海上无人机系统技术方案（20130812）

海上无人机系统技术（20130812） 海 事 无 人 机 系 统 广东精大海洋数据服务有限公司 2013年8月 海事无人机系统设计方案 目 次 第一部分 系统总体要求 .......................................................... 2 (一)基本任务 ............................................................... 2 (二)主要功能 ............................................................... 2 (三)技术指标及使用性能 ..................................................... 2 (四)系统组成与编配 ......................................................... 3 (五)工作模式 ............................................................... 4第二部分 系统总体设计方案 ...................................................... 6 (一)系统组成 ............................................................... 6 (二)系统工作方式 ........................................................... 8 (三)系统 ........................................................... 9第三部分 各子系统设计方案 ..................................................... 10 (一)飞行器平台方案 ........................................................ 10 (二)任务载荷 .............................................................. 15 (三)测控站 ................................................................ 19 (四)情报处理站 ............................................................ 24 (五)车载集成运输与保障分系统方案 .......................................... 32 i 海事无人机系统设计方案 第一部分 系统总体要求 (一) 基本任务 海事无人机充分利用飞行器速度快、探测覆盖面广、时效性强、反应迅速的优势，对近海(200Km内)规定范围内(1000平方公里内)实施海洋环境监测，提高海洋监测效率，有效建立陆海空立体监测系统，满足事故海域图像实时快速获取的需求，实现“监测立体化，反应快速化、执法规范化和管理信息化”的目标，为国民经济和航运发展提供可靠的保障。 (二) 主要功能 a) 系统可以提供近海(200km内)规定范围内(1000平方公里内)海洋环境监测 的视频(可见光和红外)和相片图像。 b) 可实现对海情的空中可见光、红外图像的视频监测，并将监测视频图像空中录 像、实时传输到岸基测控站; c) 可实现对海情的照相功能，并将照片实时存储到机载存储卡; d) 无人机能够实现海面/水面/陆地滑跑起降，可弹射起飞/伞降回收，其中伞降为 常备方式; e) 弹射起飞/伞降回收时可实现自主起降; f) 能够实现自主飞行、目标跟踪、应急返航和定点盘旋等; g) 飞行器应具备各种应急功能，如掉高、姿态超限、发动机熄火、链路中断、GPS 丢失等; h) 测控站能实时控制飞行器、任务载荷，能接收和显示视频图像，并具有航迹显 示、任务规划等功能; i) 飞行器应安装有机载二次应答机，能与民航联络; 系统具备自检能力，故障定位到现场可更换单元; j) k) 远程任务时(大于100km)时，可通过国际海事卫星通信系统(INMARSAT)传输 重要的遥控/遥测数据(暂定)。 l) 能对探查图像进行实时或准实时拼接定位等处理。 (三) 技术指标及使用性能 2 海事无人机系统设计方案 1 基本性能 a) 使用高度 300m,1000m(相对高度) b) 实用升限 3000m c) 巡航速度 70,140km/h 最大平飞速度 ?160km/h d) e) 最大起飞重量 ?130kg f) 有效载荷 ?10kg g) 任务载荷类型 可见光摄像机/红外摄像机/数码相机 h) 续航时间 ?8h i) 最大航程 ?800km j) 动力装置 汽油发动机+发电机 k) 导航方式 GPS/BD2+INS l) 最大测控半径 ?100km(之外采用照相、空中录像、海事卫星) m) 测控工作体制 工作频段 L波段 上行遥控 频分多址 下行遥测 时分多址或频分多址 n) 起降方式 海面/水面/滑跑起降，弹射起飞/伞降回收 o) 海上滑跑距离 ?100m p) 系统展开时间 ?60min q) 系统撤收时间 ?45min 2 环境适应性 a) 工作温度:-20?,+55? b) 贮存温度:-40?,+65? c) 相对湿度 :95?3% (+30?) d) 防盐雾:采用防盐雾设计，能在海洋环境下使用 e) 振动和冲击:能承受工作和运输时的振动和冲击环境 f) 海上起降条件: 浪高?1m，风力?7级 (四) 系统组成与编配 3 海事无人机系统设计方案 海事无人机为硬件和配套软件的集成系统，具体包括1架飞行器、1套任务设备、1套地面站系统、1套图像拼接系统和1套车载集成运输与保障分系统。布署在沿海地区。 表 1 系统组成 序号 组成 数量 备注 1 飞行器 1架 含飞控导航、机载数据终端等 2 任务设备 1套 含可见光/红外摄像机、相机、转台等 3 地面站 1套 地面监控及综合显示 4 图像拼接软件 1套 视频及相片拼接 含运输车辆、测控天线、车载单收终端、5 车载集成运输与保障分系统 1套 车载显示、发电机、弹射架、备附件及 工具等 (五) 工作模式 海事无人机到达海情现场，选择适当的起飞场地，进行无人机快速组装展开，同时地面控制站进行任务规划，参数装订和系统状态检查，准备完毕立即起飞。 海事无人机通过程控自主飞行到达目标区域上空，通过装载的可见光/红外摄像机对海情现场拍摄，并实时将画面传回地面控制站;也可通过装载的高分辨率数码相机对情现场进行拍摄，在地面进行图像拼接、注释等处理，快速形成海情图像产品。 海 海事无人机在事故海域执行海情收集任务时，地面控制站布置在发射地点，通过数据链的遥控、遥测和图像传输信道对飞行器及任务载荷进行控制及图像信息的接收。地面站可以记录、存储和回放视频和飞行数据信息，并设有网络传输接口，具备信息实时传输与发布功能。 车载单收终端和图形工作站布署在车上，可实时接收视频图像并进行拼接定位处理;相片图像待飞行器降落后再进行拼接处理。 飞行器完成任务返航后，可选择海面/水面/陆地滑跑/伞降几种降落模式，常备伞降模式。 4 海事无人机系统设计方案 图 1 100km海域空中监测示意图 图 2 200km海域空中监测示意图 5 海事无人机系统设计方案 第二部分 系统总体设计方案 (一) 系统组成 从物理上划分，海事无人机组成如图 3所示。 海事无人机系统 车 载 集任车成 飞测情务载运测行控报载 单输控器站处荷收与链分分 理分终保路系系站系 端障统统统分 系 统 图 3 海事无人机组成图 6 海事无人机系统设计方案 综合考虑功能划分和物理划分，海事无人机的具体组成框图如图 4所示。 无人机机体 动力装置 飞控导航设备 飞行器平台 机载数据终端 电气设备 回收伞 稳定云台 高清数码相机 任务载荷 可见光/红外摄像 机 目标跟踪器 海 事 无机载录像 人 机 系测测控天线 统 控 链 路 测控站数据终端 测控站 监控平台 监控软件 图像处理硬件 图像拼接软件 情报处理站 车载单收终端 运输装载车辆 车载集成运输 弹射架 与保障子系统 备付件及工具 图 4 系统组成框图 7 海事无人机系统设计方案 (二) 系统工作方式 1)飞行器主要采用全自主程序控制的飞行模式，起飞后，按照设定的程序执行探察任务及返航，飞行过程中可以通过测控站实时更改飞行模式及任务。 2)遥控飞行:遥控飞行是基本的飞行控制模式。操作员通过上行链路发送遥控指令到飞控计算机，通过飞行控制系统实现高度和航线的控制。 3)自主飞行:程序自主飞行是主要的飞行控制模式。飞行器主要采用全自主程序控制的飞行模式，弹射起飞后，自动控制程序可使飞行器根据预先设定的航线实现自主飞行，按照设定的程序执行探查任务和返航并开伞降落，飞行过程中可以实时更改飞行模式及任务，能实现定点盘旋。 4)安全应急保护:飞行器具备紧急情况处理功能，包含姿态超限、发动机熄火、无GPS信号、遥控链路中断、应急返航等安全应急保护。 5)飞行器采用不同的任务载荷执行相应的探查任务，采用可见光摄像机和数码相机执行白天的探查任务，数码相机主要用于分辨率要求高，需要飞行完成后进行详细分析的探查任务;夜间的探查任务可选装红外摄像机完成。 6) 测控站进行任务规划和管理，完成飞行器及任务载荷的监控，显示无人机探察信息和航迹，并能存储和回放。测控站设计为便携式，车载使用时可嵌入车上固定位置。