中國是一個毗鄰太平洋的海洋大國，海域廣袤、海岸線漫長、島嶼眾多，海洋對于國家經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境和國防建設具有重要的戰(zhàn)略意義。國家“十三五”規(guī)劃中明確提出，要統(tǒng)籌規(guī)劃國家海洋觀(監(jiān))測網(wǎng)布局，推進國家海洋環(huán)境實時在線監(jiān)控系統(tǒng)和海外觀(監(jiān))測系統(tǒng)建設，逐步形成全球海洋立體觀監(jiān)測系統(tǒng)。目前中國已經(jīng)構建了由衛(wèi)星、飛機、車輛、船舶、岸基、島基、油氣平臺基、浮標、海床基等多元監(jiān)測平臺組成的海洋立體監(jiān)視監(jiān)測體系，可開展全方位、多尺度、長時效的監(jiān)視監(jiān)測，保障海洋生態(tài)環(huán)境和安全。

無人機(UAV)作為一種高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取以及海域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測平臺，以其靈活、高效的特點成為了海洋立體監(jiān)視監(jiān)測體系的重要組成部分。世界上不少國家都非常重視無人機在海洋監(jiān)測中的應用，早在2002年美國就將“捕食者”、“全球鷹”等大型無人機投入海洋應用科學研究中，搭載光電吊艙、對海雷達的“全球鷹”無人機系統(tǒng)已成為美國國家航空航天局(NASA)對美國海岸線巡查的常規(guī)機型；在歐洲改進型的“全球鷹”也頻繁出現(xiàn)在各國海域，其應用相對成熟；2019年希臘海岸警衛(wèi)隊測試了美國通用原子能公司“海上守衛(wèi)者”MQ-9無人機的海上監(jiān)視能力，MQ-9搭載多模式海上搜索雷達和高清/全運動視頻光學和紅外傳感器，海面搜索雷達系統(tǒng)可開展海上目標連續(xù)跟蹤，并將自動識別系統(tǒng)(AIS)發(fā)射器與雷達檢測相關聯(lián)，其逆合成孔徑雷達(ISAR)模式有助于識別和分類超出光學傳感器探測范圍的艦船，高清/全運動視頻光學和紅外傳感器可對飛機周圍的大型和小型水面艦船進行360°的遠距離全天候?qū)崟r檢測和識別；2020年日本海上保安廳為了引進大型無人機作為海洋監(jiān)測平臺進行了試驗，試驗機型為“海上守衛(wèi)者”(MQ-9B)無人機，機身全長11.7m，翼展24.0m，續(xù)航時間最多35h，搭載光電吊艙和對海雷達，通過衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)即可遠程操控無人機和實時回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，其作業(yè)半徑能覆蓋日本的專屬經(jīng)濟區(qū)。

與國外相比，我國的無人機技術發(fā)展較為成熟，尤其是輕小型無人機在各個領域都廣泛應用，不少單位和學者利用無人機在海域使用動態(tài)監(jiān)管、海洋災害監(jiān)視監(jiān)測、海島礁測繪、突發(fā)事件(溢油、?；?應急監(jiān)測等方面開展技術研究與應用示范。上述研究大多數(shù)采用的是小型無人機，其抗風能力無法有效應對海洋復雜多變的氣象條件，遠距離測控和大數(shù)據(jù)量信息傳輸制約大范圍實時動態(tài)監(jiān)測的開展，載荷量和飛機尺寸限制了多種類型傳感器協(xié)同工作的可能性。

“彩虹-4”無人機，圖片來自網(wǎng)絡

近年來，隨著軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進，以“彩虹”“翼龍”為代表的中空長航時大型無人機開始在民用領域嶄露頭角，2015年中國航天科技集團公司十一院在山東省煙臺市沿海地區(qū)成功實施了“藍色海鷗”“彩虹-4”無人機海洋示范應用，是我國首次大型中空長航時無人機系統(tǒng)海洋示范應用；2020年中國氣象局采用騰盾科技公司的大型雙發(fā)長航時“雙尾蝎”無人機攜帶氣象雷達、激光測風雷達、光電偵察吊艙和溫濕壓探測器等多種氣象探測設備，實施了臺風海上觀測作業(yè)，達到預先設定目標。通過國內(nèi)外無人機海洋監(jiān)測平臺對比可以發(fā)現(xiàn)，國外在大型無人機多載荷集成的海洋監(jiān)測應用較為成熟，而我國基于輕小型無人機的海洋監(jiān)測研究較為普遍，只有近幾年基于大型無人機的海洋監(jiān)測平臺應用才有公開報道。

