洪灾肆虐，一篇文章看懂无人机水上救援！
- 发布时间：2019-12-25
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水上安全是应急体系的重要组成部分
我国是海洋和航运大国
十一五期间，我国搜救102547名遇险人员
无人机成本低、机动性好、使用方便、续航长
在水上安全应急中有着广阔的应用前景
无人机可以和船舶协同进行水上搜寻，由于无人机具有一定的飞行高度，其视频图像的范围要比船上的可视范围要扩大数十倍甚至几十倍，机载摄像机、AIS和VHF的有效作用距离得到扩大，飞机的搜寻效果明显好于船舶。
面对辖区广阔的海域，仅仅靠船舶进行海上搜寻难以达到理想的辖区搜寻率和效率，必然出现许多搜寻空白点。应用无人机搭载摄像机、AIS和VHF进行远程水域搜寻，能快速抵达水域，岸基应急指挥中心通过机载视频图像能够看得见目标，通过机载AIS识别得了船舶，通过机载VHF与船舶能通得上话，根据搜寻视频图像能快速、高效、便捷对水上遇险目标智能定位与显示，这必将大幅度提高我国水上搜寻救助效率，大提升快速高效水上搜寻救助的能力和水平，有效降低水上搜寻救助风险。
因此，目前面临繁重的水上交通安全应急处置的任务，应用无人飞机开展远程水上交通安全应急处置关键技术的研究是提升水上交通安全应急处置能力的有效途径。
利用无人飞机开展远程水上交通安全应急处置，目前有几个关键问题需要突破：
水上目标定位关键问题
长期以来机载视频图像中水上目标无法直接定位，造成水上搜寻救助的效率低。水上目标定位的关键问题是机载摄像机的保持水平技术；飞机和摄像机等三维空间状态信息与视频图像的实时同步记录技术；视频图像中水上目标的实时准确定位技术。
因此，有必要利用摄像机记录飞机和摄像机等三维空间状态实时信息，通过视频图像对飞机和摄像机等姿态的实时信息进行融合处理，解决图像与三维空间状态信息的实时同步；分析地球面上机载摄像机中心、图像点、海上遇险目标等之间的关系，研究基于机载视频图像的水上目标定位算法模型；研发专门用于机载视频图像的水上目标定位与显示平台的软件，实现远距离海上目标“一键”的智能定位技术，解决飞机飞行速度快、飞行姿态多变、海上目标定位与显示等难题。
机载VHF的远程船岸无线通信问题
远程甚高频(Very High Frequency,VHF)无线电话是一种近距离水上移动通信工具，VHF无线电通信设备是国际海事组织和我国船检机构规定船舶必须配备的通信设备，现有各类船舶均应配有VHF无线电通信设备。
VHF无线电话在船舶遇险通信、紧急与安全通信和日常业务通信等海上船舶通信中发挥了巨大的作用，是一种便捷、可靠的语音通信手段，是其他通信手段所无法替代的。它实现了船舶间、船岸间（A1海区），或经岸台与陆上通信线路转接的船与岸上用户间的无线电通信。海上交通应急处置需要应急指挥中心与船舶实时、便捷的VHF无线电话通信。
然而，目前岸基VHF无线电话不能实现远程船舶的应急通信，无法直接了解情况、协调周围船舶、指挥应急处置。因此有必要针对水上搜救特点专门研发用于无人机的机载VHF，实现岸基指挥中心与事故现场船舶的远程VHF无线通信。其关键问题是VHF的模拟音频信号和频道控制信号、收发控制信号的数字化与还原、压解缩、加解密及卫星通信网络传输技术。
机载AIS的远程船岸信息收发与显示问题
船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是船舶在VHF海上移动频段采用时分多址方式自动发送船舶有关信息，包括船舶静态信息、动态信息、与航次有关的信息及与安全有关的信息等，船舶AIS有效覆盖范围内任何船舶都能自行互不干扰地发送报告和接受全部船舶（岸基）的报告。
每一AIS台站能同时容纳200-300艘船舶的AIS信息，一旦出现超载，首先放弃远距离船舶的AIS信息，以保证近距离船舶的优先权。船舶AIS具有延迟连接功能，虽然电波传输速度在一般情况下可以被忽略，在SOTDMA技术中，没有忽略电波传递速度，为距离延迟保留的缓冲值为12比特，这相当于202.16 n miles，这一距离延迟能对超过100 n miles 的传播提供保护。
中国海事十分重视船舶AIS数据的应用，已在中国沿海建成多个地区级及国家级的AIS网络中心，100多座AIS基站，基本形成沿海AIS网络框架，实现了对重点水上船舶交通监管区域“四区一线”的船舶AIS覆盖，由于岸基AIS系统信号仅能覆盖沿海约40海里水域，因此对远离海岸航行的船舶无法使用AIS进行实时跟踪。
