宋在杰 白銀剛 唐健仁 張 莉

（中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

近年來，隨著氣候變暖和極端天氣增多，森林火場形勢極其嚴(yán)峻，尤其是森林防火工作更是森林管理工作的重中之重[1]。同時(shí)，由于森林面積大，林木可燃物多，林區(qū)地形復(fù)雜等不確定因素的影響，即時(shí)有效的高質(zhì)量火場偵察信息一方面可以輔助應(yīng)急部門決策者進(jìn)行正確的人員與物資的調(diào)配，另一方面，還可以使火場前線的消防人員進(jìn)行更為安全且高效的林火撲滅操作[2]。

針對火場偵察信息的獲取，傳統(tǒng)的地面火場偵察，主要通過人的視線或者安裝攝像頭等傳統(tǒng)的手段，考慮到森林地形復(fù)雜與人員分布不均等因素，不能準(zhǔn)確提供大范圍火場偵察信息；衛(wèi)星遙感火場偵察，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性較差，大火時(shí)不能滿足實(shí)際使用需求；無人機(jī)火場偵察，面對大面積的森林著火，無人機(jī)的可靠性大大降低，同時(shí)對于多個(gè)無人機(jī)火場偵察系統(tǒng)的開發(fā)也較為復(fù)雜[3]。

在森林火場偵察的應(yīng)用中，有人機(jī)通常分為固定翼有人機(jī)與旋翼有人機(jī)。固定翼有人機(jī)具有飛行速度快、續(xù)航時(shí)間長、遠(yuǎn)距離飛行和載荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在中、遠(yuǎn)距離范圍偵察作業(yè)中有著優(yōu)異的表現(xiàn)；旋翼有人機(jī)多為直升機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停，但是直升機(jī)多用于救火，其續(xù)航能力差，飛行距離短，適用于小范圍區(qū)域火場救援。在環(huán)境復(fù)雜、區(qū)域面積大的森林防火任務(wù)中，固定翼飛機(jī)更適合長遠(yuǎn)距離的偵察任務(wù)，其次固定翼有人機(jī)可實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳送。

該文針對目前火場偵察研究中存在的不足，基于固定翼特種飛機(jī)的平臺特性，提出了固定翼飛機(jī)加改裝的火場偵察系統(tǒng)飛機(jī)，通過飛機(jī)平臺加裝光電吊艙，利用衛(wèi)星通信傳輸手段建立的火場偵察系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與火場前指之間指揮調(diào)度，火場視頻圖像等信息實(shí)時(shí)回傳，確保火場情況實(shí)時(shí)上報(bào)，確保指揮決策科學(xué)有效，對于類似的森林火場偵察項(xiàng)目的實(shí)施具有一定的參考價(jià)值。

1 固定翼特種飛機(jī)平臺性能

固定翼特種飛機(jī)是碳纖維和玻璃纖維結(jié)構(gòu)的雙引擎特種飛機(jī)，最多可搭載4名機(jī)組人員。固定翼特種飛機(jī)由2臺高效的Austro Engine AE300煤油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)特殊設(shè)備和傳感器系統(tǒng)的安裝，用于航空測繪、偵察巡邏和地理空間調(diào)查等任務(wù)。碳纖維和玻璃纖維機(jī)身可確保最佳的空氣動(dòng)力學(xué)性能，確保飛行機(jī)組人員最高的飛行安全性。集成的Garmin G1000航空電子設(shè)備為飛行機(jī)組人員提供最佳的態(tài)勢感知能力和安全的飛行操作。特殊的材質(zhì)和多功能掛載使固定翼成為最適合和最多的經(jīng)過任務(wù)驗(yàn)證的特殊任務(wù)平臺。固定翼特種飛機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 固定翼特種飛機(jī)參數(shù)