針對海洋監(jiān)測應用需求，本文依托“海洋高端裝備技術創(chuàng)新工程”專項，以“彩虹-4型”(CH-4)無人機為平臺研究光電吊艙、合成孔徑雷達(SAR)、船舶自動識別系統(tǒng)等多任務載荷優(yōu)化集成、遠距離無人機實時監(jiān)管及載荷數(shù)據(jù)實時回傳、監(jiān)測數(shù)據(jù)與位姿數(shù)據(jù)同步打包下傳等關鍵技術，通過在海南三亞市東部海域開展飛行實驗，探索海洋監(jiān)測常規(guī)任務和應急任務應用模式，驗證了平臺集成方法的可行性以及平臺功能性能指標，可為我國開展中空長航時無人機海洋監(jiān)測工程化應用提供新的解決方案。

一、平臺總體設計

海洋監(jiān)測平臺對無人機系統(tǒng)有較高的要求，通常要滿足“飛得到”“看得見”“飛得好”等基本條件。“飛得到、飛得好”是前提，即飛機的續(xù)航時間要滿足工作要求，以遠海島礁測圖為例，一般要求無人機作業(yè)半徑在1000km以上，往返作業(yè)里程2000km以上，續(xù)航時間要求不低于20h，同時在保證飛行安全的前提下，盡可能獲取質(zhì)量較好的監(jiān)測數(shù)據(jù)成果?！翱吹靡姟笔顷P鍵，即在海洋監(jiān)測過程中，地面指揮中心能實時監(jiān)控無人機飛行狀態(tài)，載荷數(shù)據(jù)能實時回傳地面?；谏鲜黾夹g要求和項目設計目標，選用CH-4型中空長航時無人機，搭載對海雷達、光電吊艙、船舶自動識別系統(tǒng)等任務載荷，并通過遙控遙測鏈路實時接收地面指揮艙指令，控制任務載荷開展海上目標識別、跟蹤，海島礁測繪成圖等監(jiān)測任務，同時載荷數(shù)據(jù)又可通過遙控遙測鏈路實時回傳地面，為指揮決策提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 總體設計框架圖

海洋監(jiān)測平臺主要包括無人機、任務載荷集成模塊、遙控遙測鏈路模塊、任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理模塊等，總體設計框架圖如圖1所示。針對不同海洋監(jiān)測任務需求，系統(tǒng)需要根據(jù)任務規(guī)劃軟件設計相應航線，引導無人機系統(tǒng)執(zhí)行相關任務，此時載荷設備可根據(jù)任務需求獲取不同類型數(shù)據(jù)。船舶自動識別系統(tǒng)輔助對海雷達開展目標搜索、跟蹤，雷達方位坐標信息引導光電吊艙聯(lián)動，對目標信息進行查證分析，并將相關數(shù)據(jù)實時回傳地面；在對海島、灘涂等固定目標進行常規(guī)監(jiān)測時，可利用光電吊艙、雷達分別獲取目標區(qū)域不同時序的正射影像、SAR成像圖等測繪成果數(shù)據(jù)，為下一步開展目標區(qū)域動態(tài)變化監(jiān)測提供基礎數(shù)據(jù)。

二、平臺硬件設計與集成

⒈無人機簡介

CH-4無人機是中國航天空氣動力技術研究院在“彩虹-3”無人機基礎上研發(fā)的一種中空長航時無人機，目前在應急測繪、航空物探、海事監(jiān)管等領域，以CH-4無人機為平臺進行的系統(tǒng)集成設計應用，均取得了較好的效果。CH-4無人機機長8.5m，高3.4m，翼展18m，最大起飛質(zhì)量1330kg，載荷100kg以下情況下可連續(xù)飛行30h以上，滿載345kg情況下可飛行12h，具有裝載能力強、留空時間長、使用半徑大、可擴展性強等特點，能夠滿足海洋監(jiān)測無人機“飛得到”技術要求，其主要性能指標如下表1所示。