测控站可以记录、存储和回放视频和飞行数据信息，并设有网络传输接口，具备信息实时传输与发布功能。 7)车载单收终端专用于车载接收遥测/图像信息，进行图像显示和处理，不需测控站提供链路，便于系统独立使用。 8)情报处理站由车载图像工作站和专用图像处理软件组成。车载图像工作站专用于图像处理，为便携式设备，可从车辆上卸下使用。 9)车载集成运输与保障分系统的车辆不随行时，系统应能正常执行任务。 8 海事无人机系统设计方案 (三) 系统工作流程 海事无人机从起飞前准备直至返航降落、后期情报处理的工作流程见图 5所示。 海事无人机及任务载荷在任务海域执行信息收集任务时，地面控制站布置在发射地点，通过数据链的遥控、遥测和图像传输信道对飞行器及任务载荷进行控制及图像信息的接收。地面站可以记录、存储和回放视频和飞行数据信息，并设有网络传输接口，具备信息实时传输与发布功能。 到达海情指定起飞前准备 组装展开 起飞场地 气象/环境 任务规划 起飞 起飞前检查 参数装订 回传图像信息 抵达目标空域 巡航飞行 获得海情结果 进行图像采集 图像分析处理 产品发布 返航降落 图像产品 图 5 系统工作流程图 9 海事无人机系统设计方案 第三部分 各子系统设计方案 (一) 飞行器平台方案 1 功能与组成 飞行器平台的主要功能是搭载任务载荷到目标区域上空实施探查或监视，可快速高效获取事故海域海情信息，并能对重要区域进行全方位、多角度重点监测，为指挥决策发挥重要作用。飞行器平台具有机动性强、操作简单、灵活安全、超低空飞行、实时观测等功能，能够适应不同起降环境，采取多种方式起降，具有在一定近海复杂气象条件下的飞行能力，能实现自主飞行、应急返航和定点盘旋等功能。 飞行器平台主要由无人机机体、动力装置、飞行控制与导航设备、机载电气设备、机载数据终端和回收伞等组成。 2 方案指标 方案技术指标见表 2。 表 2 飞行器平台技术指标 名项目 指标项目 技术要求 方案指标 称 * 使用高度 300m,1000m 300m,1000m 实用升限 3000m 3000m * 任务载荷 ?10kg 25kg * 最大起飞重量 ?130kg 130kg * 续航时间 ?6h 8h 无人机机体 巡航速度 ?70-140km/h 70-140km/h * 发射方式 海面/水面/滑跑/弹射 海面/水面/滑跑/弹射 * 回收方式 海面/水面/滑跑/伞降 海面/水面/滑跑/伞降 * 控制方式 遥控+程控自主飞行 遥控+程控自主飞行 * 导航方式 GPS/INS GPS/INS 飞活塞式双缸汽油发动机行 器动力装置 燃油发动机(92/93号汽油) (92/93号汽油) 平双发动机 台 飞行控制 由飞控导航仪、GPS/INS等组成 飞控导航仪、GPS/INS 与导航设备 由遥控接收模块和遥测/图像发射模块及天遥控接收、遥测/图像发射及机载数据终端 线组成，MPEG/ H.264压缩编码) 天线，MPEG/H.264 机载电气设备 满足任务需求的电容量和可靠的配电 机载供电，可靠配电设计 机载二次应答机，能与民航联络 由用户提供应答机 其它机载设备 海事通信卫星(暂定) 用于远程测控，试装 10 海事无人机系统设计方案 3 技术方案 采用公司现有成熟机型，针对海上起降要求进行适应性改进。 1)气动布局 ( 采用两种机型的气动布局，如图所示，主方案采用HW30双发无人机，仅需对垂尾改为高平尾布局，机腹进行水上起降适应性修改即可。备份方案采用HW04C 型“大白鲨”无人机，需进行浮筒加装改进设计。 (HW30双发无人机) 11 海事无人机系统设计方案 (HW04C无人机) 图 6 HW30/HW04C型机体布局 (2)结构与尺寸 飞行器机体拆分为机身、机翼等部分。各部分之间采用快速插接方式。机体采用复 合材料模具成型。机体总体尺寸如下: 机型 HW30 HW04C 备注 机长(m) 2.9 3.2 翼展(m) 4.9 4.0/5.4 机高(m) 0.83 0.7 (3)动力装置 活塞式双缸汽油发动机:3W-110，8kw，并带发电装置。 12 海事无人机系统设计方案 (4)飞行控制与导航 飞行控制与导航系统是无人机平台的核心，负责平台任务的调度与资源的管理，直接关系到无人机平台与操作人员的信息交互与协调。飞行控制与导航系统综合采用MEMS传感器、微电子、嵌入式系统、任务调度与优化等技术，以MEMS传感器、高性能嵌入式处理器和卫星导航系统为基础，构建多传感器组合导航与飞行控制系统，为任务载荷完成目标探查定位奠定基础，达到以情报获取为中心的最终目标。 飞行控制与导航系统由飞控导航计算机、MEMS陀螺、加速传感器、磁航向传感器、气压传感器、GPS卫星接收机以及伺服舵机等组成。飞控导航计算机负责飞行控制、任务载荷管理、传感器的信息处理和多传感器组合导航解算。飞行控制与导航系统组成框图如图 7所示。 