另外，虽然我国国家船舶远程识别和跟踪系统（LRIT）数据中心可以查到所有中国籍船舶的身份和定时位置信息，还能对靠近中国海岸线的外国船舶通过与有关国家联络，进行身份和定时位置查询，但是LRIT系统的应用显然存在极大的局限性，无法实现真正意义上的实时跟踪（每6小时一次数据更新）。
ORBCOMM公司是由美国轨道科学公司和加拿大Teleglobe公司合伙经营，主要通过其覆盖全球的低轨道卫星系统提供针对双向短数据／信息传输服务的卫星通信服务提供商。所有ORBCOMM第二代卫星均设计配备了自动识别系统（AIS）有效载荷，接收与报告来自配备AIS的海上船舶的信号。AIS数据采集系统是ORBCOMM系统的子系统。大部分AIS数据采集需使用的基础设施可以和ORBCOMM系统共享。卫星接收到的AIS信息可以被下载到GES，并能被控制中心处理，向用户提供。但是，基于机载AIS的研究与应用目前是空白。
水上船舶识别是水上交通应急处置的关键，特别是远离海岸的海域，全面、详实地了解和掌握水域船舶信息，对水上交通应急处置的及时、科学、合理决策十分重要，因此，机载AIS显得特别重要，通过机载AIS收发机，来接收和发送AIS报文，让岸基搜寻指挥中心及时掌握搜寻海域船舶的动态信息，实现对远海搜寻海域航行船舶的应急处置协调指挥。
机载AIS与岸基AIS的区别在于：岸基AIS覆盖范围有限，仅限于近海岸20～50海里之内，对于远离海岸线的船舶AIS信息无法及时接收。只要无人机飞过的海区，都可以收发机载AIS覆盖的范围船舶AIS信息。因此，机载AIS收集的AIS数据量更大，覆盖范围更广，岸基应急指挥中心及时掌握水域船舶的动态信息，有利于协调指挥远海搜寻海域航行船舶参与应急处置。
基于北斗的无人机远程传输关键问题
传统的无人机利用微波等通信技术，来实现遥感信息的传输，该技术具有传播距离短、容易受地形、地貌影响等缺点，影响了无人机在安全应急中，特别是复杂地形、地貌环境中的应用。
北斗具有用户与用户、用户与地面控制中心间的双向数字短报文通信能力。作为备用的测控通信技术手段，可保证在测控链路出现问题时，提供关键测控数据的传输。尤其对于水上搜救大范围、全天候的特点，无人机处在临界或者超出视距测控范围时，北斗通信的广域覆盖能力使得无人机的机动范围明显得到扩展。
我国是海洋和航运大国
十一五期间，我国搜救102547名遇险人员
无人机成本低、机动性好、使用方便、续航长
在水上安全应急中有着广阔的应用前景
无人机可以和船舶协同进行水上搜寻，由于无人机具有一定的飞行高度，其视频图像的范围要比船上的可视范围要扩大数十倍甚至几十倍，机载摄像机、AIS和VHF的有效作用距离得到扩大，飞机的搜寻效果明显好于船舶。
面对辖区广阔的海域，仅仅靠船舶进行海上搜寻难以达到理想的辖区搜寻率和效率，必然出现许多搜寻空白点。应用无人机搭载摄像机、AIS和VHF进行远程水域搜寻，能快速抵达水域，岸基应急指挥中心通过机载视频图像能够看得见目标，通过机载AIS识别得了船舶，通过机载VHF与船舶能通得上话，根据搜寻视频图像能快速、高效、便捷对水上遇险目标智能定位与显示，这必将大幅度提高我国水上搜寻救助效率，大提升快速高效水上搜寻救助的能力和水平，有效降低水上搜寻救助风险。
因此，目前面临繁重的水上交通安全应急处置的任务，应用无人飞机开展远程水上交通安全应急处置关键技术的研究是提升水上交通安全应急处置能力的有效途径。
利用无人飞机开展远程水上交通安全应急处置，目前有几个关键问题需要突破：
水上目标定位关键问题
长期以来机载视频图像中水上目标无法直接定位，造成水上搜寻救助的效率低。水上目标定位的关键问题是机载摄像机的保持水平技术；飞机和摄像机等三维空间状态信息与视频图像的实时同步记录技术；视频图像中水上目标的实时准确定位技术。
因此，有必要利用摄像机记录飞机和摄像机等三维空间状态实时信息，通过视频图像对飞机和摄像机等姿态的实时信息进行融合处理，解决图像与三维空间状态信息的实时同步；分析地球面上机载摄像机中心、图像点、海上遇险目标等之间的关系，研究基于机载视频图像的水上目标定位算法模型；研发专门用于机载视频图像的水上目标定位与显示平台的软件，实现远距离海上目标“一键”的智能定位技术，解决飞机飞行速度快、飞行姿态多变、海上目标定位与显示等难题。
机载VHF的远程船岸无线通信问题
