一种浮空通信中继平台的系统功能设计

李 攀,郭文刚,孙 乐,巫艳明

(1.应急管理部森林消防局,北京 100097;2.中国电子科学研究院,北京 100041;3.中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

0 引言

近年来,受全球气候变化和极端天气影响,世界各地森林火灾频发。这些火灾都具有突发性强、过火面积广、扑救难度大、持续时间长等特点,对森林资源、生态系统平衡、生物多样性、全球碳循环及人类社会发展影响深远。然而对重大森林火灾的扑救,目前仍然是世界性难题,特别是在“断路、断网、断电”的“三断”条件下,森林火灾灭火救援“最后一公里”实时通信还存在一定困难[1]。为解决森林火灾灭火救援期间的侦察、指挥、通信等问题,提高灭火救援指挥效率,一些基于无人航空器的侦察通信系统逐渐进入应急救援视野[2-5],为解决极端恶劣条件下的应急通信问题提供了思路。我国东北、西南等原始林区,大多属于“三断”环境,当林区腹地发生火情时,救援力量通常采用徒步或直升机索滑降等方式接近火线实施灭火。但由于通信车难以就近部署,无法提供火场一线通信信号覆盖,且高山密林遮挡经常导致超短波、卫星等应急指挥通信手段受限[6],救援力量一旦投入,极易与上级指挥所“失联”,灭火指挥和人员安全难以得到有效保障。为有效解决森林火灾灭火救援“最后一公里”指挥通信问题,本文结合森林消防队伍灭火救援任务实际,对一种浮空通信中继平台系统的功能设计进行研究探讨。

1 平台选择

浮空平台一般是结合使用环境和实际需求,在航空飞行器上部署侦察、投放、照明、通信等装置,从而实现相应的任务功能。常见的平台类型包括系留系统、氦气飞艇、固定翼无人机、多悬翼无人机、无人直升机等。

1.1 系留系统

系留系统是通过绳缆固定在地面,靠内部浮力或空气升力滞留在空中的设备,包括系留无人机、系留飞艇等,具有定高、长时间驻留等优点。系留系统一般适合于固定任务区域保障,在地震地质灾害等应急救援任务中有所应用,但在森林火灾灭火救援等动态任务中应用较少,主要原因是存在机动性较差的短板。

1.2 氦气飞艇

氦气飞艇具备长续航、大挂载等其他平台所不具备的优势,但在应急救援任务中实用性不强,主要存在以下不足:①准备时间长,执行任务时需要充气,无法满足应急需求;②控制难度大,昼夜温差易导致飞艇浮力和高度变化,需要持续调整;③使用成本高,飞艇体积巨大,对存放、起飞场地要求高。

1.3 固定翼无人机

固定翼无人机具有速度快、载重大、航程远、飞得高等优点,在森林灭火中有洒水灭火应用,但在森林火灾灭火救援任务通信保障中,还存在以下短板:①跑道要求高,需要长距离压实跑道;②区域保障难,不能在重点区域上空悬停,难以提供稳定的区域通信补盲和通信中继功能;③空中灵活性较差,飞行速度快,无法实现对火场的抵近侦察和长时间侦察。

1.4 多旋翼无人机

多旋翼无人机在应急救援任务各个领域都有广泛的应用,主要具有操作简单、部署灵活、挂载丰富等优点;但在条件极端恶劣的大面积森林火灾灭火救援中,多旋翼无人机续航短、载重小、抗风弱、飞行距离短等能力短板凸显,无法满足救援队伍的保障需求。

1.5 无人直升机

相比系留系统、氦气飞艇、固定翼无人机、多旋翼无人机等平台,无人直升机更适合作为森林火灾灭火救援任务通信保障的平台选型。其续航时间较长,任务载荷较大,特别是以下优势更符合森林火灾灭火救援任务需求:①机动性强,能够满足转场部署和随时起降的应急需求;②场地要求低,通常需要15×15 m2硬化平整场地即可满足起降要求,更适合林区林场内部署;③灵活性强,既能够快速抵近目标,也可以实现空中悬停,符合任务保障要求。

