羅 艷,謝 健,徐淑升

(1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院 廣州 510300;2.國家海洋局南海分局 廣州 510300)

重視無人機系統(tǒng)在海洋工作中的作用

羅 艷1,謝 健1,徐淑升2

(1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院 廣州 510300;2.國家海洋局南海分局 廣州 510300)

海上航空技術是海洋開發(fā)與管理的重要技術支撐,文章在跟蹤國內(nèi)外海上無人機技術發(fā)展水平、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上,對國內(nèi)外無人機在海洋工作中的作用進行了深入的分析研究,為我國利用海上無人機技術開發(fā)與管理海洋提供技術支撐和情報支持。

無人機;海洋;USCG;海監(jiān)

21世紀是海洋經(jīng)濟飛速發(fā)展的世紀,隨著世界各國對海洋開發(fā)程度的加深,海上航空技術的重要性也日益凸顯。當今國內(nèi)外快速發(fā)展的無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)技術為我們發(fā)展海上航空技術提供了良好的契機。

筆者在跟蹤國內(nèi)外海上無人機技術發(fā)展水平、現(xiàn)狀和趨勢的基礎上,對國內(nèi)外無人機在海洋工作中的作用進行分析研究,為我國利用海上無人機技術提供技術支撐和情報支持[1]。

1 國內(nèi)外無人機發(fā)展水平現(xiàn)狀和趨勢

1.1 國內(nèi)外無人機發(fā)展水平現(xiàn)狀

1917年英國人研制出世界上第一架無人機,20世紀50年代開始對無人機進行廣泛應用。1982年以色列首先將無人機用于軍事,此后無人機開始快速發(fā)展。截至2010年,從事無人機研制和生產(chǎn)的國家有50多個。其中以美國在無人機研制、生產(chǎn)、裝備和使用都居領先地位。其次是以色列,其研制的無人機型號多、用途廣,有些被裝備到美國空軍和海軍,并為許多國家所大量購買。英國、法國、俄羅斯、加拿大、德國、意大利和荷蘭等國家也都積極參與了無人機的研制,現(xiàn)已有多種較先進的機型配備在這些國家的軍隊和政府組織中。除此之外,捷克、印度和巴基斯坦等國都裝備了無人機。當前國外無人機比較有代表性的有:美國的全球鷹、鸕鶿、捕食者和ScanEagle等,以色列的Heron、偵察兵,英國的不死鳥、螳螂,法國的紅隼、俄羅斯的雨燕等。

隨著我國科技水平的不斷提高,我國的無人機技術也得到了長足發(fā)展。2009年國慶大閱兵無人機方隊首次亮相就引起了廣泛關注。受閱的無人機有10架,分別為國產(chǎn)的3種型號的近程戰(zhàn)術和中程戰(zhàn)役無人偵察機。此次受閱,也顯示了我國無人機行業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。由于需求的增加和政府的支持,我國涌現(xiàn)了一批無人機研發(fā)生產(chǎn)企業(yè),如中國航天科工集團、青島天驕無人機遙感技術有限公司和桂林鑫鷹電子科技有限公司等,已經(jīng)生產(chǎn)出了多個無人機機型(表1和表2)。

從表1和表2中看到:相比國外,我國現(xiàn)有的無人機多為中小型、載重小、續(xù)航能力不足、載荷小且抗風能力差,無法勝任海上執(zhí)法工作的需求,而表1和表2中列出的國外無人機都是國外海上執(zhí)法部門或者海軍的現(xiàn)役飛機[2]。

隨著無人機的發(fā)展,我國與無人機機身相配套的控制系統(tǒng)和機載設施的研發(fā)工作取得了較大進展。在國家的支持下,中國測繪科學研究院相繼研制開發(fā)了UAVRS-I型和UAVRS-II型無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)。目前我國已有4家機構10余個型號的航測遙感產(chǎn)品通過了鑒定,可以負載數(shù)碼相機及數(shù)碼攝錄機等數(shù)字遙感設備進行拍攝和記錄。