卫星 RS232 3Gyro RS422 任务载荷3ACC图像 3Mag参数 飞控/导航 气压传感器 RS422电池电压测控 PPPWWWGPIOGPIO MMM 夜油舵开切航门面伞伞 灯 图 7 飞行控制与导航系统框图 13 海事无人机系统设计方案 (5)机载数据终端 由遥控接收模块和遥测/图像发射模块及天线组成。 机载遥控接收天线接收地面的遥控发射机的射频信号，送到机载遥控接收模块，经高频放大、混频、自动增益控制、基带解扩解调后输出遥控指令数据流和航迹规划数据流，送导航制导与控制分系统完成遥控数据处理。 机载图像/遥测发射模块将OFDM调制模块的中频转换到L波段，并进行线性功率放大。遥测发射机基带板从功能的可分为三大功能模块:图像编码模块、处理芯片模块、D/A转换模块。图像编码模块完成视频信号的压缩、图像数据与遥测数据的复接;FPGA完成基带数据的编码、调制、输出及相关控制;D/A完成中频调制信号的数模转换功能。每个功能块分别由其核心器件外加外围器件完成其各自功能，另外还包括一个电源模块，完成基带板的供电。基带板与射频的中频接口为高中频, 电源由+12V供电。遥测发射机射频模块从功能的角度可分为:上变频模块和功率放大模块。变频模块将调制后的中频信号上变频至指定的频段，功放模块将信号放大后送天线发射输出。 图像/遥测通道采用OFDM体制，构成下行图像传输链路，完成图像数据与遥测数据的实时下行传输。 OFDM(正交频分复用)不仅能够有效地传输高速图像数据，同时在图像、数据接口方面和系统集成方面都具有较大的优势和先进性，其基本原理是将高速数据流通过串并转换，分解成许多低速率的子数据流，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输，各个子信道的载波互为正交。各子载波并行传输，减小了对单个载波的依赖性，其抗多径衰落能力、抗码间干扰(ISI)能力、抗多普勒频移能力等都得到了显著提高。 (6)机载电气系统 为使飞行器上各系统和设备正常工作，完成预定的功能，需要使用电气系统提供满足预定设计要求的电能，包括足够的电容量和可靠的配电，并保证供电质量符合要求。因此电气系统是飞行器系统的重要组成部分。 (7)回收伞 回收伞采用十字型伞，其优点是下降时固有摆动角度在所有伞型中是最小的，可防止机体损伤。 伞降时，机体落地采用气囊减震;为防降落后大风拖拽引起机体损伤，设计有落地时自动抛伞功能。 14 海事无人机系统设计方案 (二) 任务载荷 1 功能与组成 海事无人机任务载荷用于对地面目标进行探查、跟踪及定位，具有体积小、作用距离远、技术指标高的特点;设备有可见光/红外摄像机和高清数码相机，可采用换装方 自动搜索和跟踪目标;可以与其他机载、地面设备信式使用，能够实现高分辨、手动/ 息配合解算目标位置，实现目标定位功能。 任务载荷由稳定云台和探测设备(高清数码相机、可见光/红外摄像机)等组成。 2 方案指标 方案技术指标见表 3。 表 3 任务载荷技术指标 名称 项目 方案技术指标 *1、惯性稳定云台:方位角寻址范围:,160:，方位角寻址角速度:0,60:/s，俯 仰角寻址范围:,30:，俯仰角寻址角速度:0,70:/s。 *2、光学照相机:分辨率0.2m(500m拔高时)，传感器尺寸:36×24mm，最大分 辨率:5500×3500，支持64G存储卡，具备4小时内连续拍摄并存储的能力。 *3、可见光摄像:720P，大视场:4.6º,46º(1?5%)，具有自动调光、自动调焦、任照相与 连续变倍的功能，具备连续录像4小时并存储的能力。 务摄像设备 4、红外摄像机: 载 探测器分辨率:320×240 荷 热灵敏度:<80mk@25? 帧率:25Hz 波长范围:8μm,14μm 5、电视跟踪器:最小跟踪目标尺寸:3×3个像素，跟踪误差:1TVL，目标截获跟 踪方式:人工截获，自动跟踪/手动跟踪; 3 技术方案 , 3.1 任务设备装载方案 本方案设计摒弃传统的吊舵装载模式，拟采用先进的双装载方式，即将可见光摄像机装载于机头，将照相设备装载于机身中间机腹位置，执行任务时，两种设备可以同时装载，也可只搭载其中之一。 , 3.3 设备选型 (1)高清摄像机机芯 实物图 表 4 高清机芯参数对比表 品牌 Panasonic 15 海事无人机系统设计方案 型号 MH322 传感器 1/2.8 CMOS 有效像素 2M 彩色 0.4lx(F1.6 50IRE Gain:high) 最低照度 黑白 0.03lx(F1.6 50IRE Gain:high) 信噪比 大于50dB 焦距长度 f=4.3-94.6mm 光学22倍 变焦倍率 数字20倍 水平:3.2-65.1? 视场角 垂直:1.8-38.4? 