李 攀,郭文剛,孫 樂,巫艷明

(1.應(yīng)急管理部森林消防局,北京 100097;2.中國電子科學(xué)研究院,北京 100041;3.中國直升機(jī)設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

近年來,受全球氣候變化和極端天氣影響,世界各地森林火災(zāi)頻發(fā)。這些火災(zāi)都具有突發(fā)性強(qiáng)、過火面積廣、撲救難度大、持續(xù)時間長等特點,對森林資源、生態(tài)系統(tǒng)平衡、生物多樣性、全球碳循環(huán)及人類社會發(fā)展影響深遠(yuǎn)。然而對重大森林火災(zāi)的撲救,目前仍然是世界性難題,特別是在“斷路、斷網(wǎng)、斷電”的“三斷”條件下,森林火災(zāi)滅火救援“最后一公里”實時通信還存在一定困難[1]。為解決森林火災(zāi)滅火救援期間的偵察、指揮、通信等問題,提高滅火救援指揮效率,一些基于無人航空器的偵察通信系統(tǒng)逐漸進(jìn)入應(yīng)急救援視野[2-5],為解決極端惡劣條件下的應(yīng)急通信問題提供了思路。我國東北、西南等原始林區(qū),大多屬于“三斷”環(huán)境,當(dāng)林區(qū)腹地發(fā)生火情時,救援力量通常采用徒步或直升機(jī)索滑降等方式接近火線實施滅火。但由于通信車難以就近部署,無法提供火場一線通信信號覆蓋,且高山密林遮擋經(jīng)常導(dǎo)致超短波、衛(wèi)星等應(yīng)急指揮通信手段受限[6],救援力量一旦投入,極易與上級指揮所“失聯(lián)”,滅火指揮和人員安全難以得到有效保障。為有效解決森林火災(zāi)滅火救援“最后一公里”指揮通信問題,本文結(jié)合森林消防隊伍滅火救援任務(wù)實際,對一種浮空通信中繼平臺系統(tǒng)的功能設(shè)計進(jìn)行研究探討。

1 平臺選擇

浮空平臺一般是結(jié)合使用環(huán)境和實際需求,在航空飛行器上部署偵察、投放、照明、通信等裝置,從而實現(xiàn)相應(yīng)的任務(wù)功能。常見的平臺類型包括系留系統(tǒng)、氦氣飛艇、固定翼無人機(jī)、多懸翼無人機(jī)、無人直升機(jī)等。

1.1 系留系統(tǒng)

系留系統(tǒng)是通過繩纜固定在地面,靠內(nèi)部浮力或空氣升力滯留在空中的設(shè)備,包括系留無人機(jī)、系留飛艇等,具有定高、長時間駐留等優(yōu)點。系留系統(tǒng)一般適合于固定任務(wù)區(qū)域保障,在地震地質(zhì)災(zāi)害等應(yīng)急救援任務(wù)中有所應(yīng)用,但在森林火災(zāi)滅火救援等動態(tài)任務(wù)中應(yīng)用較少,主要原因是存在機(jī)動性較差的短板。

1.2 氦氣飛艇

氦氣飛艇具備長續(xù)航、大掛載等其他平臺所不具備的優(yōu)勢,但在應(yīng)急救援任務(wù)中實用性不強(qiáng),主要存在以下不足:①準(zhǔn)備時間長,執(zhí)行任務(wù)時需要充氣,無法滿足應(yīng)急需求;②控制難度大,晝夜溫差易導(dǎo)致飛艇浮力和高度變化,需要持續(xù)調(diào)整;③使用成本高,飛艇體積巨大,對存放、起飛場地要求高。

1.3 固定翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)具有速度快、載重大、航程遠(yuǎn)、飛得高等優(yōu)點,在森林滅火中有灑水滅火應(yīng)用,但在森林火災(zāi)滅火救援任務(wù)通信保障中,還存在以下短板:①跑道要求高,需要長距離壓實跑道;②區(qū)域保障難,不能在重點區(qū)域上空懸停,難以提供穩(wěn)定的區(qū)域通信補盲和通信中繼功能;③空中靈活性較差,飛行速度快,無法實現(xiàn)對火場的抵近偵察和長時間偵察。

1.4 多旋翼無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)在應(yīng)急救援任務(wù)各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,主要具有操作簡單、部署靈活、掛載豐富等優(yōu)點;但在條件極端惡劣的大面積森林火災(zāi)滅火救援中,多旋翼無人機(jī)續(xù)航短、載重小、抗風(fēng)弱、飛行距離短等能力短板凸顯,無法滿足救援隊伍的保障需求。

