、投放、照明、通信等裝置,從而實現相應的任務功能。常見的平臺類型包括系留系統、氦氣飛艇、固定翼無人機、多懸翼無人機、無人直升機等。

1.1 系留系統

系留系統是通過繩纜固定在地面,靠內部浮力或空氣升力滯留在空中的設備,包括系留無人機、系留飛艇等,具有定高、長時間駐留等優點。系留系統一般適合于固定任務區域保障,在地震地質災害等應急救援任務中有所應用,但在森林火災滅火救援等動態任務中應用較少,主要原因是存在機動性較差的短板。

1.2 氦氣飛艇

氦氣飛艇具備長續航、大掛載等其他平臺所不具備的優勢,但在應急救援任務中實用性不強,主要存在以下不足:①準備時間長,執行任務時需要充氣,無法滿足應急需求;②控制難度大,晝夜溫差易導致飛艇浮力和高度變化,需要持續調整;③使用成本高,飛艇體積巨大,對存放、起飛場地要求高。

1.3 固定翼無人機

固定翼無人機具有速度快、載重大、航程遠、飛得高等優點,在森林滅火中有灑水滅火應用,但在森林火災滅火救援任務通信保障中,還存在以下短板:①跑道要求高,需要長距離壓實跑道;②區域保障難,不能在重點區域上空懸停,難以提供穩定的區域通信補盲和通信中繼功能;③空中靈活性較差,飛行速度快,無法實現對火場的抵近偵察和長時間偵察。

1.4 多旋翼無人機

多旋翼無人機在應急救援任務各個領域都有廣泛的應用,主要具有操作簡單、部署靈活、掛載豐富等優點;但在條件極端惡劣的大面積森林火災滅火救援中,多旋翼無人機續航短、載重小、抗風弱、飛行距離短等能力短板凸顯,無法滿足救援隊伍的保障需求。

1.5 無人直升機

相比系留系統、氦氣飛艇、固定翼無人機、多旋翼無人機等平臺,無人直升機更適合作為森林火災滅火救援任務通信保障的平臺選型。其續航時間較長,任務載荷較大,特別是以下優勢更符合森林火災滅火救援任務需求:①機動性強,能夠滿足轉場部署和隨時起降的應急需求;②場地要求低,通常需要15×15 m2硬化平整場地即可滿足起降要求,更適合林區林場內部署;③靈活性強,既能夠快速抵近目標,也可以實現空中懸停,符合任務保障要求。

2 系統使用方式

2.1 系統組成

浮空通信中繼平臺系統由“兩車兩機”組成,包括一輛測控車、一輛運輸車、兩架無人直升機。

測控車是無人直升機的地面控制系統,主要包括地面測控站和綜合保障系統。地面測控站的核心構成包括地面數據終端、數據處理與傳輸、人機交互三部分。地面數據終端部分主要完成上行數據的射頻變換及發送,下行數據的解析及輸出;數據處理與傳輸部分主要完成上行用戶遙控數據的接收、組幀和發送,完成下行用戶遙測數據/載荷數據的接收、解析、分發;人機交互部分主要產生無人直升機及光電吊艙的控制指令、語音數據,并發送給數據處理與傳輸部分,同時接收下行用戶遙測、視頻圖像數據及語音數據,完成解析和顯示。綜合保障系統為測控站提供電力、環控等運行保障,主要包括發電機、穩壓系統、空調系統、空氣循環系統等。

運輸車是無人直升機平臺的方艙式運輸載體,通過液壓起重裝置完成無人直升機的裝卸載。同時,在方艙內部署簡易視頻會商系統,在無人直升機卸載后,運輸車方艙可臨時拓展為指揮所。

無人直升機主要由機體結構、旋翼系統、傳動系統、動力系統、燃油系統、飛控系統、電氣系統、航電系統等組成,同時集成了光電吊艙、超短波語音轉信、寬帶自組網等設備;飛行半徑100 km,持續工作6 h以上,實用升限3000 m,抗風能力達6級。