表1 CH-4型中空長航時無人機飛行平臺主要性能指標表

通過CH-4無人機性能指標可知，與一般小型無人機相比，其作業(yè)半徑更大，在同等載荷條件下續(xù)航能力更強。除此之外，可擴展性強也是CH-4無人機的一大優(yōu)勢，目前在已公開的民用項目中，其已集成了光學面陣相機、高光譜/多光譜傳感器、SAR、傾斜相機、雷達高度計、光泵磁力儀等，結果表明CH-4無人機可兼容不同載荷的硬件接口及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

⒉多任務載荷集成設計

結合任務規(guī)劃需求，本平臺主要搭載對海多功能雷達、光電吊艙、船舶AIS三種載荷。機載對海雷達由中國電子科技集團公司第三十八研究所所研制，設備型號為JY-201(X)，質(zhì)量70kg，具備海面廣域搜索監(jiān)測、運動目標監(jiān)測、條帶式合成孔徑成像等功能，其主要性能指標見表2。

表2 JY-201(X)型對海雷達主要性能指標表

光電吊艙采用北京星網(wǎng)宇達科技股份有限公司的SCA350型設備，包括兩軸陀螺穩(wěn)定平臺、可見光攝像機、紅外熱像儀、圖像存儲模塊、圖像跟蹤器等部件，主要用于目標查證、跟蹤以及區(qū)域快速成圖等，其內(nèi)部集成有FPGA芯片，可實時對視頻圖像增強處理，解決由于霧霾、光照不均等因素造成的圖像降質(zhì)問題，且增加了便于觀瞄的輔助功能，便于后續(xù)的目標識別與跟蹤，其主要參數(shù)見表3。

表3 SCA350-RB02型光電吊艙主要性能指標表

機載AIS用于接收海面船舶動/靜態(tài)相關信息，提高無人機的對海偵察能力，由機載超短波天線、AIS接收機及高頻電纜組成，其工作頻段為108～174MHz，偵收頻點為161.975MHz和162.025MHz。

在作業(yè)過程中AIS接收天線接收AIS電磁信號，由AIS接收機解析AIS報文，AIS將收到的報文傳給飛管模塊，再由飛管模塊發(fā)送給鏈路的收發(fā)組合單元，然后下傳到指揮艙。在地面指揮艙內(nèi)的AIS海圖顯示軟件上可顯示船只的位置、航向、航速等信息，同時也可以顯示無人機的位置、速度等信息，更加直觀的顯示無人機與目標船只的位置關系，并通過對比發(fā)現(xiàn)關閉或未安裝AIS系統(tǒng)的可疑船只。

在不增加載荷質(zhì)量的前提下，優(yōu)化載荷設備選型及集成設計，滿足平臺續(xù)航時間、作業(yè)半徑及飛行安全要求。

⑴安裝設計

在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時，需同步獲取載荷的位置和姿態(tài)信息，為了減輕載荷質(zhì)量，本文并未集成高精度的定位定姿系統(tǒng)(POS)，而是利用飛機自身的組合慣導系統(tǒng)為載荷提供位姿信息，因此在載荷安裝時必須剛性固聯(lián)于飛機平臺上，以保證位姿信息的有效性，不能借助運動補償穩(wěn)定平臺。光電吊艙安裝時要求視場范圍內(nèi)不受安裝結構件和飛機腹部蓋板的遮擋，將其安裝在機腹最前方的位置；根據(jù)對海雷達側視的作業(yè)模式，將其天線安裝在機腹中部右側位置，AIS天線朝下安裝，雷達及AIS功能模塊安裝在機腹內(nèi)部，安裝結構如圖2所示。

圖2 多任務載荷集成實物圖

⑵電氣設計

為了保證機上供電安全，在電氣設計時由CH-4無人機提供一個總的供電轉(zhuǎn)接頭，通過電源轉(zhuǎn)接線分出3路分別給光電吊艙、對海雷達、AIS供電。供電轉(zhuǎn)接頭具有短路保護功能，可在任務載荷發(fā)生意外故障、出現(xiàn)短路時自動切斷無人機對載荷系統(tǒng)的供電，最大限度保護無人機的安全飛行。CH-4無人機供電單元對載荷的最大輸出功率為644W，本平臺中光電吊艙功耗為18W，AIS功耗為10W，對海雷達功耗180W，總功耗為208W，遠遠小于CH-4的最大輸出功率。