2 系统使用方式

2.1 系统组成

浮空通信中继平台系统由“两车两机”组成,包括一辆测控车、一辆运输车、两架无人直升机。

测控车是无人直升机的地面控制系统,主要包括地面测控站和综合保障系统。地面测控站的核心构成包括地面数据终端、数据处理与传输、人机交互三部分。地面数据终端部分主要完成上行数据的射频变换及发送,下行数据的解析及输出;数据处理与传输部分主要完成上行用户遥控数据的接收、组帧和发送,完成下行用户遥测数据/载荷数据的接收、解析、分发;人机交互部分主要产生无人直升机及光电吊舱的控制指令、语音数据,并发送给数据处理与传输部分,同时接收下行用户遥测、视频图像数据及语音数据,完成解析和显示。综合保障系统为测控站提供电力、环控等运行保障,主要包括发电机、稳压系统、空调系统、空气循环系统等。

运输车是无人直升机平台的方舱式运输载体,通过液压起重装置完成无人直升机的装卸载。同时,在方舱内部署简易视频会商系统,在无人直升机卸载后,运输车方舱可临时拓展为指挥所。

无人直升机主要由机体结构、旋翼系统、传动系统、动力系统、燃油系统、飞控系统、电气系统、航电系统等组成,同时集成了光电吊舱、超短波语音转信、宽带自组网等设备;飞行半径100 km,持续工作6 h以上,实用升限3000 m,抗风能力达6级。

2.2 使用方式

浮空通信中继平台旨在解决纵深林区内灭火救援的通信保障难题。其使用原理与卫星通信类似,利用无人直升机挂载光电吊舱、超短波语音中继、宽带自组网等设备,抵近任务区域为救援队伍提供无线通信覆盖和中继,同时建立一线队伍和前方指挥所的通联链路,实现侦察画面回传。如图1所示,浮空通信中继平台可以为一线队伍和前方指挥所提供通信中继传输链路;前方指挥所可以通过有线链路和卫星链路与后方指挥所建立通联,实现火场空中侦察、一线态势信息的实时共享;同时解决复杂地理环境下一线队伍内部的语音中继指挥问题。

图1 浮空通信中继平台示意图

3 任务系统设计

结合森林火灾应急救援实际,浮空通信中继平台需要具备三项主要能力:一是监测预警能力,根据航线规划在林区内进行空中巡护,发现火情自动识别、报警并定位;二是火情侦察能力,从空中和地面对火情火势进行侦察,形成林火态势可视化管理,为前方指挥所提供辅助决策;三是通信中继能力,为一线队伍与前方指挥所建立通信链路,实现信息互通。基于以上能力需求,任务系统设计主要包括侦察分系统、通信分系统和显控分系统。

3.1 侦察分系统

侦察分系统是由部署在飞机上的光电吊舱负责从空中对火势进行侦察,主要包括陀螺稳定平台、光学载荷和电子学组件。系统组成如图2所示。

图2 侦察分系统组成图

陀螺稳定平台是侦察分系统的姿态保持和控制部分,主要包含四框架结构、轴系、电机、编码器、陀螺和伺服控制模块等部件;通过伺服稳定算法,有效隔离载机振动、风阻等外部扰动的影响,稳定所搭载的可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机等有效光学载荷视轴,保证在工作状态下获取清晰、稳定的图像。光电载荷是侦察分系统的核心部分,是实现对地侦察、测量工作的最直接组成部件。电子学组件是侦察分系统的通讯和控制部分:通讯组件负责外部遥测、遥控数据的交互;二次电源管理用于控制光学载荷的独立通断电,能够在轻任务区关闭无用载荷,减少功耗;视频跟踪器的主要作用是实现对兴趣目标的自动锁定、跟踪。

侦察分系统依托无人直升机测控链路的下行图传通道(带宽4 Mbps)实现将光电侦察视频信息回传至地面站的显控系统。显控分系统通过测控链路(带宽4 kbps)对光电侦察分系统进行光电载荷控制。

3.2 通信分系统

3.2.1 宽带自组网系统

宽带自组网系统是基于COFDM技术的MAENT(Mobile Ad-Hoc networks working group),是一种扁平化的无中心网络,具有自愈自组织的特点。网络中没有逻辑上或物理上的中心节点。各网络节点通过相邻节点与其他网络节点以无线多跳方式通联,可以快速建立火场的各节点网络之间的高速传输通道,满足火场通信宽带业务保障需求。

当无人直升机距离测控站距离大于10 km时,机上自组网与测控站自组网设备的距离超出覆盖范围,而前端一线人员背负的自组网与机载自组网设备仍具备正常通信功能。为解决飞机离地面站距离远而与前指宽带自组网设备不能通信的问题,通过无人直升机上的测控数据链和图传系统,将单兵侦察设备所采集的视频、定位信息回传至测控站,且与超短波手持台实现双向的语音互通。