1.2 無人機的發(fā)展趨勢

無人機的快速發(fā)展是從它踏上軍事舞臺開始的。目前國內(nèi)外無人機的型號超過300個,無人機應用已經(jīng)非常細化,按照軍事用途劃分,有靶機、偵察機、誘餌機、電子對抗機和攻擊型無人機等;按照無人機起飛的重量分為大、中、小型無人機;按照續(xù)航時間和航程的長短分為遠程、中程、短程和近程無人機。為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭和民間的需求,無人機的發(fā)展趨勢也呈現(xiàn)多方向化:分為微小型、靈巧型;高空高速、大型;作戰(zhàn)攻擊型;隱身型;高度集成、一機多用型。此外,對無人機性價比的要求也越來越高。

表1 國內(nèi)外部分固定翼無人機

表2 國內(nèi)外部分無人直升機

無人機在非軍事領域的應用也將越來越廣,近年來,無人機在國土、海洋、電力、測繪和救災等方面都發(fā)揮了越來越多的作用。2012年倫敦奧運會英國皇家空軍將使用“收獲者(Reaper)無人機”對倫敦進行治安監(jiān)控,美國海岸警衛(wèi)隊也將在其“深水計劃”中采購無人機。

2 發(fā)展海上無人機的重要性

我國海區(qū)遼闊,海島眾多,海岸線長,而海洋工作信息的分辨率要求高、時間要求快,僅靠衛(wèi)星和載人航空器獲取的數(shù)據(jù)已不能滿足需求。而無人機系統(tǒng)可以憑借其自身的優(yōu)勢為海監(jiān)提供技術支持,完成遙感監(jiān)測、調(diào)查取證、實時傳輸數(shù)據(jù)、海上救災和海港交通等任務,為海上經(jīng)濟活動提供保障[3]。與衛(wèi)星和載人航空器相比,無人機有自身獨特的優(yōu)勢。

2.1 機動靈活,能夠及時快速地獲取高分辨率影像和高精度定位數(shù)據(jù)

無人機機動靈活,時速范圍達30～400km/h,并能夠進行低空低速飛行作業(yè),起降條件較為寬松。能夠及時快速地抵達指定地點,并低空低速飛行拍攝以獲取高分辨率圖像、錄像和高精度定位數(shù)據(jù)。部分無人機兼具“隱形”功能,在進行調(diào)查取證時不易被察覺。

2.2 能夠全天候、大面積和長時間地獲取信息

無人機系統(tǒng)對天氣、起降地點的要求較低,續(xù)航時間長,飛行速度快,控制面積大,如果配合艦載,可以擴大活動半徑,對跟蹤鎖定船只、調(diào)查取證有很大的優(yōu)勢。

2.3 運行費用低,更新周期短,成本在不斷下降

無人機的運行費用低,技術更新快,成本也在不斷下降。運用無人機配合艦載,不需要大的起降臺,只要將已有的船只改造即可,節(jié)省大量費用。

2.4 適于危險區(qū)域的作業(yè)

在緊急事件、海洋災害、惡劣天氣的情況下,無人機可以代替有人機,及時趕到指定地點完成高污染、高強度和高危險任務。

3 國內(nèi)外無人機在海洋工作中的作用

3.1 無人機在國外海洋工作中的應用

國外的一些發(fā)達國家非常重視海洋無人機的作用,已經(jīng)將無人機應用于海洋監(jiān)視監(jiān)測、大氣取樣、海事偵察和打擊海上犯罪等海洋工作領域。例如,美國海關與邊境保衛(wèi)局(CBP)2005年就開始在西南邊境使用自己的海上型“捕食者B”無人機系統(tǒng),2009年延伸到了北部邊境,計劃2015年建成遍布全國的無人機系統(tǒng)(UAS)地面控制站網(wǎng),以保證UAS在全部的邊境地區(qū)使用。美國海洋與大氣局(NOAA)也已著手采用無人機進行天氣預報和全球變暖的研究。此外,澳大利亞、加拿大、英國和法國等國也都將無人機用于其海洋工作。

