海上无人机搜救任务构型分析与研究.pdf

智 慧 交 通 新 业 态水上安全 2023 年 第10 期4第一作者简介：郎需义，男，本科，高级工程师，研究方向为无线电通信导航。海上无人机搜救任务构型分析与研究郎需义，张 铄（哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066）摘要：无人机依据其造价低、操纵灵活、使用简便等优势，逐渐在军用、民用等多个领域扮演重要角色。本文主要从无人机在海上救援方面的应用进行分析，研究海上无人机搜救任务构型。关键词：无人机；搜救；构型0 引言目前对于海上搜救方面，主要还是以搜救船舶、搜救直升机等以有人操作的海空载具为主。但随着无人机的迅速发展，无人机相对有人机的特殊优势，也将会成为搜救体系的重要组成部分，因此，本文针对无人机在海上救援方面的搜救任务构型进行分析与研究。1 无人机的优势无人机（unmannedaerialvehicle,UAV）是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。1917 年，英国人研制成功了世界上第一架无人机，从此无人机经过了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令控制无人侦察机和复合控制多用途无人机的发展过程1。随着控制技术、新材料、计算机技术、通信技术的迅猛发展，其在搜索救援、实时监视、侦察、交通监控、有害区域检查和网络延伸等方面的重要性及优势已经得到广泛认可2。无人机平台具有造价低、操纵灵活、使用简便等载人机和航拍卫星不可比拟的优势，同时具备抗风能力强、起飞方式多样和飞行环境要求低等特点，可根据需求在中低空任意切换高程，非常适合完成各类抢险救援任务3。2 无人机在海上搜救分析2.1 需求分析交通运输部救助打捞局是我国唯一一支国家海上专业救助打捞力量，共计运行有 20 架救援直升机，主要承担距飞行基地 110nmile 海里半径范围内海上人员救助。另外，近年来海上救援任务发生地点也逐步向远海发展。20162020 年，执行救助飞行任务总计近2000 起，距离超出 110nmile 范围的救援任务在 30%左右4。因此，扩展无人机在海上救援的任务应用，能够提高搜救效率，进一步完善海空立体救助体系。海上个体目标的搜救难度在于一方面目标小且分散，缺乏面向个体有效的定位通信手段，搜寻难度大；另一方面是，遇险对象直接与海水接触，生存时间短5。利用无人机进行海上搜救，要比船舶的可视范围扩大几十倍，且飞行速度比船舶快好几倍，能够极大缩短搜寻目标所用时间。再通过无人机携带一定量的救援物资，待搜寻到目标后，除了及时将数据发送给地面控制中心及搜救船舶、搜救直升机外，空投相应救援物资，一是保障被救目标的生命安全，避免意外情况发生或对伤员目标进行一定的医疗处置，二是提供有效的定位通信手段，便于后续搜救船舶、搜救直升机及时救援。2.2 使用场景分析结合无人机海上搜救特点及当前海上搜救现状，使用场景主要为搜索场景和救援场景。无人机的搜索场景与有人搜救直升机区别不大，都是借用机载设备搜索海面，找到遇险人员。区别在于有人搜救直升机可以直接目视观察以及直接判断是否找到遇险人员，无人机需要将搜救画面、数据等信息发挥后方控制中心，由控制中心进行数据处理及判断。救援场景则与有人机完全不同。一旦找到遇险人员，有人搜救直升机可立即悬停在遇险人员上方，通过电动绞车及担架、吊篮等救捞设备，将遇险人员救起，完成救援任务。无人机目前不具备将遇险人员直智 慧 交 通 新 业 态Maritime Safety 水上安全5接救起的条件及能力，也就不需装备电动绞车及救捞设备，但可以携带相应救援物资，通过空投的方式提供给遇险人员，保障遇险人员的生命安全。同时通过地面控制中心呼叫距离遇险人员最近的搜救直升机、搜救船舶甚至民用船舶，及时救援。3 搜救任务构型分析与设计根据无人搜救任务系统的使用场景，对无人机的搜救任务构型进行研究。