1.5 無人直升機(jī)

相比系留系統(tǒng)、氦氣飛艇、固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)等平臺,無人直升機(jī)更適合作為森林火災(zāi)滅火救援任務(wù)通信保障的平臺選型。其續(xù)航時間較長,任務(wù)載荷較大,特別是以下優(yōu)勢更符合森林火災(zāi)滅火救援任務(wù)需求:①機(jī)動性強(qiáng),能夠滿足轉(zhuǎn)場部署和隨時起降的應(yīng)急需求;②場地要求低,通常需要15×15 m2硬化平整場地即可滿足起降要求,更適合林區(qū)林場內(nèi)部署;③靈活性強(qiáng),既能夠快速抵近目標(biāo),也可以實現(xiàn)空中懸停,符合任務(wù)保障要求。

2 系統(tǒng)使用方式

2.1 系統(tǒng)組成

浮空通信中繼平臺系統(tǒng)由“兩車兩機(jī)”組成,包括一輛測控車、一輛運輸車、兩架無人直升機(jī)。

測控車是無人直升機(jī)的地面控制系統(tǒng),主要包括地面測控站和綜合保障系統(tǒng)。地面測控站的核心構(gòu)成包括地面數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)處理與傳輸、人機(jī)交互三部分。地面數(shù)據(jù)終端部分主要完成上行數(shù)據(jù)的射頻變換及發(fā)送,下行數(shù)據(jù)的解析及輸出;數(shù)據(jù)處理與傳輸部分主要完成上行用戶遙控數(shù)據(jù)的接收、組幀和發(fā)送,完成下行用戶遙測數(shù)據(jù)/載荷數(shù)據(jù)的接收、解析、分發(fā);人機(jī)交互部分主要產(chǎn)生無人直升機(jī)及光電吊艙的控制指令、語音數(shù)據(jù),并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理與傳輸部分,同時接收下行用戶遙測、視頻圖像數(shù)據(jù)及語音數(shù)據(jù),完成解析和顯示。綜合保障系統(tǒng)為測控站提供電力、環(huán)控等運行保障,主要包括發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)等。

運輸車是無人直升機(jī)平臺的方艙式運輸載體,通過液壓起重裝置完成無人直升機(jī)的裝卸載。同時,在方艙內(nèi)部署簡易視頻會商系統(tǒng),在無人直升機(jī)卸載后,運輸車方艙可臨時拓展為指揮所。

無人直升機(jī)主要由機(jī)體結(jié)構(gòu)、旋翼系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等組成,同時集成了光電吊艙、超短波語音轉(zhuǎn)信、寬帶自組網(wǎng)等設(shè)備;飛行半徑100 km,持續(xù)工作6 h以上,實用升限3000 m,抗風(fēng)能力達(dá)6級。

2.2 使用方式

浮空通信中繼平臺旨在解決縱深林區(qū)內(nèi)滅火救援的通信保障難題。其使用原理與衛(wèi)星通信類似,利用無人直升機(jī)掛載光電吊艙、超短波語音中繼、寬帶自組網(wǎng)等設(shè)備,抵近任務(wù)區(qū)域為救援隊伍提供無線通信覆蓋和中繼,同時建立一線隊伍和前方指揮所的通聯(lián)鏈路,實現(xiàn)偵察畫面回傳。如圖1所示,浮空通信中繼平臺可以為一線隊伍和前方指揮所提供通信中繼傳輸鏈路;前方指揮所可以通過有線鏈路和衛(wèi)星鏈路與后方指揮所建立通聯(lián),實現(xiàn)火場空中偵察、一線態(tài)勢信息的實時共享;同時解決復(fù)雜地理環(huán)境下一線隊伍內(nèi)部的語音中繼指揮問題。

圖1 浮空通信中繼平臺示意圖

3 任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合森林火災(zāi)應(yīng)急救援實際,浮空通信中繼平臺需要具備三項主要能力:一是監(jiān)測預(yù)警能力,根據(jù)航線規(guī)劃在林區(qū)內(nèi)進(jìn)行空中巡護(hù),發(fā)現(xiàn)火情自動識別、報警并定位;二是火情偵察能力,從空中和地面對火情火勢進(jìn)行偵察,形成林火態(tài)勢可視化管理,為前方指揮所提供輔助決策;三是通信中繼能力,為一線隊伍與前方指揮所建立通信鏈路,實現(xiàn)信息互通。基于以上能力需求,任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計主要包括偵察分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)和顯控分系統(tǒng)。

3.1 偵察分系統(tǒng)