固定翼特種飛機(jī)是一款雙引擎多用途特種飛機(jī)，在飛機(jī)的機(jī)頭、機(jī)腹和機(jī)背處可以加裝各類機(jī)載設(shè)備及傳感器系統(tǒng)。機(jī)頭可提供共2種類型的吊艙，機(jī)腹可提供4種類型的吊艙，機(jī)背可提供1種類型的吊艙，具體吊艙的技術(shù)參數(shù)詳見表2。以上7種吊艙都已取得歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局（CAAC）認(rèn)證，并且7種吊艙組合的固定翼飛機(jī)任務(wù)構(gòu)型都已取得CAAC頒發(fā)的型號認(rèn)可證（VTC），不需要重新進(jìn)行適航認(rèn)證。

表2 固定翼特種飛機(jī)吊艙參數(shù)

2 火場偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合該課題火場偵察系統(tǒng)研究的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)平臺和場地的限制，該次火場偵察系統(tǒng)的改裝飛機(jī)將利用固定翼特種飛機(jī)進(jìn)行。

圖1 基于固定翼特種飛機(jī)的火場偵察系統(tǒng)

2.1 火場偵察系統(tǒng)原理

圖1為一典型的基于固定翼飛機(jī)平臺的火場偵察系統(tǒng)原理圖。其中固定翼特種飛機(jī)搭載光電吊艙進(jìn)行圖像或視頻采集，任務(wù)管理計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行本地實(shí)時(shí)的圖像或視頻檢測，衛(wèi)通通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)或語音傳輸給通信衛(wèi)星[4]，通信衛(wèi)星作為地面衛(wèi)星站和衛(wèi)通系統(tǒng)的中間傳遞站，地面指揮與顯示系統(tǒng)收到飛機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像與位置信息后對森林火情進(jìn)行偵測與診斷，同時(shí)地面指揮可對有人機(jī)發(fā)送操作指令。該系統(tǒng)利用固定翼飛機(jī)平臺搭載火場偵察系統(tǒng)能實(shí)時(shí)進(jìn)行火場偵察，基于通信衛(wèi)星的傳輸，為森林火場偵察提供更可靠的保障。

該飛行平臺選擇固定翼特種飛機(jī)，能滿足系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)飛行要求。光電系統(tǒng)主要采用光電吊艙進(jìn)行紅外成像、高清可見光成像、紅外偽彩色圖像、定位以及測溫等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星主站與終端小站組成，衛(wèi)星主站是全網(wǎng)的控制、管理、指揮中心，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面數(shù)據(jù)網(wǎng)互連，支持動(dòng)中通的終端小站加載在飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與視頻業(yè)務(wù)傳輸，支持飛機(jī)編隊(duì)的飛行測控及指揮，可實(shí)現(xiàn)在中國海域巡邏數(shù)據(jù)回傳。顯控系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)載荷設(shè)備的接入、管理、存儲(chǔ)、顯控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｒ陨瞎δ軡M足火場偵察系統(tǒng)要求，也有利于森林防火中對于火場情況和火場救援時(shí)間的精度把握。

2.2 火場偵察系統(tǒng)的總體布局

森林火場偵察系統(tǒng)要求能夠?qū)ι只馂?zāi)范圍及位置進(jìn)行檢測，同時(shí)能夠進(jìn)行火情偵測、超視距通信、自主的路徑巡航。利用通用機(jī)頭吊艙將光電吊艙安裝在固定翼特種飛機(jī)機(jī)頭位置；將衛(wèi)星通信系統(tǒng)安裝在固定翼特種飛機(jī)機(jī)背位置；其他一些設(shè)備主要集中在固定翼特種飛機(jī)后行李艙內(nèi)。

通過對固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)的初步構(gòu)建，對火場偵察系統(tǒng)進(jìn)行了合理的總體布局?？傮w布局是指根據(jù)固定翼特種飛機(jī)平臺的總體特征，考慮加裝設(shè)備的功能和技術(shù)要求，通過總體設(shè)計(jì)，科學(xué)合理地選擇加裝設(shè)備的位置。在完成了固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)的初步構(gòu)建和總體布局后，固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)已初步具有森林火場偵察的功能。總體布局如圖2所示。

2.3 火場偵察系統(tǒng)的功能及性能參數(shù)

