基于移动平台的海域无人机监视监测系统研究

朱 瑞，施 麟，陈 宁

（1.江苏省海域使用动态监视监测中心，江苏南京210017；2.江苏省财政厅财政信息管理中心，江苏南京210024；3.江苏省水利网络数据中心，江苏南京210029）

0 引言

江苏省通过接入国家海洋信息通信网［1］，实现了国家-省-市-县四级网络全覆盖的海域动态监视监测体系［2］。2017年，江苏省在全省沿海布设16座4G专网无线通信基站，将海洋信息通信网无线信号有效覆盖沿岸及近岸海域，实现有线专网与无线专网的无缝连接，实现近岸20公里海域有效覆盖。江苏省已利用卫星遥感、航空遥感、远程视频监控、现场监测等技术，对江苏省近岸海域开展了立体、实时监测，积累了大量遥感影像、海域海岛管理和监视监测数据。目前，江苏省海洋综合管控平台［3］是全省海域动态监视监测体系的核心业务平台，该平台依托海洋信息通信网江苏省节点，以“数据集中、资源整合、应用协同”为主线，以“夯实基础、突出管理、提升服务”为重点，将业务数据和基础数据融合，为海洋综合管理提供了有效的支撑。江苏省海洋综合管控平台是基于移动平台的海域无人机监视监测系统的基础支撑平台，部署于指挥中心。

1 研究目标

无人机遥感监测系统因具有机动快速的响应能力、低使用成本、高分辨率图像和高精度定位数据获取能力等特点，适用于低空遥感数据的快速获取［4］。无人机航测技术是空间数据获取的重要手段，凭借无人机机动灵活、高效快速和成本低廉的特点，可广泛地应用于海洋测绘、海域监管和海岛巡查等领域［5］。

1.1 无人机系统研究

装备一套长航时无人机遥感系统，满足稀少控制大比例尺测图精度要求的新型海飞行控制系统。包括无人机起降、飞行控制、监视监测数据采集、接收等相关的软硬件设备。开发应用于无人机航摄作业的航线规划、航摄质量快速检查、影像快速预处理软件和无人机遥感数据后处理软件，通过航摄作业测试，形成一套完整的固定翼轻型无人机遥感系统，满足高分辨率遥感影像获取与处理的需求。

1.2 无人机监控与管理系统研究

针对多作业模式、海量数据管理需求，通过研究应用无人机监控与管理系统，实现了从无人机任务规划、实时监控、协同作业到指挥调度、设备管理、数据管理、分析评估的全流程系统化管理。

1.3 无人机三维立体监管系统研究

将无人机、移动平台、地面采集终端等硬件设备一体化集成，具备无人机任务规划、无人机遥感影像与视频获取、地面视频采集、遥感影像快速处理、数据远程传输、宗海制图等功能为一体，可实现从地面到高空的全方位三维立体动态监管，实现从监视监测区域影像的快速获取、处理到海域使用信息的提取、成图的全流程作业。

1.4 移动平台研究

针对海域监视监测中作业地点多变和任务多样的需求，使用卫星通信、4G-VPDN通信、4G专网无线基站通信链路，实现无人机通用测控、数据采集、指挥调度、视频会商、作业保障等功能。

2 系统设计

2.1 无人机子系统

无人机子系统集成了无人机飞行平台、量测型数码相机、集成了双频GPS的飞行控制系统、通信系统等设备，具有高精度定位解算、相机定点曝光、自动旋修偏改正功能，获取高分辨率航空影像，满足遥感影像获取需要。为保障作业安全，提高影像数据质量，在执行任务的飞行准备阶段设计了作业检查记录、飞行日志等过程文件，检查内容主要包括无人机机体、通信链路、载荷、地面站、电池等硬件设备状态，功能方面主要检查GPS信号、飞机姿态、云台控制、地面站信息参数、图传链路通信性能等内容［6］。无人机系统中的无人机平台、数据链路、任务载荷、飞控地面站、载荷地面站等设备调试完成后，进行系统集成，完成地面测试后，进行了飞行联试；飞行联试后与无人机通用测控地面站进行飞行联试，通过车载集成的数据链路可在车内进行无人机控制，同时接收无人机视频遥测数据进行实时显示。海域无人机监视监测流程如图1所示，图例中最终成果为南通启东市吕四渔港经济区航摄正射影像［7］。