作為美國重要的一支海上執(zhí)法力量,美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)已經(jīng)著手通過“深水”計劃采購大批無人機。目前美國海岸警衛(wèi)隊所屬的海上巡邏飛機(M PA)每年飛行4.44萬h,與期望M PA目標6.16萬h還有很大差距。為了填補海上空中巡邏的空缺,并進行海上搜救和阻止海上犯罪,海岸警衛(wèi)隊計劃到2012年前采購大批艦載無人機,并計劃租用海軍“全球鷹”無人機獲得的數(shù)據(jù)[4-6]。為此,2003年,海岸警衛(wèi)隊同貝爾公司達成初步技術合同,計劃采購69架HV–911“鷹眼”偏旋翼無人機。但由于“鷹眼”無人機不符合性能要求,2008年海岸警衛(wèi)隊取消了HV-911的合同,繼而將目光投向了捕食者MQ-8“火力偵察兵”垂直起降無人機(V TUAV),同年,USCG和CBP成立了UAS聯(lián)合項目辦公室,以滿足共同的海上UAS需求[7-8]。2010年,美國海岸警衛(wèi)隊執(zhí)法大隊緝毒船開始在美國海軍MQ-8“火力偵察兵”的支持下稽查毒品。這都說明美國海洋工作越來越重視無人機的應用。

3.2 國內(nèi)無人機的應用

隨著無人機技術的發(fā)展,無人機在我國的應用也越來越廣泛,我國現(xiàn)有的無人機技術更多地應用在地質(zhì)、測繪、災害、城市規(guī)劃、大型工程、房地產(chǎn)、航拍、森林防火、農(nóng)場作業(yè)、科學考察探險和電力巡邏等領域,如利用無人機遙感技術獲取測繪西藏雪域高原的低空數(shù)碼遙感影像[9],以及利用無人機技術對汶川地震災區(qū)進行遙感航拍等。

但是,目前無人機在我國海洋工作中的應用還較少。我國的海洋工作使用的飛機主要有海監(jiān)飛機和海巡飛機,均為載人飛機。

4 海上無人機面臨的挑戰(zhàn)與機遇

4.1 海上無人機面臨的挑戰(zhàn)

(1)穩(wěn)定性相對較差。目前無人機的事故率比有人飛機高,即使是占世界市場份額70%的美國,其生產(chǎn)的無人機系統(tǒng)也比有人機的穩(wěn)定性差。

(2)海上的環(huán)境相比陸地更復雜多變。由于海上復雜多變的環(huán)境,海上無人機面臨著防潮、海水的蒸發(fā)以及風的湍流擴散作用的挑戰(zhàn)[10]。

(3)基于GPS導航的無人機有受他國控制和易受干擾的潛在危險。

(4)無人機在法律上還存在障礙。我國《民用無人機空中交通管理辦法》中就規(guī)定:“申請劃設民航無人機臨時飛行空域時,應當避免與其他載人民用航空器在同一空域內(nèi)飛行”。這一約束也對無人機的廣泛運用有一定的限制作用。

4.2 海上無人機面臨的機遇

4.2.1 軍事沖突帶來的發(fā)展機遇

在最近幾次軍事沖突中,尤其是在阿富汗,小型無人機取得了成功,從而加速了無人機系統(tǒng)的研制步伐。歐美各國大筆增加了無人機的訂單,這無疑對無人機技術發(fā)展有很大的促進作用[11-12]。

4.2.2 國家的大力支持

國家對于無人機的發(fā)展給予了大力支持,2009年國慶閱兵無人機方隊首次亮相,讓國人鼓舞。無人機技術的交流展示也日益增多,迄今為止,中國無人機大會已經(jīng)成功舉辦了三屆。

4.2.3 海上無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)的日趨成熟

經(jīng)過多年的技術引進及自主研究,我國已經(jīng)擁有自主研發(fā)的航空遙感監(jiān)測系統(tǒng)。這將對今后裝載無人機的遙感監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展打下良好的基礎[13-16]。

4.2.4 衛(wèi)星信號日趨豐富

我國最近發(fā)射了北斗導航衛(wèi)星,今后將擁有自己的全球定位系統(tǒng),無人機獲取的數(shù)據(jù)也可以通過我國的數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星傳送給陸地。

