基于移动平台的海域无人机监视监测系统集成技术与应用研究

导读

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在海洋事业取得快速发展的过程中，还要通过加强海域监视监测强化用海管理。而海域面积较大，单纯采用传统监视监测手段已经无法满足海域管理需求。采用无人机进行监视监测设备搭载，完成系统集成平台的开发，能够为海域的统一监控管理提供强有力的技术支撑。因此还应加强基于移动平台的海域无人机监视监测系统集成技术研究，从而使系统开发能够满足海域监管对监视监测技术的应用要求。

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2 C0 W/ O; k( l* g. B: B海域无人机监视监测系统开发问题
3 K+ c: p; E- `8 O% y针对海域环境进行监管，目前多采用各种传感器和仪器完成观测平台的搭建，希望能够实现海域的高频率、动态化观测。但就目前来看，海域面积较大，拥有不同应用场景业务需求，还要建立能够实现地面、空中舵机联动的监测网络，对海域进行立体化、全时空监测，才能使海域全面监管需求得到满足。采用无人机进行监视监测设备搭建，能够为空间数据获取提供重要手段，能够与卫星监测、传播调查等形成有机互补。但海域业务监管和指挥调度的角度来看，还要建立能够实现信息汇总的平台，以便通过实施一体化监测管理为人员制定管理决策提供科学依据。在移动互联网取得快速发展的背景下，完成适用于海域无人机监视监测系统的移动平台搭建，在平台上对各种关键技术进行集成，能够使全方位、立体化的海域监控体系得到建设，继而使海域空地业务的技术应用需求得到满足。
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基于移动平台的
. A: }' ]  v6 w& U3 L9 ~海域无人机监视监测系统集成技术
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2.1 系统功能组成
- \3 z5 Y2 _4 F1 q结合系统开发需求，海域无人机监视监测系统应包含移动平台、海域监视监测系统和数据处理系统三部分。其中，移动平台能够对海域无人机多作业任务进行汇总分析和处理，使各项业务得到集中监管，为无人机航迹规划提供支撑。海域监视监测系统能够根据任务完成设备状态检查，并完成载荷、链路状态的实时监测与控制，将数据实时传送至数据处理系统中。数据处理系统负责在后期完成各种监视监测数据的处理与分析，并对各种设备状态进行汇总管理，为飞行任务管理和业务开展提供数据支撑。由于系统同时具备无人机测控、卫星定位、应急监测、指挥调度、数据处理等多种功能，因此能够海域空地一体化通信指挥网络的建立提供支持，突破单架无人机操控的局限性，能够同时利用多架无人机实施海域监视监测管理。凭借卫星通信、4G链路等多种通信机制，系统能够对各种设备状态进行集中管理，并通过建立通用数据传输标准使多种设备异构数据处理问题得到解决，使地区负责海域管理的多机构实现多级联动，继而使系统具备大范围、跨区域的协同监管能力。
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3 w% |; l+ E" ]# q" |# C( t1 g6 @2.2平台任务集成
+ ^2 H1 n5 ~1 v( q9 {% C2 c1 h实际在移动平台开发过程中，需要考虑到海域监视监测任务具有多样化特点，需要在不同地点灵活开展作业，所以还要接入不同种类无人机，通过集中调度管理满足不同业务开展需求，继而使各种任务在平台上得到集成。而不同类型无人机采用不同的通信标准，想要实现无缝对接和在线实时管理，还要采取标准网络化测控数据接收终端，为平台通信提供保障。为此，需要使平台同时能够实现卫星通信和4G通信，能够通过有线和无线双链路与各种无人机通信设备顺利建立连接，使设备状态得到集中监控管理，实现海域空地数据统一采集。在无人机的统一调度指挥管理方面，需要使平台能够顺利与多个地面站建立连接，通过接力测控管理对多架无人机进行操控，同时完成多个区域的海域监视监测。建立统一数据接口和通信协议标准，使监视监测信息通过专网接入，能够在加强数据信息汇总和共享的同时，为无人机协同开展作业提供支撑。在各地面测控工作站接到海域监视监测任务后，通过登录无人机监视监测系统平台，能够使任务得到集成，由平台实现任务分配和无人机调度。平台根据调度计划对无人机状态信息进行获取后，可以根据作业区域、监测内容等完成飞行轨迹科学规划。利用系统平台实现任务集成和智能化管理，能够实现海域监视监测指挥调度一体化。
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2.3监视链路集成
在利用无人机进行海域监视监测的过程中，需要搭载激光雷达、光学摄像机、温湿度传感器、SAR等多种载荷，用于实现不同海域数据采集。对各种载荷进行集成，还要考虑设备链路集成问题，以便使监视监测数据得到可靠传输。从总体上来看，可以将载荷设备划分机载链路和地面链路两类，还要采用标准化接口完成设备间的数据传输。针对地面设备，可以链路控制模块实现飞行控制和任务操控两类指令的复合编码。借助遥控电台实现编码发射，能够保证通信的可靠性。针对机载设备，还应使用全向天线进行链路通信，保证无人机搭载的各种设备能够实现相互通信。在地面和空中设备通信方面，未避免因信号波动导致无人机在不同测控站之间反复进行数据传输，还要采用软切换测控技术，配备高增益智能天线和波束控制板进行无人机通信跟踪，通过快速扫描使链路尽快适应当前通信状态，达到无缝实施接入的目标，继而使链路通信得到集中监管。相较于传送遥测数据，视频数据传输容易出现不同步的问题，还要利用灰度投影方法进行视频编码，在加强无人机运动跟踪的基础上进行数据匹配和插值管理，使视频数据传输效率得到提高。而在各个测控站之间，采用通用无人机数据传输标准体系能够使各级海域监管单位实现链路集成，为系统实现海域动态监管提供支撑。
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: A1 E6 E5 Y; q4 O2.4监测数据集成
针对系统接收到的各种数据，还要在系统平台上进行集成，在满足任务智能规划需求的同时，使数据得到规范管理，继而为海域监视监测任务创建、分配、作业状态把控等操作提供依据。系统数据不仅包含各种监视监测数据，同时也包含各种设备状态数据。为实现数据集成处理，还要搭建系统数据集成工作站，配备数据交换机和观测显示器。利用串口链路和交换机，工作站能够与地面测控站总控机实现信息交互。从数据利用角度来看，需要采用面向服务的多层数据架构，将数据处理系统划分为载荷驱动、逻辑处理、界面交互等多个层别，统一采用文件系统与关系数据库实现系统数据协同存储，为数据索引提供支撑。在载荷驱动方面，需要建立动态链接库，对各载荷状态、观测数据和控制数据等进行获取，为逻辑层提供载荷功能。在系统逻辑层，需要根据数据访问需求进行载荷驱动仓访问，提取相应数据，为界面交互提供相应数据。在界面交互层别，需要采用MVC模式实现逻辑与UI的分离，将数据以可视化形式展现出来，满足用户数据使用需求。因此采用系统能够对各种遥测、视频等监视监测数据进行统一采集、分类、建库和更新，为数据查询和使用提供支持，同时也能实现各类设备状态数据分析，通过一体化处理加强设备管理，为海域业务的开展提供数据支撑。
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/ d; Z, K: b- U基于移动平台的
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; ~: Q8 T1 G# F3.1应用方案
某地区属于国家级海洋特别保护区，从2015年开始启动海域无人机监视监测系统开发项目，借助系统移动平台对区域海域实施动态化、立体化监控管理。结合不同监视监测业务需求，系统配备了天宝UX5无人机、大疆PHANTOM4PRO无人机等不同类型无人机，前一种为固定翼，完成2400万像相机搭载，适用于大范围航摄飞行，后者为四旋翼类型，配备TrimbleSPS985像控点设备和航拍设备，适用于小范围航摄飞行。结合所在地区海域业务应用需求，为无人机搭载微小型SAR荷载、多普勒激光测风雷达等观测设备，从而满足多载荷协同作业开展需求。在无人机执行任务过程中，可以利用卫星和4G通信链路进行飞行轨迹、遥测数据和视频数据等各种数据传输，并在数据得到集中处理后利用“720云”客户端进行数据发布。


