_无人机海洋观测系统集成技术研究

无人机海洋观测系统集成技术研究

王军锋1，邓 豪1，魏育成1,2，徐成华1,2

(1. 中科九度（北京）空间信息技术有限责任公司，北京 100190；

2. 中国科学院电子学研究所，北京 100190)

摘要: 本文主要针对特定区域海洋观测的需求，以海洋环境和海上目标机动快速监测为目标，研制基于船载无人直升机平台的多传感器海洋观测系统。重点研究海洋观测的系统集成技术，包括无人机与机载载荷的集成、数据处理系统的集成。开展船载无人机起降和多传感器协同海洋观测的系统集成验证试验，最终建立船载无人机海、陆、气一体化的海洋观测系统。为构建面向海洋实际业务应用系统奠定基础。

关键词：无人机；海洋观测；系统集成

中图分类号：V279 文献标识码：A

文章编号： 1672 – 7619(2017)05 – 0157 – 06 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.05.032

UAV onboard ocean observing system

WANG Jun-feng1, DENG Hao1, WEI Yu-cheng1,2, XU Cheng-hua1,2

(1. GeoDo (Beijing) Spatial Information Technology Co. Ltd., Beijing 100190, China;

2. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Abstract: The prototype is based on combined types of sensors which are equipped on UAV on board. It can be used for observing specified marine area to aim at monitoring the marine environment and objects. This paper focus on the system integration technology of ocean observation, including the integration of the UAV and the airborne load, and the data pro-cessing system. The system integration verification test of the ship carrying UAV landing and multi sensor cooperative ocean observation is carried out, finally, a marine observation system of the shipborne UAV ocean, land and gas integration is es-tablished, which will lay a foundation for building the actual ocean business application system.

Key words: UAV；ocean observe；system integration

0 引　言

海洋技术开发在传统海洋资源开发的基础上，不断向深远海新资源和能源开发转移。近年来，我国海洋事业进入快速发展时期，逐步完成“数字海洋”空间数据基础设施的构建，并用于海洋权益维护、海洋资源开发利用、海洋生态环境保护等方面。因此对海洋进行更加全面、系统地观测日益重要[1 – 4]。

舰载无人机以成本低、体积小、作战使用灵活、费效比高、可避免人员伤亡等优势，目前得到世界各国海军的广泛认可。尤其以舰载无人直升机，具备运动舰面自主起降能力，适合中大型水面舰艇搭载，能够执行战场侦察、目标指示、通信中继、电子对抗等多种任务；随着美国的 RQ-8A “火力侦察兵”无人机、奥地利的 S-100 无人机、瑞典的 APID-60 无人机在舰载海洋上的成功应用，舰载无人直升机展示了其用于海战的广阔前景。可以预见，无人机将成为未来舰载武器系统中不可替代的重要组成部分。

目前，海洋环境观测手段大多采用多种传感器、仪器及多种观测平台，对海域进行全时空、高密度、高频率的立体观测。对研究海域进行长期的、实时的、动态的、交互式的观测[5 – 6]。近年来，随着国内无人机技术的快速发展，无人机遥感监测已在民用技术领域得到广泛的应用并取得了良好的应用效果。在海洋环境监测方面，无人机作为一种新的遥感监测平台，成为空间数据获取的重要手段，与卫星航天遥

第39 卷 第 5 期舰 船 科 学 技 术Vol. 39, No. 5 2017 年 5 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY May , 2017

收稿日期: 2017 – 01 – 13

基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目(2014AA09A511)

作者简介: 王军锋(1976 – )，男，工程师，主要从事摄影测量与遥感、系统集成测试等工作。

感、有人机航空遥感、海面船舶调查形成有机补充，形成对海洋环境的全方位、立体化监测。同时随着无人机技术的不断成熟，能够搭载多种不同的海洋环境探测任务载荷，对各类海洋动力环境要素、海洋环境现象和海上目标进行探测。船载无人直升机探测技术以其高机动性、快速反应、高分辨率、低成本的应用特点在海洋观测系统中占有重要的地位[7 – 8]。为了更好地开发利用海洋资源，维护海洋权益，尽快发展和完善我国无人机海洋观测系统的集成应用技术研究目前已成为一个重要的研究课题。