⑶電磁兼容性設計

載荷功能模塊工作時往往處于復雜的電磁干擾環(huán)境中，因此必須進行電磁兼容性設計，本文采用接地、屏蔽、優(yōu)化電纜走線等方式降低電磁干擾，保證載荷設備和無人機系統(tǒng)正常兼容工作。對海雷達功率較大對飛機電磁干擾也較大，在其機腹內(nèi)部模塊覆蓋錫箔紙，屏蔽內(nèi)部輻射；衛(wèi)星通信大功率發(fā)射設備安裝在機頭前方，遠離其他信號接收設備，同時盡可能保證電源線與信號線不交叉。實物圖如圖3所示。

圖3 載荷電纜走線(a)、覆蓋有錫紙的內(nèi)部載荷模塊安裝蓋(b)

⒊遙控遙測鏈路設計

在海洋監(jiān)測過程中，“看得見”是關鍵，不僅要求地面指揮中心實時監(jiān)控無人機飛行狀態(tài)，還要能夠做到載荷數(shù)據(jù)的實時回傳。受限于載荷能力，小型無人機通常只能搭載數(shù)傳電臺和圖傳電臺實現(xiàn)無人機近距離的通信和數(shù)據(jù)傳輸，而CH-4無人機可搭載衛(wèi)星通信(以下簡稱衛(wèi)通)設備實現(xiàn)遠距離通信。為了滿足載荷數(shù)據(jù)的實時大范圍傳輸需求，本文設計了雙鏈路模式，即同時搭載視距和衛(wèi)通鏈路，遙控遙測鏈路示意圖如下圖4所示。在通視條件下視距鏈路的最大測控距離為200km，是飛機與現(xiàn)場地面指揮艙的通信鏈路，衛(wèi)通鏈路可實現(xiàn)2000km以上的遠距離通信，衛(wèi)通地面接收站部署在海洋指揮中心，可實現(xiàn)不同地點載荷數(shù)據(jù)的實時接收。

圖4 遙控遙測鏈路示意圖

衛(wèi)通系統(tǒng)分為機載端和地面端，其中機載端包括機載動中通天線、機載調(diào)制解調(diào)器、機載功放等；地面端包括地面衛(wèi)通天線、衛(wèi)通業(yè)務調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)處理終端、網(wǎng)絡交換機等，其主要性能參數(shù)如表4所示，實際安裝如圖5所示。為了將載荷數(shù)據(jù)打包下傳，專門設計了數(shù)據(jù)采集板卡，該板卡同時接入載荷設備接口和慣導接口，利用慣導脈沖信號為載荷數(shù)據(jù)記錄時間標識，從根本上消除無線傳輸延時帶來的誤差，優(yōu)化載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的時間同步精度。

表4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要性能指標表

圖5 機載動中通天線安裝實物圖

⒋載荷通信接口設計

在無人機對海監(jiān)測過程中要求地面指揮艙能實時監(jiān)控無人機的飛行狀況，無人機能向地面指揮系統(tǒng)實時回傳載荷和飛行數(shù)據(jù)，地面指揮系統(tǒng)也可根據(jù)需要向無人機發(fā)送指令來控制飛行和載荷作業(yè)。多任務載荷通信接口包括向光電吊艙、對海雷達、AIS等載荷設備發(fā)送控制指令的上行鏈路接口和接收三種載荷作業(yè)數(shù)據(jù)以及飛控信息的下行鏈路接口。上行鏈路通信采用一對一模式，即視距和衛(wèi)通鏈路地面指揮站各自只有一個端口能上傳指令，為了安全起見，還各自設計了一個備用端口。用于數(shù)據(jù)實時回傳的下行鏈路采用一對多模式，即一個載荷數(shù)據(jù)可通過組播形式分發(fā)給多個地址接收，這樣就可以滿足不同設備同時接收數(shù)據(jù)的需求。另外為了實現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)的同步下傳，在機載端需要對載荷數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)同步打包下傳，用自定義標識符加以區(qū)分，在地面接收端通過解析每包數(shù)據(jù)的標識符分離載荷數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)，消除回傳數(shù)據(jù)時間不同步為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來位置偏差，機上載荷通信接口設計如圖6所示。