2.2 无人机监控与管理子系统

无人机监控与管理子系统由现场测控与指挥分系统、业务监控与管理分系统组成，两个分系统通过特定的数据接口进行交互，现场测控与指挥分系统负责飞行任务的具体实施和飞行数据的实时回传。业务监控与管理分系统负责任务和数据的管理以及任务的实时监控。无人机监控与管理子系统具备如下功能。

（1）全流程业务管理功能：任务创建，任务审核，任务规划、任务下发、任务总结、数据上传、任务评估、现场测控、现场综合监控、数据实时回传、全局任务监视、数据管理等功能。

（2）实时监测无人机任务信息、无人机实时飞行状态、视频、航迹信息与载荷信息的功能；系统可通过海洋信息通信网实现多任务实时测控信息回传；支持海洋信息通信网各用户获取无人机业务服务和数据支持。

（3）无人机飞行作业现场通过卫星通信、4G专网等通信链路将实时遥测信息、实时视频数据传送至无人机监控与管理子系统。

2.2.1 现场测控与指挥分系统

现场指挥与测控分系统主要分为协议转换模块、飞行监控模块、载荷与链路监控、无人机状态检查模块、视频实时拼接模块和数据管理模块。现场指挥与测控分系统部署于移动平台，主要实现对海域无人机现场作业任务的全程规范化管理。包括现场指挥、设备状态检查、通用测控、综合实时监控等。该分系统通过海洋信息通信网与海域无人机业务监控与管理分系统数据通信，实现指挥中心对现场任务状态的实时把握，实现对海域无人机作业任务的一体化监管。

2.2.2 业务监控与管理分系统

业务监控与管理分系统部署于指挥中心，主要包括任务管理模块、数据管理模块、全局任务监控模块和系统管理模块。业务监控与管理系统是面向海域无人机业务的综合服务平台。用于海域无人机实时任务监控、作业任务管理、人员及设备管理、监测数据与基础信息管理等。该分系实现海域无人机监视监测的全流程规范化管理，与现场指挥与测控软件进行实时数据通信可以及时掌握各无人机系统的作业状态，满足业务监控的精细化管理要求，实现海域无人机作业、业务数据与基础信息的统一管理。

图1 海域无人机监视监测流程

2.3 无人机三维立体监子系统

三维立体监管子系统集成了江苏省全海岸带高精度遥感影像数据，实现了地形地貌、海域使用现状和海上设施的仿真再现，实现了无人机遥感监测数据的快速处理，快速显示、快速测量与分析等［8］，同时集成了江苏省海域规划、海域权属、海岛数据，实现专题信息的管理和三维立体展示，支撑了海域使用状况的三维可视化管理。该平台具有基于三维的自动化航线设计功能，能够快速构建航飞线路，实现无人机飞行作业的实时立体三维监管，以及监管对象的实时监视监测。无人机三维立体监管子系统具备无人机遥感影像与视频获取、地面视频采集、遥感影像快速处理、数据远程传输、宗海制图等功能为一体，从监视监测区域影像的快速获取、处理到海域使用信息的提取、成图的全流程作业。

2.4 移动平台

移动平台包括1辆省级和15辆县级车体平台［9］、车体改装、数据处理与显示系统、通信传输系统、视频会商系统、车载定位系统及综合保障系统。省级移动平台由综合监控、指挥调度、数据管理、设备管理、系统管理等功能模块组成。综合监控模块包括车辆系统、无人机系统、远程监控系统、视频会商系统和基站系统的监控。