远程甚高频(Very High Frequency,VHF)无线电话是一种近距离水上移动通信工具，VHF无线电通信设备是国际海事组织和我国船检机构规定船舶必须配备的通信设备，现有各类船舶均应配有VHF无线电通信设备。
VHF无线电话在船舶遇险通信、紧急与安全通信和日常业务通信等海上船舶通信中发挥了巨大的作用，是一种便捷、可靠的语音通信手段，是其他通信手段所无法替代的。它实现了船舶间、船岸间（A1海区），或经岸台与陆上通信线路转接的船与岸上用户间的无线电通信。海上交通应急处置需要应急指挥中心与船舶实时、便捷的VHF无线电话通信。
然而，目前岸基VHF无线电话不能实现远程船舶的应急通信，无法直接了解情况、协调周围船舶、指挥应急处置。因此有必要针对水上搜救特点专门研发用于无人机的机载VHF，实现岸基指挥中心与事故现场船舶的远程VHF无线通信。其关键问题是VHF的模拟音频信号和频道控制信号、收发控制信号的数字化与还原、压解缩、加解密及卫星通信网络传输技术。
机载AIS的远程船岸信息收发与显示问题
船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是船舶在VHF海上移动频段采用时分多址方式自动发送船舶有关信息，包括船舶静态信息、动态信息、与航次有关的信息及与安全有关的信息等，船舶AIS有效覆盖范围内任何船舶都能自行互不干扰地发送报告和接受全部船舶（岸基）的报告。
每一AIS台站能同时容纳200-300艘船舶的AIS信息，一旦出现超载，首先放弃远距离船舶的AIS信息，以保证近距离船舶的优先权。船舶AIS具有延迟连接功能，虽然电波传输速度在一般情况下可以被忽略，在SOTDMA技术中，没有忽略电波传递速度，为距离延迟保留的缓冲值为12比特，这相当于202.16 n miles，这一距离延迟能对超过100 n miles 的传播提供保护。
中国海事十分重视船舶AIS数据的应用，已在中国沿海建成多个地区级及国家级的AIS网络中心，100多座AIS基站，基本形成沿海AIS网络框架，实现了对重点水上船舶交通监管区域“四区一线”的船舶AIS覆盖，由于岸基AIS系统信号仅能覆盖沿海约40海里水域，因此对远离海岸航行的船舶无法使用AIS进行实时跟踪。
另外，虽然我国国家船舶远程识别和跟踪系统（LRIT）数据中心可以查到所有中国籍船舶的身份和定时位置信息，还能对靠近中国海岸线的外国船舶通过与有关国家联络，进行身份和定时位置查询，但是LRIT系统的应用显然存在极大的局限性，无法实现真正意义上的实时跟踪（每6小时一次数据更新）。
ORBCOMM公司是由美国轨道科学公司和加拿大Teleglobe公司合伙经营，主要通过其覆盖全球的低轨道卫星系统提供针对双向短数据／信息传输服务的卫星通信服务提供商。所有ORBCOMM第二代卫星均设计配备了自动识别系统（AIS）有效载荷，接收与报告来自配备AIS的海上船舶的信号。AIS数据采集系统是ORBCOMM系统的子系统。大部分AIS数据采集需使用的基础设施可以和ORBCOMM系统共享。卫星接收到的AIS信息可以被下载到GES，并能被控制中心处理，向用户提供。但是，基于机载AIS的研究与应用目前是空白。
水上船舶识别是水上交通应急处置的关键，特别是远离海岸的海域，全面、详实地了解和掌握水域船舶信息，对水上交通应急处置的及时、科学、合理决策十分重要，因此，机载AIS显得特别重要，通过机载AIS收发机，来接收和发送AIS报文，让岸基搜寻指挥中心及时掌握搜寻海域船舶的动态信息，实现对远海搜寻海域航行船舶的应急处置协调指挥。
机载AIS与岸基AIS的区别在于：岸基AIS覆盖范围有限，仅限于近海岸20～50海里之内，对于远离海岸线的船舶AIS信息无法及时接收。只要无人机飞过的海区，都可以收发机载AIS覆盖的范围船舶AIS信息。因此，机载AIS收集的AIS数据量更大，覆盖范围更广，岸基应急指挥中心及时掌握水域船舶的动态信息，有利于协调指挥远海搜寻海域航行船舶参与应急处置。
基于北斗的无人机远程传输关键问题
传统的无人机利用微波等通信技术，来实现遥感信息的传输，该技术具有传播距离短、容易受地形、地貌影响等缺点，影响了无人机在安全应急中，特别是复杂地形、地貌环境中的应用。
北斗具有用户与用户、用户与地面控制中心间的双向数字短报文通信能力。作为备用的测控通信技术手段，可保证在测控链路出现问题时，提供关键测控数据的传输。尤其对于水上搜救大范围、全天候的特点，无人机处在临界或者超出视距测控范围时，北斗通信的广域覆盖能力使得无人机的机动范围明显得到扩展。