圖6 機上載荷通信接口設計圖

三、軟件模塊

地面指揮艙主要集成了無人機飛行監(jiān)控、任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理兩大軟件系統(tǒng)，飛行監(jiān)控系統(tǒng)主要用于無人機飛行控制及飛行狀態(tài)監(jiān)管，任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于海洋監(jiān)測任務規(guī)劃、載荷數(shù)據(jù)接收與處理、多源監(jiān)測信息顯示、數(shù)據(jù)成果存儲管理等。

⒈任務規(guī)劃

海洋監(jiān)測任務一般分為常規(guī)監(jiān)測任務和應急監(jiān)測任務。常規(guī)監(jiān)測任務主要包括用海規(guī)劃、海岸線及沿海灘涂監(jiān)測等。這類任務所需數(shù)據(jù)通常為正射影像、視頻數(shù)據(jù)等，其任務規(guī)劃可采用航攝設計方案獲取滿足旁向重疊度要求的可見光視頻數(shù)據(jù)，最終提取關鍵幀拼接為整體影像。應急監(jiān)測任務針對突發(fā)緊急事件，需要快速作出響應。這類任務需要將現(xiàn)場畫面以視頻、圖像形式實時回傳指揮中心或利用雷達對目標進行搜索跟蹤，其任務規(guī)劃沒有明確方案，需要根據(jù)現(xiàn)場情況實時修改航線或根據(jù)監(jiān)測目標航向?qū)崟r修正自身航線。任務規(guī)劃是海洋監(jiān)測平臺“飛得好”的前提，CH-4飛行控制軟件可以實時規(guī)劃飛行航線，但其無法進行航空攝影測量的航線設計，因此本文在此基礎上結合航線設計算法二次開發(fā)實現(xiàn)基于數(shù)字高程模型的無人機航線自適應設計。

⒉數(shù)據(jù)處理

通過光電吊艙載荷接口下傳的數(shù)據(jù)流中不僅包括可見光、紅外視頻碼流，還包括同一時刻獲取的遙測數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)包幀頭的標識符區(qū)分可見光、紅外和遙測數(shù)據(jù)，其中視頻流通過解碼模塊獲取每幀影像，遙測數(shù)據(jù)根據(jù)飛控解析協(xié)議得到位置和姿態(tài)信息，最后通過視頻流地理編碼技術建立每幀影像與位姿數(shù)據(jù)的一一映射關系，為視頻幀正射糾正及拼接處理提供地理參考。在拼接之前，由于視頻冗余度較高，需要對視頻進行抽幀處理，提取滿足重疊度的視頻幀參與拼接，這些視頻幀稱為關鍵幀，關鍵幀的提取采用固定重疊度方法進行，即每幀關鍵幀都滿足一定的重疊度要求，相鄰視頻幀之間的航向重疊度可采用式⑴計算：

p＝1－（S/（W×μ_w×H/f），⑴

其中，S為相鄰視頻幀中心點之間的地面距離，可通過定位定姿信息中的坐標計算；f為傳感器焦距；W、μ_w分別是視頻幀航向像素個數(shù)和像素物理尺寸；H為視頻幀獲取時刻的相對航高。按照上述算法可獲取滿足重疊度要求的視頻關鍵幀，下一步利用PhotoScan軟件對其進行拼接處理，獲取目標區(qū)域整幅影像。

圖7 任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理流程

對海雷達將鎖定目標的距離、方位、速度等信息實時回傳地面，軟件系統(tǒng)利用雷達引導視頻聯(lián)動算法自動計算出目標在雷達-視頻聯(lián)動模型中對應的光電吊艙方位角和俯仰角，通過上傳鏈路發(fā)送控制指令，引導光電吊艙鎖定目標，實現(xiàn)目標的實時復核。利用對海雷達設備廠商提供的數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)條帶和聚束兩種模式下SAR成像處理，包括單景單極化與全極化圖像的幾何校正以及多景圖像的校正、拼接、地理編碼等。任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的作業(yè)流程，如圖7所示。

四、試驗驗證

⒈地面測試

載荷集成之后，需要開展地面聯(lián)調(diào)測試，主要測試電磁兼容性、載荷工作狀態(tài)、鏈路通信情況等，首先進行地面通電測試，各項指標通過后再開展地面著車測試。地面通電測試是由外接電源對飛機進行供電，測試載荷全狀態(tài)工作條件下是否會相互干擾、鏈路通信是否正常，本平臺進行了48h不間斷供電測試，期間未發(fā)生載荷故障，數(shù)據(jù)傳輸正常無間斷。之后又進行了地面著車測試，測試發(fā)動機抖動對載荷設備的影響以及載荷供電穩(wěn)定性，經(jīng)過長達12h的著車測試驗證了載荷集成的可靠性，滿足飛行測試要求。