无人直升机图传数据链系统是非对称无线网络,下行链路带宽比较宽,适用于光电吊舱视频下传到地面测控站;上行链路窄,主要用于上传对飞机及光电吊舱的控制信息。本文提出充分利用无人直升机的测控数据链,宽带自组网和超短波通信均通过数据链传输信息,极大地扩展宽带自组网和超短波的通信距离。本文所述数据链下行图传带宽8 Mbps,双向数据通道各32 kbps。其中,光电吊舱占用下行图传带宽4 Mbps,可为自组网系统提供的可用下行传输带宽不大于4 Mbps,上下行数据带宽不大于10 kbps。无人直升机测控链的接口一般为SDI视频输入接口和422串行接口,因此需在无人直升机上部署一台IP-SDI转换设备,将宽带自组网设备以太网接口输出的视频数据格式转化为SDI视频方式传回测控站的显控设备。宽带自组网视频经图传数据链回传至地面测控站是单向的,定位信息和控制信令可以进行双向传输,如图3所示。

图3 宽带自组网系统传输示意图

无人机与地面控制站100 km单跳传输速率约为4 Mbps;无人机到背负台单跳传输速率约为34 Mbps。二者比值约为4:34。系统中两跳采用时分工作,两跳传输速率约为4×34/38=3.57(Mbps),足够满足一路单兵侦察的视频信息传输。

3.2.2 超短波语音通信中继系统

超短波语音通信中继系统主要由机载超短波语音中继系统、车载窄带语音控制器以及应用于极低带宽的测控链路的内嵌语音数据交互控制软件组成。系统连接示意如图4所示。

图4 超短波通信系统示意图

超短波语音通信占用无人机测控数据链上下行各4 kbps,需要通过部署在地面测控站的窄带语音控制器进行信息通信。窄带语音控制器采用SIP 2.0协议和G711A音频编解码方式,利用数字采集及核心压缩算法技术,将原来需要256 kbps传输的数字语音及控制信令数据,通过4 kbps～6 kbps的带宽链路完成传输,主要用于极窄带宽链路条件下的窄带语音媒体、控制信令数据的传输和处理。

3.3 显控分系统

显控分系统主要完成对侦察分系统、通信分系统的指令发送、状态接收等功能,并根据侦察分系统的视频、数据信息及无人直升机的状态信息形成森林火场态势,是浮空通信中继平台与后方指挥中心沟通的桥梁。系统主要包括信息汇聚功能、信息处理功能及态势展示功能,如图5所示。

图5 显控分系统示意图

显控分系统最主要的功能是根据侦察分系统与无人直升机信息,展示火线分布、火灾态势、火灾报警信息,实现音视频和数字地图的融合。系统工作流程如图6所示。

图6 显控分系统工作流程图

视频图像处理是通过对真实视频、图片进行智能分析,提取出关键信息,并添加可能的上下文语义描述。视频图片结构化是为了便于系统分析、检索和查询视频图片中的相关信息,对视频、图片中特定的对象进行描述。针对视频帧的增删操作,需要将时间信息考虑在内,匹配并校正GPS和视频数据时间,采用线性插值的方法完成视频帧的地理位置计算,建立视频轨迹空间信息,效果如图7所示。

图7 视频提取火场信息

4 应用前景

在重特大森林火灾的扑救中,把控火场全局,掌握蔓延趋势,科学部署力量,高效组织指挥至关重要。通信保障工作的顺畅与否直接决定了灭火救援的安全和效率。以往在灭火救援中,指挥通信和信息获取通常采用地面既设的通信中继塔台,或依靠人力背负通信中继设备实现区域范围内指挥通信。一方面林火的突发性和随机性决定了既设通信中继的局限性,另一方面林火的复杂性和环境的恶劣性决定了人为架设组网的迟滞性和危险性,因此无法满足应急通信保障的实际需求。利用浮空通信中继平台的长航时、远距离、多功能等优势,可以有效解决快速侦察、通信建链、区域补盲、辅助决策等难题,同时极大地降低灭火救援人员的安全隐患,提高指挥通信效率。在此基础上,通过多个浮空通信中继平台实现更大面积火场区域范围内的全域组网,基本可以解决重特大森林火灾等大面积灾害事故现场的指挥通信问题[7],为空地协同救援提供快速准确的信息来源,为应急救援提供高效的辅助决策。