偵察分系統(tǒng)是由部署在飛機(jī)上的光電吊艙負(fù)責(zé)從空中對火勢進(jìn)行偵察,主要包括陀螺穩(wěn)定平臺、光學(xué)載荷和電子學(xué)組件。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 偵察分系統(tǒng)組成圖

陀螺穩(wěn)定平臺是偵察分系統(tǒng)的姿態(tài)保持和控制部分,主要包含四框架結(jié)構(gòu)、軸系、電機(jī)、編碼器、陀螺和伺服控制模塊等部件;通過伺服穩(wěn)定算法,有效隔離載機(jī)振動、風(fēng)阻等外部擾動的影響,穩(wěn)定所搭載的可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測距機(jī)等有效光學(xué)載荷視軸,保證在工作狀態(tài)下獲取清晰、穩(wěn)定的圖像。光電載荷是偵察分系統(tǒng)的核心部分,是實現(xiàn)對地偵察、測量工作的最直接組成部件。電子學(xué)組件是偵察分系統(tǒng)的通訊和控制部分:通訊組件負(fù)責(zé)外部遙測、遙控數(shù)據(jù)的交互;二次電源管理用于控制光學(xué)載荷的獨立通斷電,能夠在輕任務(wù)區(qū)關(guān)閉無用載荷,減少功耗;視頻跟蹤器的主要作用是實現(xiàn)對興趣目標(biāo)的自動鎖定、跟蹤。

偵察分系統(tǒng)依托無人直升機(jī)測控鏈路的下行圖傳通道(帶寬4 Mbps)實現(xiàn)將光電偵察視頻信息回傳至地面站的顯控系統(tǒng)。顯控分系統(tǒng)通過測控鏈路(帶寬4 kbps)對光電偵察分系統(tǒng)進(jìn)行光電載荷控制。

3.2 通信分系統(tǒng)

3.2.1 寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)

寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)是基于COFDM技術(shù)的MAENT(Mobile Ad-Hoc networks working group),是一種扁平化的無中心網(wǎng)絡(luò),具有自愈自組織的特點。網(wǎng)絡(luò)中沒有邏輯上或物理上的中心節(jié)點。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過相鄰節(jié)點與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以無線多跳方式通聯(lián),可以快速建立火場的各節(jié)點網(wǎng)絡(luò)之間的高速傳輸通道,滿足火場通信寬帶業(yè)務(wù)保障需求。

當(dāng)無人直升機(jī)距離測控站距離大于10 km時,機(jī)上自組網(wǎng)與測控站自組網(wǎng)設(shè)備的距離超出覆蓋范圍,而前端一線人員背負(fù)的自組網(wǎng)與機(jī)載自組網(wǎng)設(shè)備仍具備正常通信功能。為解決飛機(jī)離地面站距離遠(yuǎn)而與前指寬帶自組網(wǎng)設(shè)備不能通信的問題,通過無人直升機(jī)上的測控數(shù)據(jù)鏈和圖傳系統(tǒng),將單兵偵察設(shè)備所采集的視頻、定位信息回傳至測控站,且與超短波手持臺實現(xiàn)雙向的語音互通。

無人直升機(jī)圖傳數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是非對稱無線網(wǎng)絡(luò),下行鏈路帶寬比較寬,適用于光電吊艙視頻下傳到地面測控站;上行鏈路窄,主要用于上傳對飛機(jī)及光電吊艙的控制信息。本文提出充分利用無人直升機(jī)的測控數(shù)據(jù)鏈,寬帶自組網(wǎng)和超短波通信均通過數(shù)據(jù)鏈傳輸信息,極大地擴(kuò)展寬帶自組網(wǎng)和超短波的通信距離。本文所述數(shù)據(jù)鏈下行圖傳帶寬8 Mbps,雙向數(shù)據(jù)通道各32 kbps。其中,光電吊艙占用下行圖傳帶寬4 Mbps,可為自組網(wǎng)系統(tǒng)提供的可用下行傳輸帶寬不大于4 Mbps,上下行數(shù)據(jù)帶寬不大于10 kbps。無人直升機(jī)測控鏈的接口一般為SDI視頻輸入接口和422串行接口,因此需在無人直升機(jī)上部署一臺IP-SDI轉(zhuǎn)換設(shè)備,將寬帶自組網(wǎng)設(shè)備以太網(wǎng)接口輸出的視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為SDI視頻方式傳回測控站的顯控設(shè)備。寬帶自組網(wǎng)視頻經(jīng)圖傳數(shù)據(jù)鏈回傳至地面測控站是單向的,定位信息和控制信令可以進(jìn)行雙向傳輸,如圖3所示。