⒉飛行測試

⑴試驗區(qū)概況

為了驗證該平臺作業(yè)半徑、續(xù)航能力以及載荷作業(yè)性能指標等，本文開展了飛行試驗，試驗區(qū)位于海南省三亞市東部海域，東起分界洲島海域，西至蜈支洲島海域，東西長107km，南北寬70km，測區(qū)包括分界洲島、蜈支洲島等海島，海岸線灘涂、人工建筑設施等。

⑵航線設計

常規(guī)監(jiān)測任務包括分界洲島可見光/紅外視頻成圖、條帶模式下的海岸帶SAR成圖。光電吊艙可見光為變焦鏡頭，焦距范圍為4.3～129mm，設計地面分辨率為0.5m，旁向重疊度為35%，根據(jù)攝影比例尺公式反算焦距為11.5mm，因此在飛行作業(yè)中需要將可見光焦距鎖定為11.5mm。紅外鏡頭為定焦鏡頭，焦距為30mm，成像單元物理尺寸為18μm，設計地面分辨率為0.5m，旁向重疊度35%，按照航攝比例尺式⑵計算航高為820m，共敷設11條航線。

f/H＝μ/D   ⑵

式中，f為焦距，μ為成像單元物理尺寸，D為地面分辨率，H為設計航高。

由于對海雷達天線與垂直方向的夾角為85°～88°，為了滿足水平探測距離為50km的要求，根據(jù)三角函數(shù)計算飛行航高在2620～4374m，而作業(yè)區(qū)域的空域管控為3500m以下，因此在SAR條帶成像模式，本文設計定高3000m飛行，采用右側式作業(yè)方式。具體航線設計如圖8所示

圖8 常規(guī)監(jiān)測任務光電吊艙航線設計

應急監(jiān)測任務模擬飛機從某機場起飛到目標海域開展船只搜索、識別、查證與跟蹤等，其航線設計為從機場到目標海域為固定航線，到達目標海域后進行大半徑繞飛，操控對海雷達搜索目標船只，鎖定跟蹤。應急監(jiān)測實際飛行航跡如圖9所示。藍色軌跡為指揮艙在飛行前規(guī)劃的輔助飛行航線，紅色為實際作業(yè)飛行航跡，包括紅色矩形框的繞飛航跡和長條狀折返航跡。

圖9 應急監(jiān)測實時規(guī)劃航跡結果

⑶試驗結果

視距指揮艙部署在三亞市某機場，距離試驗區(qū)最遠距離190km，衛(wèi)通便攜式地面站部署在青島海洋實驗室，距離試驗區(qū)2300km，在整個試驗過程中，地面接收站與飛機之間通訊正常，無中斷，光電吊艙獲取的視頻數(shù)據(jù)實時回傳地面。任務規(guī)劃航時約4.5h，為了驗證平臺續(xù)航能力，在完成任務規(guī)劃航線繼續(xù)在試驗區(qū)繞飛，總載荷質(zhì)量為137kg，理論續(xù)航25h，實際飛行22h后安全降落。通過試驗結果可知，該海洋監(jiān)測平臺的作業(yè)半徑、續(xù)航能力、通信距離均滿足設計指標要求，平臺實際飛行及數(shù)據(jù)回傳地面指揮艙如圖10所示。圖10a為CH-4無人機起飛和降落時的畫面，圖10b為指揮艙內(nèi)載荷監(jiān)控席位實時畫面，其中最上方屏幕為AIS實時畫面，中間屏幕為光電吊艙紅外模式目標鎖定跟蹤實時畫面。

   (a)                              (b)

 圖10 CH-4無人機實際飛行作業(yè)圖(a)及實時回傳軟件界面(b)

針對常規(guī)監(jiān)測任務獲取的分界洲島可見光、紅外視頻數(shù)據(jù)及其對應的遙測數(shù)據(jù)，開展遙測數(shù)據(jù)解析、紅外視頻增強、視頻關鍵幀提取、視頻地理編碼、關鍵幀拼接等處理，得到分界洲島可見光及紅外視頻拼接全圖，如圖11所示。