白平衡 ATW/AWC/Manual/3200k/5600k/4200k 背光补偿 多点/中心/遮挡/关 宽动态 开/关 作用于1080p25/1080p30 高速1/50,1/120,1/250-1/16000 电子快门 长曝光x2，x4，x8，x16，x32，x64，x128 光圈控制 自动/手动，等级可设 数字降噪 开/关 等级可设 伽马校正 0.45/1/其它 可设置 运动侦测 开/关 镜像功能 水平/垂直/水平、垂直/关 对比度 级别可调 自动跟踪 支持 透雾功能 支持，级别可设置 同步系统 内同步 数字输出(LVDS) 1080/59.94p,1080/59.94i,1080/29.97p, 720/59.94p 1080/50p,1080/50i,1080/25p,720/50p 分量输出(Y/Pb/Pr): 视频输出 1080/59.94p,1080/59.94i,1080/29.97p, 720/59.94p,480/59.94p 1080/50p,1080/50i,1080/25p,720/50p, 576/50p 模拟输出 N制/Pal制 通信接口 UART:COMS 5V 电源 DC6-12V 外形尺寸 50mmx60mmx94mm 重量 约290克 (2)光学照相机 16 海事无人机系统设计方案 a) 机身选择:相机选用CANON EOS 5D Mark III，并进行装机改造，如机上供电、 拍摄控制、输入输出控制等，其性能满足指标要求。机型如图 8，性能参数见表 5。 图 8 CANON EOS 5D Mark III机身实物图 表 5 相机主要参数表 主要性能 机身特性 全画幅数码单反 产品定位 高端单反 传感器类型 CMOS 传感器尺寸 36×24mm 最大像素数 2340万 有效像素 2230万 光学变焦 4.4倍 影像处理器 DIGIC 5+ 最高分辨率 5760×3840 高清摄像 全高清(1080) 快门性能 快门类型 电子控制焦平面快门 1/60-1/8000秒(场景智能自动模式) 快门速度 b门:30-1/8000秒(总快门速度范围。可用范围随拍摄模式各异) 曝光控制 程序自动曝光(P)，快门优先曝光(S)，光圈优先曝光(A)，手动曝曝光模式 光(M)，B门曝光 手动:在?5级间以1/3或1/2级为单位调节 曝光补偿 自动包围曝光:在?3级间以1/3或1/2级为单位调节 63区TTL全开光圈测光，评价测光(与所有自动对焦点联动)，局部测 测光方式 光(取景器中央约6.2%的面积)，点测光(取景器中央约1.5%的面积)， 中央重点平均测光 自动，预设(日光，阴影，阴天，钨丝灯，白色荧光灯，闪光灯)，用户白平衡 自定义，色温设置 (约2500 - 10000K)白平衡矫正和白平衡包围曝光 ISO 100-25600可扩展至50-102400，拍摄视频时ISO 100-12800可扩展感光度 至100-25600 17 海事无人机系统设计方案 拍摄性能 降噪能力 可应用于长时间曝光和高ISO感光度拍摄 存储性能 存储卡类型 SD卡/CF卡 图片:JPEG(Exif 2.3)，RAW:RAW，sRAW1，sRAW2 文件格式 视频:H.264 接口性能 HDMI接口 支持 视频接口 AV接口 其它接口 USB2.0 外观 外形尺寸 152×116.4×76.4mm 产品重量 约860g(仅机身) b) 镜头选择:根据航拍的需要，宜选用定焦镜头，定焦镜头对焦速度快，成像质量稳定，拍摄的运动物体图像清晰而稳定，对焦非常准确，画面细腻，颗粒感非常轻微，测光也很准确，同时定焦镜头光圈大，可获得更多的通光量，可以在弱光环境下获得更快的快门速度保证不受抖动的影响，具有暗光环境下的适应能力。定焦镜头另一大优点是拍摄图像无畸变，这对后续图像拼接处理尤为重要;综合考虑视场角、光圈等因素，选用佳能EF 50mm f/1.4 USM定焦镜头，实物如错误～未找到引用源。图 10，主要性能参数如错误～未找到引用源。表 6。 18 海事无人机系统设计方案 (3)惯性稳定云台 (4)电视跟踪器 (5)机载存储 (三) 测控站 1 功能与组成 测控站负责飞行器平台遥控指令、数据和图像信息的上传下达，包括了测控站和测控链路。测控链路基于无线电通信方式，采用数字通信体系架构，上行遥控采用直接序列扩频抗干扰通信体制，实现对飞行器和任务载荷的控制，地面站接收和解码遥测/图像信息，实现对系统的监视、控制。 测控站采用便携式设计，由测控天线、测控站数据终端、监控平台、监控软件组成。 2 方案指标 方案技术指标见表 6。 表 6 测控站技术指标 序号 项目 方案技术指标 功能:(1)实现对遥控信息的组帧、编码、调制、上 变频、功率放大与发射;完成遥测/图像信息的接收、解调、 滤波、解帧处理。 (2)操纵、控制、引导海事无人机飞行以及任务载荷 1 测控站 任务的执行，实时接收、处理、显示和存储无人机传输下来 的状态信息、航迹和图像及监控视频。 *测控半径:?100km(无线电通视) -5误码率:?1×10。 系统标配监控软件，用于管理通信接口、人机交互接口以及 2 监控软件 进行任务规划等，并完成数据的计算和显示。完成遥测/图 像信息的接收、解调、滤波、解帧处理。 3 技术方案 测控站采取了目前国内领先的多种先进技术，结构体系上采取一体化、模块化、小型化集成设计，监控平台采用嵌入式PC104架构，将遥控信号采集、网络管理、视频解压、显示模块等硬件功能模块集成于一体，轻便小巧，人机交互界面简洁友好，实现对无人机的监控，还能进行图像存储、回放等信息处理。 测控站由监控平台、监控软件、测控站数据终端、测控天线等组成。 3.1 监控平台 19 海事无人机系统设计方案 监控平台是地面测控系统的控制与处理中心，是无人机飞行的监控终端，是人机交 互的平台，完成飞行器的监控和图像、航迹显示与处理。 监控平台采用便携式设计，即可便携，也可车载使用。 监控平台主要包括各功能模块和专用应用软件，提供人机操作界面，完成上行遥控 指令与航迹规划数据的控制与处理，接收并显示下行图像/遥测通道的数据，实现地理 信息嵌入，实时存储图像和遥测数据，为上行遥控发射通道和下行图像/遥测通道提供 电源;通过鼠标和触控屏操作完成人机接口控制。 , 上行遥控功能 a) 飞行操作:能实现无人机的起飞降落控制、方向俯仰控制、转速控制以及 遥控/程控飞行模式、盘旋、归航、开伞、夜航灯开启指令控制; b) 任务载荷控制:能控制云台方位角和俯仰角，能控制载荷变焦和拍照; c) 航线设置:能够对航线进行载入、设置、编辑、保存、上传、下载 , 下行遥测/图像接收与显示 a) 遥测数据显示:能监视飞行器、链路和任务设备状态，能显示飞行器航迹; b) 图像接收与显示:能够接收和显示侦察图像。 , 任务管理 a) 界面切换:能够实现主界面/图像/导航全屏界面切换; b) 地图操作:能够加载地图、放大/缩小/平移地图、清除航迹、自动居中 c) 情报处理:能够对视频图像进行存储、回放。 , 接口:VGA、USB、网口、电源接口。 , 能耗 a) 供电方式:采用外置电源供电(内置应急电源)。 b) 电源特性:13.5,35VDC(工作电压) c) 功耗: ?40W , 尺寸 a) 外形尺寸:?370mm×250mm×60 mm b) 屏幕尺寸: ?10.4英寸 20 海事无人机系统设计方案 图 9 GCS11A型监控平台 3.2 监控软件 监控软件安装于监控平台上，用户通过本软件进行人机交互，用户使用它能在地面操纵、控制、引导无人机的飞行及探查任务的执行。 监控软件为基于 Windows平台下的专用软件，由主控制台程序和各种功能动态库和静态库构成，用于管理通信接口、人机交互接口以及任务规划等，并完成数据的计算、显示，其体系结构如图 10所示。 监控软件以图文的方式显示实时图像和航线信息，使导航显示更为直观明了，保证了飞行器位置与航线、起飞点相对位置的准确性。 监控显示界面由监控平台显示屏承担，在屏上划分为四大显示功能区，见图 11。 主控制台 程序EXE 电子地图功能网络串口转换EXE DLL 图像回放EXE 视频功能界面控件库 DLL lib 21 海事无人机系统设计方案 图 10 体系结构图 图 11 显示界面 3.3 测控数据链路 测控数据链是地-空数据交互的信息通道，传输信息包括: ?上行遥控指令和数据:飞行控制指令、机载设备控制指令、航路点数据、指令参数数据等; ?下行遥测数据:定位信息、遥测信息、图像信息。 测控数据链为双向数字化数据链路，基于无线电通信方式，采用了图像/遥测二合一数字通信体系架构，直接序列扩频抗干扰通信体制，全数字化平台实现，综合应用了扩频通信、正交多载波传输、信息加密、软件无线电等多种技术，具有功能强、抗干扰、体积小、重量轻、低功耗的特点，具有很强的在恶劣环境顽强生存的能力，确保完成无人机的遥控、遥测、图像传输等任务。 根据设备所处物理位置，数据链分为机载数据终端(安装在飞行器内)和测控站数 22 海事无人机系统设计方案 据终端(和监控平台一起使用)/车载单收终端(安装在车上)。 3.3.1 图像/遥测链路 a) 工作带宽:?6MHz b) 调制模式:OFDM模式QPSK ) 数据格式:标准PAL格式图像输入 c d) 图像压缩体制:MPEG/ H.264压缩方式 e) 像素:720x576 25帧 f) 数据码速率: 复接遥测数据速率38.4kbps -5g) 传输误码率: ?10 3.3.2 遥控链路 a) 工作带宽:2.5MHz b) 调制模式:DS+QPSK c) 数据格式:输入遥控数据速率9600bps d) 抗干扰技术:128位扩频 -5e) 传输误码率: ?10 3.4 测控站数据终端/车载单收终端性能 a) 完成对无人机探查图像的压缩、组帧、传输;完成收发数据校验、纠错; b) 车载单收终端用于车载接收海事无人机传回海情数据，接入情报处理站进行实 时显示、拼接、整编等处理; c) 测控半径:?100km(无线电通视); d) 工作频段:L波段; e) 工作体制:上下行传输:OFDM;图像压缩体制:MPEG/H.264; -5f) 误码率:?10; g) 工作电压: 13.5,35VDC(输入电压)。 