圖3 寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)傳輸示意圖

無人機(jī)與地面控制站100 km單跳傳輸速率約為4 Mbps;無人機(jī)到背負(fù)臺單跳傳輸速率約為34 Mbps。二者比值約為4:34。系統(tǒng)中兩跳采用時分工作,兩跳傳輸速率約為4×34/38=3.57(Mbps),足夠滿足一路單兵偵察的視頻信息傳輸。

3.2.2 超短波語音通信中繼系統(tǒng)

超短波語音通信中繼系統(tǒng)主要由機(jī)載超短波語音中繼系統(tǒng)、車載窄帶語音控制器以及應(yīng)用于極低帶寬的測控鏈路的內(nèi)嵌語音數(shù)據(jù)交互控制軟件組成。系統(tǒng)連接示意如圖4所示。

圖4 超短波通信系統(tǒng)示意圖

超短波語音通信占用無人機(jī)測控數(shù)據(jù)鏈上下行各4 kbps,需要通過部署在地面測控站的窄帶語音控制器進(jìn)行信息通信。窄帶語音控制器采用SIP 2.0協(xié)議和G711A音頻編解碼方式,利用數(shù)字采集及核心壓縮算法技術(shù),將原來需要256 kbps傳輸?shù)臄?shù)字語音及控制信令數(shù)據(jù),通過4 kbps～6 kbps的帶寬鏈路完成傳輸,主要用于極窄帶寬鏈路條件下的窄帶語音媒體、控制信令數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

3.3 顯控分系統(tǒng)

顯控分系統(tǒng)主要完成對偵察分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)的指令發(fā)送、狀態(tài)接收等功能,并根據(jù)偵察分系統(tǒng)的視頻、數(shù)據(jù)信息及無人直升機(jī)的狀態(tài)信息形成森林火場態(tài)勢,是浮空通信中繼平臺與后方指揮中心溝通的橋梁。系統(tǒng)主要包括信息匯聚功能、信息處理功能及態(tài)勢展示功能,如圖5所示。

圖5 顯控分系統(tǒng)示意圖

顯控分系統(tǒng)最主要的功能是根據(jù)偵察分系統(tǒng)與無人直升機(jī)信息,展示火線分布、火災(zāi)態(tài)勢、火災(zāi)報警信息,實現(xiàn)音視頻和數(shù)字地圖的融合。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 顯控分系統(tǒng)工作流程圖

視頻圖像處理是通過對真實視頻、圖片進(jìn)行智能分析,提取出關(guān)鍵信息,并添加可能的上下文語義描述。視頻圖片結(jié)構(gòu)化是為了便于系統(tǒng)分析、檢索和查詢視頻圖片中的相關(guān)信息,對視頻、圖片中特定的對象進(jìn)行描述。針對視頻幀的增刪操作,需要將時間信息考慮在內(nèi),匹配并校正GPS和視頻數(shù)據(jù)時間,采用線性插值的方法完成視頻幀的地理位置計算,建立視頻軌跡空間信息,效果如圖7所示。

圖7 視頻提取火場信息

4 應(yīng)用前景

在重特大森林火災(zāi)的撲救中,把控火場全局,掌握蔓延趨勢,科學(xué)部署力量,高效組織指揮至關(guān)重要。通信保障工作的順暢與否直接決定了滅火救援的安全和效率。以往在滅火救援中,指揮通信和信息獲取通常采用地面既設(shè)的通信中繼塔臺,或依靠人力背負(fù)通信中繼設(shè)備實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)指揮通信。一方面林火的突發(fā)性和隨機(jī)性決定了既設(shè)通信中繼的局限性,另一方面林火的復(fù)雜性和環(huán)境的惡劣性決定了人為架設(shè)組網(wǎng)的遲滯性和危險性,因此無法滿足應(yīng)急通信保障的實際需求。利用浮空通信中繼平臺的長航時、遠(yuǎn)距離、多功能等優(yōu)勢,可以有效解決快速偵察、通信建鏈、區(qū)域補盲、輔助決策等難題,同時極大地降低滅火救援人員的安全隱患,提高指揮通信效率。在此基礎(chǔ)上,通過多個浮空通信中繼平臺實現(xiàn)更大面積火場區(qū)域范圍內(nèi)的全域組網(wǎng),基本可以解決重特大森林火災(zāi)等大面積災(zāi)害事故現(xiàn)場的指揮通信問題[7],為空地協(xié)同救援提供快速準(zhǔn)確的信息來源,為應(yīng)急救援提供高效的輔助決策。