搜索方面，主要为通过无人机机载设备搜索遇险人员，目前较为成熟的搜索手段主要为光电搜索、信标信号搜索、图像搜索等。救援方面，主要为携带救援物资，在找到遇险人员后，飞抵遇险人员上方，通过空投的方式投放相应救援物资，对遇险人员进行补给，保障遇险人员的生命安全。因此，无人机的搜救任务构型组成如图 1 所示。图 1 搜救任务构型组成3.1 机载搜救设备机载搜救设备主要用于对遇险人员的搜救，实现遇险人员搜、图像/数据传输、通信保障等功能，设备组成应包括：大功率搜索灯、机载光电设备、信标信号搜索定位设备、船舶自动识别设备、机载卫星传输系统、电台中继设备。3.1.1大功率搜索灯安装于无人机机腹下，主要用于夜晚或能见度低的情况下搜索遇险人员。一是在搜索时，提供有效照明，二是在救援时，实时锁定救援区域，为救援提供照明。具有俯仰和左右旋转的功能，光束范围能调节且光束防抖，可与机载光电设备进行随动，可长时间工作，启动迅速，并可根据工作要求连续工作或停止并重新启动。3.1.2机载光电设备通过吊舱结构形式，挂装于机头下部。利用光电探测、红外探测、图像搜索、跟踪定位等技术，对中近距离的遇险人员，进行搜索定位。能准确识别被救目标发出的灯光提示、烟雾提示，以及直接找到水面遇险人员。拍摄的高清图像以及探测数据，通过机载卫星传输系统传输到地面控制中心。由地面控制中心进行数据、图像分析，及时找到遇险人员。3.1.3信标信号搜索定位设备接收机安装于无人机载荷舱内，天线安装于机体外部。信标信号搜索定位设备实时监控搜索信标信号（频率分别为 121.5MHz、243MHz、406.5MHz），当被救人员通过手持信标设备，发出相应信标信号，信标信号搜索定位设备及时搜到该信号并进行定位，得出其经纬度位置信息，同步通过机载测控系统将该位置信息发给后方控制中心及搜救直升机、搜救船舶，无人机飞到该信标信号位置，进一步通过机载光电设备进行搜索。3.1.4船舶自动识别设备接收机安装于无人机载荷舱内，天线安装于机体外部。主要接收无人机位置周边海区民用船舶发出的自动识别系统（automaticidentificationsystem，AIS）信号，将接收的 AIS 信号通过无人机机载卫星传输系统下传到地面控制中心，由地面控制中心对信息进行解析，实现对民船目标的识别，民船信息主要行位置、航向、船舶的水上移动通信业务标识码（maritimemobileserviceidentify，MMSI）、呼号、名称、航行状态等。地面控制中心可以通过接收并解析的 AIS 数据，一是可以将船舶数据信息，结合电子海图及气象信息，为搜救部门提供船舶信息及搜救决策服务信息，二是可以及时掌握遇险人员周边船舶信息，可以求助周边船舶及时救援遇险人员，缩短搜救时间。3.1.5机载卫星传输系统安装于无人机载荷舱内。主要用于实时传输搜救数据，包括机载光电设备的探测数据及高清图像、信标信号搜索定位设备的定位信息、船舶自动识别设备接收的 AIS 信息等。卫星通信具有覆盖范围广、受环境影响小、通信容量大、通信质量高等特点，可以实时可靠的将搜救情况传输到地面控制中心，可以及时和直接的了解搜救现场情况，进行快速决策。3.1.6电台中继设备安装于无人机载荷舱内，天线安装于机体外部。通信中继是一种自动接力设备，当它收信号以后，便启动发射机，把信号转发出去。由于中继站具有很好的接收性能和比较大的发射强度，所以通过它的转发，通信距离可以明显延长。电台中继设备对搜救船舶、搜救直升机的甚高频（veryhighfrequency，VHF）及超高频（ultrahighfrequency，UHF）频段电台进行中继通信，扩大舰船之间、直升机之间、舰船直升机之间的通信距离，提供可靠通信保障，实现大范围协同搜救。同时也可以作为一种灾害后的应急通信中继手段，智 慧 交 通 新 业 态水上安全 2023 年 第10 期6在地震、洪水、泥石流、海啸等重大自然灾害发生后，地面原有的有线、无线通信系统遭到破坏后，可以利用该快速构成一个应急局域无线通信网以解燃眉之急，为救灾赢得宝贵时间。