固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)加裝的多功能光電吊艙、衛(wèi)星通信和任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對森林火災(zāi)預(yù)警、森林著火點(diǎn)定位的偵察監(jiān)控功能。其主要功能如下：1）對森林著火點(diǎn)目標(biāo)具有大范圍、長時(shí)間的鎖定、跟蹤功能。2）具有紅外、高清可見光成像探測功能，對著火點(diǎn)進(jìn)行定位和識別。3）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)目標(biāo)視頻單向回傳和數(shù)據(jù)雙向通信，支持視頻、音頻、圖像和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?）具有著火點(diǎn)紅外測溫功能。5）具有著火面積區(qū)域大小測算功能。6）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的實(shí)時(shí)處理、分析和存儲(chǔ)。

圖2 總體設(shè)計(jì)布局

根據(jù)固定翼特種飛機(jī)平臺的特點(diǎn)及加裝的多功能光電吊艙、衛(wèi)星通信和任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)備的性能，固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)的主要性能參數(shù)見表3。

3 火場偵察系統(tǒng)的應(yīng)用

利用固定翼特種平臺加裝光電吊艙、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和任務(wù)管理計(jì)算機(jī)等機(jī)載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了火場偵察特種飛機(jī)系統(tǒng)。此次加裝的設(shè)備均在固定翼特種飛機(jī)構(gòu)型允許范圍內(nèi)，符合中國民航適航要求，同時(shí)，該火場偵察系統(tǒng)可應(yīng)用到類似的中小型飛機(jī)平臺上[5]，實(shí)現(xiàn)所需要的功能?；诠潭ㄒ硖胤N平臺加裝的光電吊艙、衛(wèi)通天線以及任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)備的火場偵察特種飛機(jī)系統(tǒng)如圖3所示。

基于固定翼特種飛行平臺實(shí)現(xiàn)的火場偵察特種飛機(jī)系統(tǒng)，選擇合適的飛行區(qū)域和航線，試驗(yàn)階段主用利用本場區(qū)域的林場作為試飛對象，對系統(tǒng)進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過對地面目標(biāo)的跟蹤、偵察、定位以及實(shí)時(shí)成像等功能進(jìn)行測試，試飛結(jié)果證明固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足森林防火的使用要求。

圖3 火場偵察特種飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)物

圖4是固定翼飛機(jī)飛行高度600 m，飛行速度200 km/h時(shí)光電吊艙利用可見光進(jìn)行林場巡查的實(shí)時(shí)圖片。圖片中可以清楚的看到林場上方的信息，如有火情發(fā)生或者著火點(diǎn)，光電吊艙可以實(shí)時(shí)觀測和精準(zhǔn)定位，便于火情決策和火災(zāi)救援。

圖4 光電吊艙可見光圖片

圖5是固定翼飛機(jī)飛行高度1 000 m，飛行速度180 km/h時(shí)光電吊艙利用紅外進(jìn)行林場巡查的實(shí)時(shí)偽彩圖片。圖片中可以清楚地看到林場區(qū)域的溫度信息，根據(jù)偽彩圖片可以實(shí)時(shí)的觀測到著火區(qū)域信息，便于火場信息的實(shí)時(shí)掌控。

通過固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)研究成果可以看出，基于固定翼特種飛機(jī)集成火場偵察系統(tǒng)，不僅可以完成森林或林場的巡查和監(jiān)視，還可以利用平臺特性更換其他機(jī)載任務(wù)設(shè)備完成地理測繪、航空攝影、海洋巡查等任務(wù)。

4 結(jié)語

該文利用固定翼特種平臺進(jìn)行了森林火場偵察系統(tǒng)的改裝，通過介紹森林防火的重要性和火場偵察信息獲取的現(xiàn)狀，構(gòu)建了火場偵察系統(tǒng)用于森林防火、林場巡查和災(zāi)后評估等場景。通過對固定翼特種飛機(jī)平臺基本性能和加改裝能力的介紹，選取火場偵察設(shè)備集成到飛機(jī)平臺上使其具備火場定位、測溫、面積估算等功能，試飛驗(yàn)證的結(jié)果顯示固定翼特種飛機(jī)火場偵察系統(tǒng)具有完成森林防火、林場巡查和災(zāi)后評估等功能。

圖5 光電吊艙紅外偽彩圖片