4.2.5 基礎信息的完善

近年來,我國海島海岸帶大比例尺GIS數(shù)據(jù)庫已日趨完善,利用豐富的地理信息可以輔助實現(xiàn)無人機的地面監(jiān)控[17]。

5 結論與建議

無人機作為海洋工作的重要工具將是今后海洋航空發(fā)展的重要趨勢之一。在對國內(nèi)外海上無人機發(fā)展水平、現(xiàn)狀和趨勢的研究的基礎上,筆者提出幾點發(fā)展海上無人機的建議。

(1)充分認識到無人機在海洋工作中的作用和發(fā)展趨勢,重視海上無人機的發(fā)展。

(2)制定適合我國國情的海上無人機發(fā)展規(guī)劃,立足于國內(nèi),引進吸收國外無人機領域的技術,發(fā)展自身衛(wèi)星信號通信導航的技術和無人機遙感監(jiān)測技術。

(3)著手培養(yǎng)無人機研發(fā)、使用人才。

(4)逐步完善法律法規(guī)。

[1] 孫仕祺,馬杰.歷史與現(xiàn)實:無人機發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及其所面臨的挑戰(zhàn)[J].飛航導彈,2005(1):14-19.

[2] 維基百科.無人航空載具[DB/OL].(2011-07-11)/[2011-08-03].http://zh.w ikipedia.org/w iki/%E7%84%A 1%E4%BA%BA%E8%88%AA%E7%A 9%BA%E8%BC%89%E5%85%B7.

[3] 李紫薇,曹紅杰.無人機海監(jiān)測繪遙感系統(tǒng)的應用前景[J].遙感信息,1998(4):32-33.

[4] Helicop ter History Site.US Coast Guard-Part III[EB/OL].(2007-06-03)/[2011-01-10].http://www.helis.com/featured/uscg_3.php.

[5]U.S.Department of Homeland Security,United States Coast Guard.Deepwater imp lementation p lan[J].Review,2006(9):21-21.

[6] KEETER H C.Coast guard partners w ith government,industry in unmanned aircraft system evaluation[J].Delivering the Goods-New s from the U.S.Coast Guard Acquisition Directorate,2008(11):3.

[7] United States Coast Guard.U.S.Coast guard aviation histo ry[EB/OL].(2010-12-04)/[2011-01-10]http://www.uscg.mil/history/w ebaircraft/aircrafttypeindex.asp.

[8] LCdr.Troy Beshears,USCG,Cap t.Gordon I.Peterson,USN(Ret.).The HV-911 eagle eye til-tro to r VUAV,an exciting future fo r coast guard aviation[J].American Society of Naval Engineers"ASNEDays"Technial Paper,2004(6):1-10.

[9] 李安利.雙發(fā)動機無人機系統(tǒng)航攝雪域高原獲成功[J].中國測繪,2009(1):79-79.

[10]白洋,梁俊,張強,等.基于海洋大氣波導的無人機高速數(shù)據(jù)鏈信道模型研究[J].空軍工程大學學報:自然科學版,2008,9(6):28-32.

[11]侯曉艷,莫雨.阿菜尼亞公司成功發(fā)射Sky-Y無人機[J].飛航導彈,2009(6):19-19.

[12]程靜倩.美海軍聚焦艦載無人機[J].海事大觀,2003(4):39-39.

[13]晏磊,呂書強,趙紅穎,等.無人機航空遙感系統(tǒng)關鍵技術研究[J].武漢大學學報:工學版,2004,37(6):67-70.

[14]楊暉.先進無人機飛地控制技術研究[J].飛行力學,2002,20(1):1-4.

[15]徐貴力,程月華,沈春林.基于激光掃描和計算機視覺的無人機全天候自主著陸導引技術[J].航空學報,2004,25(5):499-503.

[16]孫杰,林宗堅.無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J].遙感信息,2003(1):49-50.

[17]熊自明,葛文.基于GIS的無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].海洋測繪,2007(4):54-56.