2.4.1 车载平台

移动平台配备机柜、取力发电机、电源接口箱、信号接口箱、不间断电源等设备，对车辆进行车体及车内的改装及设备安装。移动平台作为系统软硬件设备的承载平台，为海域监测人员提供工作空间，为应急监测任务的执行进行综合保障。车辆改装主要针对车顶、车底加固处理，安装车顶云台、天线等设备。

省级移动平台配备无人机/载荷控制摇杆以及飞行前状态检查软件、通用协议转换软件、飞行监控软件，实现对无人机的飞行控制、监测数据的实时处理，近场监测视频实时回传等功能。飞行监控软件可以通过三维可视化方式形象化的显示无人机实时飞行姿态和规划航迹，通过不同的控件形象化的展示飞机飞行状态参数信息。通用协议转换软件可以实现遥测服务和视频服务的开启与关闭，并能监测遥测数据和视频数据的实时流量。飞行前状态检查软件用于飞机起飞前对飞机的状态进行检查确认，并具备无人机设备状态检查的订制功能，可根据需求创建基于特定机型的设备状态检查模板。

2.4.2 数据采集

数据采集系统配备车顶摄像头和风速风向仪，该分系统可进行海域周边现场视频监测、视频存储、视频回放等功能，同时可以对现场风速风向进行测量。

2.4.3 数据处理与显示

数据处理与显示系统包括工控机、显示器、KVM、混合视频矩阵等硬件设备，同时安装视频拼接软件、数据管理软件。

2.4.4 通信传输

通信传输系统由卫星通信设备、VPDN路由器、交换机、无线基站接入终端、视频编解码器组成。搭建移动平台与海洋通信网相关节点的实时通信链路，实现实时视频会议、信息交互、远程应急调度指挥等功能。

2.4.5 视频会商

视频会商系统包括视频会议设备、单兵视频会议设备，可以接入海洋信息通信网视频会议系统，实现与海洋信息通信网相关节点的视频会议功能；可以将单兵采集视频实时发送到移动平台，拓展应急监测范围，形成省级、县级移动平台、单兵多点的应急监测能力。

2.4.6 车载定位

车载定位系统由北斗导航定位终端组成，能够实现应急车的导航定位，并能够通过短报文的形式将位置信息实时上传至指挥中心，实现对移动平台的实时监控定位功能。

2.4.7 综合保障分系统

综合保障系统由智能配电及中控、智能手持终端、对讲机、车辆设备综合监控等设备组成。可实现设备供电、设备运行的智能控制，并对车辆供电和设备运行状态进行实时监测。

3 系统实现

基于移动平台的海域无人机监视监测系统［10］集成充分考虑单机设备以及子系统集成，包括硬件设备、网络的传输和软件集成。硬件设备集成主要是对1辆省级和15辆县级车体平台车辆改装、相关设置安装调试。网络的传输集成主要有两种方式：一种是移动平台利用简单网络管理协议，通过网络采集硬盘录像机、4G-VPDN路由器、视频会议设备的状态信息，利用232、485协议通过串口采集车载云台摄像头、GPS设备、风速风向仪设备的状态信息，并将这些状态信息封装打包后利用4G-VPDN专网和4G基站专网将其发送到指挥中心。另一种是通过沿海已建立的16座4G专网无线基站无线通信基站，实现移动平台设备数据传输、移动数据采集，将采集的监测数据直接上传到海洋信息通信网。软件集成主要实现移动平台一体化实现无人机测控、移动平台综合指挥调度和海域机无人机数据综合管理。网路拓扑如图2所示。

4 结语

在海洋领域探索无人机应用和拓展无人机遥感监视监测技术，开展基于移动平台的海域无人机监视监测系统研究，实现与其他监视监测技术的结合，对丰富和完善海域监视监测技术体系，增强海域监管水平，提升江苏海洋综合管控能力具有重要意义。

图2 网络拓扑