1 无人机海洋观测系统组成

无人机海洋观测系统主要由 3 部分组成，分别是无人机飞行平台、海洋观测载荷和多源观测数据处理系统。其中海洋观测载荷主要包括了微型 SAR、激光

雷达、温湿度传感器等，为进行全方位的海洋观测提供了良好的观测手段。无人机系统作为飞行平台为载荷观测提供空中观测平台，在获取观测数据后，对不同观测数据进行处理与融合分析，从而形成一套完整的海洋观测系统。

1.1 无人机飞行平台

无人机海洋观测系统飞行平台选取 Z-5 型无人直升机，Z-5 型无人直升机结构组成如图 1 所示。

无人机海洋观测系统主要由直升机平台分系统、船载监控站分系统和船载保障分系统 3 部分组成。无人直升机平台分系统主要提供飞行和装载的功能，由机体结构、动力及传动系统、旋翼及尾桨系统、电气及控制系统等组成；船载监控站分系统由飞行控制与导航设备、数据链测控设备等组成，主要完成任务的规划、飞行状态的监测与控制等功能；船载保障分系统主要由船载供电设备、燃油加注设备等组成，主要用于维护、燃油加注、系留、飞行前的准备和测试[9]。Z-5 无人直升机主要技术指标如表 1 所示。

在 Z-5 型无人直升机系统的基础上，根据海洋观测船载使用环境的要求，进行无人机系统的船载适应性改造，包括结构的适应性改造、飞行控制系统的船载自主起降功能设计、测控系统的小型化设计以及船载保障系统的设计等，完成船载自主起降的功能测试，开展载荷集成工作，并配合载荷开展飞行试验。

无人直升机海洋观测系统的系统组成如图 2 所示。

1.2 海洋观测载荷

海洋观测环境复杂多变，不同的应用方向需要不同的载荷。海洋移动目标和海岛监测需要全天时、全天候的 SAR 载荷和光学摄像机；海洋动力环境观测需要 SAR 载荷和激光测风雷达；海气边界层观测需要激光测风雷达和温湿度检测仪，进而建立多传感器、多角度、全方位的海、陆、气一体化海洋监测系统[10]。

本系统根据应用需求，主要选取研制3款类型载荷：微小型全极化 SAR 载荷、相干多普勒激光测风雷达和温湿度检测仪，同时利用成熟的光学摄像机，开展多载荷协同作业，适应海洋观测应用。

1）无人机机载微小型全极化 SAR 载荷

针对海洋观测应用需求，SAR 载荷能够实现全极化 SAR 数据获取、SAR 数据实时成像处理。从而获得全天时、全天候海洋观测能力，满足海洋目标特性分析、目标识别、海岛地物分类等观测需求[11]。

2）无人机机载相干多普勒激光雷达

相干多普勒激光雷达是一种新型的遥感探测设备，探测数值精度高，能实现地面至低空 3 000 m 大气风场的无盲区探测，具有很高的时间分辨率（秒级）、空间分辨率（30~50 m）和精确度（0.5 m/s），并进行不间断连续探测。相干多普勒测风激光雷达可以快速、准确测量晴空大气三维风场，实时提供高精表 1 Z-5 型无人直升机主要技术指标

Tab. 1 Z-5 UAV main specifications

Z-5 型无人直升机技术指标

最大起飞重量/kg450

巡航速度/ km·h-1120

最大飞行速度/km/h-1180

动升限/m海拔高度 3 500

悬停升限/m海拔高度 2 500

续航时间/h4~6

任务载荷/kg50~80

测控距离/km100

起降方式自主起降

抗风能力6 级

图 1 Z-5 无人直升机结构组成图

Fig. 1 Z-5 UAV structure diagram

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