2.2 使用方式

浮空通信中繼平臺旨在解決縱深林區內滅火救援的通信保障難題。其使用原理與衛星通信類似,利用無人直升機掛載光電吊艙、超短波語音中繼、寬帶自組網等設備,抵近任務區域為救援隊伍提供無線通信覆蓋和中繼,同時建立一線隊伍和前方指揮所的通聯鏈路,實現偵察畫面回傳。如圖1所示,浮空通信中繼平臺可以為一線隊伍和前方指揮所提供通信中繼傳輸鏈路;前方指揮所可以通過有線鏈路和衛星鏈路與后方指揮所建立通聯,實現火場空中偵察、一線態勢信息的實時共享;同時解決復雜地理環境下一線隊伍內部的語音中繼指揮問題。

圖1 浮空通信中繼平臺示意圖

3 任務系統設計

結合森林火災應急救援實際,浮空通信中繼平臺需要具備三項主要能力:一是監測預警能力,根據航線規劃在林區內進行空中巡護,發現火情自動識別、報警并定位;二是火情偵察能力,從空中和地面對火情火勢進行偵察,形成林火態勢可視化管理,為前方指揮所提供輔助決策;三是通信中繼能力,為一線隊伍與前方指揮所建立通信鏈路,實現信息互通。基于以上能力需求,任務系統設計主要包括偵察分系統、通信分系統和顯控分系統。

3.1 偵察分系統

偵察分系統是由部署在飛機上的光電吊艙負責從空中對火勢進行偵察,主要包括陀螺穩定平臺、光學載荷和電子學組件。系統組成如圖2所示。

圖2 偵察分系統組成圖

陀螺穩定平臺是偵察分系統的姿態保持和控制部分,主要包含四框架結構、軸系、電機、編碼器、陀螺和伺服控制模塊等部件;通過伺服穩定算法,有效隔離載機振動、風阻等外部擾動的影響,穩定所搭載的可見光攝像機、紅外熱像儀、激光測距機等有效光學載荷視軸,保證在工作狀態下獲取清晰、穩定的圖像。光電載荷是偵察分系統的核心部分,是實現對地偵察、測量工作的最直接組成部件。電子學組件是偵察分系統的通訊和控制部分:通訊組件負責外部遙測、遙控數據的交互;二次電源管理用于控制光學載荷的獨立通斷電,能夠在輕任務區關閉無用載荷,減少功耗;視頻跟蹤器的主要作用是實現對興趣目標的自動鎖定、跟蹤。

偵察分系統依托無人直升機測控鏈路的下行圖傳通道(帶寬4 Mbps)實現將光電偵察視頻信息回傳至地面站的顯控系統。顯控分系統通過測控鏈路(帶寬4 kbps)對光電偵察分系統進行光電載荷控制。

3.2 通信分系統

3.2.1 寬帶自組網系統

寬帶自組網系統是基于COFDM技術的MAENT(Mobile Ad-Hoc networks working group),是一種扁平化的無中心網絡,具有自愈自組織的特點。網絡中沒有邏輯上或物理上的中心節點。各網絡節點通過相鄰節點與其他網絡節點以無線多跳方式通聯,可以快速建立火場的各節點網絡之間的高速傳輸通道,滿足火場通信寬帶業務保障需求。

當無人直升機距離測控站距離大于10 km時,機上自組網與測控站自組網設備的距離超出覆蓋范圍,而前端一線人員背負的自組網與機載自組網設備仍具備正常通信功能。為解決飛機離地面站距離遠而與前指寬帶自組網設備不能通信的問題,通過無人直升機上的測控數據鏈和圖傳系統,將單兵偵察設備所采集的視頻、定位信息回傳至測控站,且與超短波手持臺實現雙向的語音互通。

無人直升機圖傳數據鏈系統是非對稱無線網絡,下行鏈路帶寬比較寬,適用于光電吊艙視頻下傳到地面測控站;上行鏈路窄,主要用于上傳對飛機及光電吊艙的控制信息。本文提出充分利用無人直升機的測控數據鏈,寬帶自組網和超短波通信均通過數據鏈傳輸信息,極大地擴展寬帶自組網和超短波的通信距離。本文所述數據鏈下行圖傳帶寬8 Mbps,雙向數據通道各32 kbps。其中,光電吊艙占用下行圖傳帶寬4 Mbps,可為自組網系統提供的可用下行傳輸帶寬不大于4 Mbps,上下行數據帶寬不大于10 kbps。無人直升機測控鏈的接口一般為SDI視頻輸入接口和422串行接口,因此需在無人直升機上部署一臺IP-SDI轉換設備,將寬帶自組網設備以太網接口輸出的視頻數據格式轉化為SDI視頻方式傳回測控站的顯控設備。寬帶自組網視頻經圖傳數據鏈回傳至地面測控站是單向的,定位信息和控制信令可以進行雙向傳輸,如圖3所示。