    (a)                                (b)

 圖11 分界洲島可見光(a)、紅外(b)視頻拼接效果

由處理結果可以看出，分界洲島全貌可見光和紅外視頻影像獲取清晰，由于沒有在地面布設控制點，選擇借助國家地理信息公共服務平臺天地圖衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)評估成果精度。首先將拼接成果疊加在三維地理信息平臺中，以天地圖衛(wèi)星遙感影像地圖為基準，均勻選取同名地物點進行平面距離量測，分析其中誤差，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗成果數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表(單位：m)

在無控制條件下可見光拼接影像，如下圖11所示，其相對坐標中誤差為15.35m，紅外拼接影像相對中誤差為21.09m。

對海雷達條帶成像模式對海岸線目標區(qū)域進行探測，獲取SAR數(shù)據(jù)，經(jīng)過輻射校正、地理編碼、幾何糾正、拼接等處理得到目標區(qū)域SAR成像結果，部分成果及局部放大圖如下圖12所示，SAR成像清晰無噪點，條帶寬度滿足設計指標要求，坐標相對中誤差為6.30m。

圖12 對海雷達條帶模式下成像結果

通過試驗結果可知，常規(guī)監(jiān)測任務獲取的分界洲島可見光及紅外視頻、沿海灘涂SAR成像數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，且在無控制點條件下拼接結果坐標相對中誤差較小，能夠用于下一步的海洋監(jiān)測分析，滿足“飛得好”技術要求。

在應急監(jiān)測任務中，開啟雷達對海跟蹤監(jiān)視模式對目標區(qū)域進行探測，獲取船只的距離、方位、速度、航向等信息，飛機朝目標船只方向飛行，對海雷達跟蹤目標并將獲取信息實時回傳地面。軟件系統(tǒng)實時計算目標在雷達-視頻聯(lián)動模型中對應的光電吊艙方位角和俯仰角，進而引導光電吊艙鎖定目標船只，拍攝取證，監(jiān)測結果如圖13所示，從圖中可以看出對海雷達(圖13a)能夠同時跟蹤多個船只目標，并顯示其方位、距離、航速等信息；雷達-視頻聯(lián)動模式下，光電吊艙可輕松鎖定目標船只(圖13b、圖13c)，便于拍攝取證；AIS可顯示目標船只與飛機位置關系，輔助搜索跟蹤。

圖13 對海雷達條帶模式下成像結果

五、結論

圍繞海洋監(jiān)測應用需求，利用設計集成的海洋監(jiān)測平臺開展多個監(jiān)測任務試驗，驗證了該平臺是解決海洋監(jiān)測長航時、大范圍作業(yè)的有效技術裝備。

⑴針對海洋監(jiān)測長航時指標要求，優(yōu)化載荷設備選型，實現(xiàn)了多任務載荷的優(yōu)化集成，平臺續(xù)航時間大于22h，作業(yè)半徑為2000km，從就近機場起飛，能覆蓋中國大部分遠海島礁及海域。

⑵為了提高海洋監(jiān)測過程無人機通信距離，設計了視距與衛(wèi)通雙鏈路模式，根據(jù)作業(yè)距離自動切換鏈路，實現(xiàn)了無人機遠距離全航程的是實時監(jiān)管以及載荷數(shù)據(jù)的實時回傳。針對常規(guī)監(jiān)測任務數(shù)據(jù)處理需求，設計了載荷數(shù)據(jù)與位姿信息的同步打包下傳板卡，實現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的無控地理編碼處理。

⑶針對常規(guī)監(jiān)測任務獲取了分界洲島可見光和紅外視頻數(shù)據(jù)，并進行了地理編碼、拼接處理，驗證了成圖精度，在應急監(jiān)測任務中對海雷達獲取了目標船只的距離、方位、速度、航向等信息，雷達-視頻聯(lián)動模式下，光電吊艙鎖定了目標船只，用于拍攝取證。

在下一步研究工作中，將繼續(xù)開展高光譜、激光雷達等多任務載荷協(xié)同監(jiān)測研究，為開展海洋環(huán)境污染監(jiān)測應用做好技術準備，同時還需進一步挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)成果應用價值，充分發(fā)揮CH-4無人機優(yōu)勢，強化海洋立體監(jiān)測體系。

來源：溪流之海洋人生