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# p% `! m+ j" x2 S' P/ m3.2应用成效
) P3 @" k% ?8 d$ N. N从项目应用成效来看，能够用于对项目所在地区的海域进行实时动态监视监测，通过实现无人机高精度定位为近海范围内海域规划精确测绘工作开展提供支撑，输出测绘数据能够作为海域使用管理的基础性资料。如在某单位对74.1623h㎡海域进行申请时，利用无人机测算得到的面积达到74.1635㎡，差值仅为0.0012h㎡，能够达到测绘精度要求。在海域整治修复工程建设期间，采用系统对海域和周围海岛状况进行监视监测，能够使工程数据资料得到完整记录，为项目监管提供有力依据。根据系统提供的卫填海目标海域正射影像，及时确定了工程类型和规模，为专题图制作和生态环境监管提供了重要依据。期间发生了1次海域应急事件，利用系统快速完成了无人机飞行任务规划，并通过任务执行成功在第一时间获取了现场的影像数据，为后方指挥调度提供了宝贵的资料，最终使应急事件得到了有效处置。因此从总体来看，应用海域无人机监视监测系统平台开展海域监管工作，能够为海域使用监管、应急事件处置等各项工作提供数据保障。
结论：综上所述，搭建移动平台实现海域无人机监视监测系统任务集成，可以满足海、陆、空一体化监管业务开展需求，通过实现无人机飞行监视链路集成和监测数据集成达到实现海域协同监管的目标。从系统应用情况来看，能够满足海域实际业务的开展需求，对海域进行全方位、立体化监管，促使海洋权益得到有效维护。
$ b3 I" k3 w/ ^/ _* e9 r* W" {文章原刊于《电子世界》；作者：赵健 天津航天中为数据系统科技有限公司

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