圖3 寬帶自組網系統傳輸示意圖

無人機與地面控制站100 km單跳傳輸速率約為4 Mbps;無人機到背負臺單跳傳輸速率約為34 Mbps。二者比值約為4:34。系統中兩跳采用時分工作,兩跳傳輸速率約為4×34/38=3.57(Mbps),足夠滿足一路單兵偵察的視頻信息傳輸。

3.2.2 超短波語音通信中繼系統

超短波語音通信中繼系統主要由機載超短波語音中繼系統、車載窄帶語音控制器以及應用于極低帶寬的測控鏈路的內嵌語音數據交互控制軟件組成。系統連接示意如圖4所示。

圖4 超短波通信系統示意圖

超短波語音通信占用無人機測控數據鏈上下行各4 kbps,需要通過部署在地面測控站的窄帶語音控制器進行信息通信。窄帶語音控制器采用SIP 2.0協議和G711A音頻編解碼方式,利用數字采集及核心壓縮算法技術,將原來需要256 kbps傳輸的數字語音及控制信令數據,通過4 kbps～6 kbps的帶寬鏈路完成傳輸,主要用于極窄帶寬鏈路條件下的窄帶語音媒體、控制信令數據的傳輸和處理。

3.3 顯控分系統

顯控分系統主要完成對偵察分系統、通信分系統的指令發送、狀態接收等功能,并根據偵察分系統的視頻、數據信息及無人直升機的狀態信息形成森林火場態勢,是浮空通信中繼平臺與后方指揮中心溝通的橋梁。系統主要包括信息匯聚功能、信息處理功能及態勢展示功能,如圖5所示。

圖5 顯控分系統示意圖

顯控分系統最主要的功能是根據偵察分系統與無人直升機信息,展示火線分布、火災態勢、火災報警信息,實現音視頻和數字地圖的融合。系統工作流程如圖6所示。

圖6 顯控分系統工作流程圖

視頻圖像處理是通過對真實視頻、圖片進行智能分析,提取出關鍵信息,并添加可能的上下文語義描述。視頻圖片結構化是為了便于系統分析、檢索和查詢視頻圖片中的相關信息,對視頻、圖片中特定的對象進行描述。針對視頻幀的增刪操作,需要將時間信息考慮在內,匹配并校正GPS和視頻數據時間,采用線性插值的方法完成視頻幀的地理位置計算,建立視頻軌跡空間信息,效果如圖7所示。

圖7 視頻提取火場信息

4 應用前景

在重特大森林火災的撲救中,把控火場全局,掌握蔓延趨勢,科學部署力量,高效組織指揮至關重要。通信保障工作的順暢與否直接決定了滅火救援的安全和效率。以往在滅火救援中,指揮通信和信息獲取通常采用地面既設的通信中繼塔臺,或依靠人力背負通信中繼設備實現區域范圍內指揮通信。一方面林火的突發性和隨機性決定了既設通信中繼的局限性,另一方面林火的復雜性和環境的惡劣性決定了人為架設組網的遲滯性和危險性,因此無法滿足應急通信保障的實際需求。利用浮空通信中繼平臺的長航時、遠距離、多功能等優勢,可以有效解決快速偵察、通信建鏈、區域補盲、輔助決策等難題,同時極大地降低滅火救援人員的安全隱患,提高指揮通信效率。在此基礎上,通過多個浮空通信中繼平臺實現更大面積火場區域范圍內的全域組網,基本可以解決重特大森林火災等大面積災害事故現場的指揮通信問題[7],為空地協同救援提供快速準確的信息來源,為應急救援提供高效的輔助決策。