3.5 测控天线 测控天线采用全向+定位天线模式，安装于车顶，其性能如下: a) 全向测控距离:?25km b) 定向测控距离:?100km 23 海事无人机系统设计方案 (四) 情报处理站 1 功能与组成 情报处理站是由图像处理硬件、视频拼接软件、照片拼接软件、车载单收终端等组 成，主要用于海事无人机图像的现场快速拼接、后期精细拼接。 图像拼接软件由图像拼接、图像处理、系统校正、视频处理和数据库管理等内容组 成，完成图像的后期处理。 主要功能包括: 1、数据的读取与显示 1)数据读取: (a)可接受无人机飞行过程中传回的低分辨率视频; (b)可读取无人机带回的图像信息; 2) 数据存储:将图像数据和实时视频存储到硬盘指定位置中; 3) 视频回放:可解码遥测/图像数据，并对解码后的图像数据进行显示。 2、*图像拼接 1)可对实时视频进行拼接; 2)可对降落后获取的照相图片进行现场快速拼接(获得图像后2小时内完成) 和后期精细拼接(24-48小时内完成)，并能将拼接后的全景图保存在硬盘指 定位置中。 3、目标定位 1)冻结帧:可冻结视频图像帧; 2)可对照片拼接全景图进行目标定位的测距。 4、图像管理 1) 数据加载:能加载探查区域内的数字地图和栅格地图; 2) 地图匹配:能够将拼接定位后的图像按地理坐标系叠加到数字地图或数字 图像基准数据(经过纠正的卫星图片)。 24 海事无人机系统设计方案 方案指标 2 方案技术指标见表 7。 表 7 情报处理站技术指标 项目 序号 技术指标 CPU:主频不低于2.8GHz 内存:不少于32G 移动图形工作站 硬盘:不少于512G，外接4T移动硬盘(USB3.0接口) 显卡: Q2000以上 1 图像处理硬件 *操作系统:Windows 64位; 标配车载逆变电源 液晶显示器 不小于22寸 包括数据接收与显示、图像拼接、目标定位、情报整编管理等功能，由信息 传输软件、视频拼接软件、视频处理软件、系统校正软件、图像处理软件和 数据库管理软件等功能组成，实现如下指标: , 可接收、存储、处理探查信息 2 图像拼接软件 , 拼接图像类型:8级灰度及24位彩色; , 拼接视频类型:AVI、MPEG2; , *照相图片拼接精度:快速拼接?10像素 精细拼接?3像素 3 车载单收终端 接收海事无人机飞行过程中下传的视频图像 3 技术方案 硬件环境由图像处理硬件(1台移动图形工作站、22英吋液晶显示器、1套鼠标键盘、1台UPS)和车载单收终端等组成，设备布局如错误～未找到引用源。错误～未找到引用源。所示。 每辆车配置1套硬件环境，图像处理硬件是专用软件运行的平台，车载单收终端用来接收海事无人机传回海情数据，接入情报处理站进行实时显示、拼接、整编等处理。 图像拼接软件由视频处理软件(含解压、显示、存储、拼接定位)、图像处理软件(照片拼接)、地图匹配软件等模块，实现数据接收与显示、图像拼接、目标定位功能。 3.1 硬件配置参数 移动图形工作站选用DELL M4700，主要硬件配置具体参数如表 8。 表 8 硬件配置具体参数表 品名 规格/型号 主机 CPU: 酷睿TM i7, 3.00GHz, 10MB //intel xeon E5-1607 25 海事无人机系统设计方案 内存: 32GB (4X8GB) 1600MHz DDR3 SDRAM 硬盘: 1TB SATA3Gb/s 7200转64M// (WD1003FBYX) 显卡: NVIDIA? Quadro? K2000M 含 2GB GDDR3 (*操作系统:Windows 64位) 移动硬盘 USB3.0 4T // WDBACW0040HBK 液晶显示器 1680 x 1050，60Hz// DELL E2213 22" 3.2 视频处理软件模块 3.2.1 软件模块组成与功能 视频处理软件主要由视频数据接收、解码显示与存储、视频拼接、目标定位解算等功能模块组成，实现无人机视频的接收与实时显示、能对连续探查图像文件序列进行拼接及目标定位解算，拼接后的图像能够按地理坐标系叠加到数字地图和卫星图片上，并可实现拼接图像的缩放和测距。 车载单收终端接收到无人机图像后，需利用车载图像处理硬件实时显示、储存并对 12所示。 探查图像进行拼接定位。