3.2 救援物资救援物资主要用于海上遇险人员的生命安全保障及后续救援定位。主要包括投放装置、应急物资、空投式救生浮标。3.2.1投放装置投放装置主要用于投放应急物资、空投式救生浮标。无人机不可能像有人机那样人工投放物资，必须设计无人投放装置，接到地面控制中心的投放指令，根据当前载机速度、航向、空速、高度、风速等一系列相关数据计算出合适的投放高度和位置，确保将物资投放在遇险人员附近，若天气情况良好，甚至可以进行低空投放，进一步提高投放精度，确保遇险人员尽快拿到所需物资。3.2.2应急物资应急物资主要用于遇险人员应急使用。主要包括食品药品包、双人/四人救生船、手持信号发射设备。应急物资可以分为双人应急物资、四人应急物资。双人应急物资应包括双人份 1 天的食品药品包、双人救生船、一套手持信号发射设备。四人应急物资应包括四人份 1 天的食品药品包、四人救生船、一套手持信号发射设备。应急物资单独打包，投放后遇水自动展开，漂浮在海面上，食品药品包、手持信号发射设备固定在船内，防水包装，遇险人员手动打开。食品药品包主要用于维持海上遇险人员的生命安全以及对伤员进行及时救助。应包含应急药品、饮用水、高能量食物、保温毯等，也可根据实际需求增加其他必要物资，有双人份/四人份等不同规格包装。放置于救生船内。双人/四人救生船主要为遇险人员提供自救工具，避免长时间浸泡在海水中。遇险人员可以登上救生船等待救援。救生船应能保证超载 1 人仍可正常使用。手持信号发射设备主要用于遇险人员示位自身位置，应包括红色烟雾棒、闪光灯/雾灯、手持信标发射机等。放置于救生船内，需遇险人员手动打开；可以配备安全绳，系于遇险人员身上，避免丢失。红色烟雾棒可用于昼间/夜间环境中，较短时间内近距离指示遇险人员位置，便于搜救直升机或搜救船舶及时发现；闪光灯/雾灯可用于夜间或者雾、雨等能见度低的环境中，较长时间内中近距离指示遇险人员位置，便于搜救直升机或搜救船舶及时发现；手持信标发射机，发出信标信号，便于搜救船舶定位位置。3.2.3空投式救生浮标主要用于对海面目标的位置进行无线电定位，通过投放装置抛放到遇险人员/船只附近的海面上，救生浮标抛出前，先启动浮标内的无线电发射机在121.5MHz 或 213MHz 频率上发射无线电信标信号，给其他搜救船舶和救援直升机提供目标信息。抛出后，浮标天线罩自动打开。3.3 对无人机平台的要求分析同时，为实现较远距离较长时间的搜救，以及安装搜索设备及携带救援物资，对无人机平台提出一定的要求。1）应为大型无人机，否则无法承载相应搜救设备及救援物资，也无法满足远海搜救范围要求。2）应为固定翼无人机，相较于无人直升机，固定翼直升机操作更为方便，技术更为成熟，有利于应对海上恶劣天气。3）搜索范围应是满足 10 300km 的近中程无人机，能够对 110nmile 甚至 150nmile 范围内进行搜救，并留有一定的巡航搜索时间。4）飞行高度应是满足 100 7000m 的中低空无人机，既可以进行低空空投救援物资，也可以高空巡航搜索。5）控制模式应为半自主式无人机，既可以进行地面遥控，也可以按预编程程序自动飞行。4 结束语随机无人机的迅速发展，会承担越来越多的角色，在搜救领域无人机是对有人机搜救手段的有效补充，甚至随着技术发展，无人机不再仅限于搜索及投放救援物资，而是可以直接救起遇险人员。5 参考文献1 王雅超.无人机飞行控制与管理 J.设备管理与维修,2018(24):31-33.2 祁圣君,井立,王亚龙.无人机系统及发展趋势综述J.飞航导弹,2018(4):17-21.3 于力,高明昊,龚杰.国外救援无人机应用需求及发展趋势分析 J.飞航导弹,2018(4):33-36,82.4 王娟.浅析直升机在海上救助中的特点及应用 J.科技风,2015(22):123-124.5 佚名.海上救捞的科技新力量:无人机 J.海运纵览,2016(10):34-36.