其原理如图 视频显示 图像存储 视拼接 定位解算 车载单收终端 信息标注 视频处理软件 图 12 视频处理软件原理框图 3.2.2主要性能指标 a) 可接收、存储、处理视频探查信息 b) 拼接图像类型:8级灰度; c) 拼接视频类型:AVI/MPEG2/H.264; d) 视频、图像平均拼接速率:?6帧/秒; 26 海事无人机系统设计方案 e) 实时视频拼接延迟:?10s f) 视频图像解码平均速率:?15帧/秒; g) 视频拼接过程动态显示，拼接结果自动保存。. 3.2.3 软件功能模型总体结构图 视频软件接收视频流文件，通过视频图像数据解码，将数据流解成BMP格式图片， 用于视频显示;同时利用拼图模块、截图模块、定位模块实现对解码后得BMP图片进行 实时拼接、多帧截图和目标点定位处理，最后将原始视频数据、拼接全景图和单帧定位 数据存储在指定的目录下。功能模型总体结构图如图 13所示。 SR_5 多帧定位模块SR_2 视频拼接模块 数据存储 SR_4SR_1SR_3实时视频流或 数据存储单帧定位模块视频文件视频图像数据解码截图功能模块 数据存储 数据存储 图 13 软件功能模型总体结构图 3.3照片拼接软件 3.3.1 任务流程 任务流程如图 14所示。 接受主管部门任务满足应急特殊需求的专影像 制定任务飞行结束后24小时 全区定位高清影像 设备安装与检测 飞行结束后2小时 27 海情区域概貌影像 海情实查飞行 飞行结束后1小时实时海情显示海情区域定位影像 海事无人机系统设计方案 14 航拍任务流程 图 3.3.2 数据处理流程 照片拼接的核心技术是摄影测量数字正射影像图(DOM)生产技术，包括:相机畸变检校、影像畸变纠正、影像姿态解算(空三)、地形DEM计算、单幅正射影像生成、区域正摄影像匀光拼接等环节。 数据处理流程分为相机检校、批处理文件制作、自动影像匹配、定向点检查、空三解算、DEM生成、DOM生成几个步骤，如图 15所示。 影像数据机载GPS数据 批处理文件制作 自动影像匹配 定向点的分布检查 自由网空三解算 DEM生成 DOM生成 图 15 航拍数据处理流程 3.3.3 软件关健技术特征 Hoviewpro全自动快速图像拼接软件集全自动、快速、专业精度为一体，无需专业知识和人工干预，即可将数千张影像快速制作成专业的、精确的二维图像和三维模型。 软件关键技术特征如下: 28 海事无人机系统设计方案 , 全自动:无需专业操作员，无需人为干预即可获得专业的精度，拼接过程完全 自动化。 和地面控制点:无需IMU姿态信息和地面控制点GCP，只需要影, 无需IMU数据 像的GPS位置信息，即可全自动处理无人机数据和航空影像。 , 支持多种相机，自动获取相机参数:支持支持不同幅宽、多种类型的相机，自 动从影像EXIF中上读取相机的基本参数，例如:相机型号、焦距、像主点等。 智能识别自定义相机参数，节省时间。 , 支持不同架次、不同相机的数据同时处理:可以处理多个不同相机拍摄的测区， 例如同时搭载近红外传感器和普通相机，可将它们合并成一个工程进行处理。 如果所使用的无人机不能同时携带多个相机，只需分别带着不同的相机，飞行 多次，然后将其合并到一个工程中即可。 , 支持多种传感器:不仅支持普通光学相机，也支持近红外、热红外及任何多光 谱影像。对任意特征的影像都可以自动进行空三、区域网平差和相机检校。 , 大数据量处理:利用自己独特的模型，可以同时处理多达10000张影像。 支持多达10000张影像同时处理 , 全自动空三、区域网平差和相机检校:通过高级自动空三计算原始影像的真实 位置和参数。完全基于影像的内容，利用独特优化技术和区域网平差技术，自 动校准影像。标准格式的输出使得摄影测量工作完美地整合起来。 , 快速处理:数分钟内即可预览到正射镶嵌结果和DEM结果。对于应急项目或快 速检查测区是否完全覆盖等工作，堪称是完美工具。快速处理模式仅需要较低 的硬件配置，在大部分的笔记本电脑上即可运行。海情区域概貌影像现场快速 拼接不超过2小时、全区高清影像精细拼接24小时之内。 29 海事无人机系统设计方案 , 自动生成精度报告:自动生成一个6页的精度报告，可以快速和正确地评估结 果的质量。显示处理完成的百分比，以及正射镶嵌和DEM的预览结果，提供详 细的、定量化的自动空三、区域网平差和地面控制点的精度。 , 点云加密:高级算法计算了原始影像每个像元的高程值，生成三维点云，以提 高DEM和正射镶嵌结果的分辨率。 , 镶嵌编辑:镶嵌编辑工具用于生成更好的镶嵌结果。通过选择ortho或planar 影像来编辑人造地物的边缘以消除扭曲现象;通过编辑拼接线或者改变影像次 序以去除移动的物体;同时提供亮度和对比度调整功能。 选择ortho或planar影像，消除扭曲 , 量测工具:提供易用的量测界面，基于生成的DEM进行位置、面积的量测。 , 专业精度，支持添加控制点和丰富的坐标参考系统:处理过程中不需要任何 GCP， 因为它可以根据无人机自带的GPS估算地理位置。如果需要更高的绝对 定位精度，利用其直观便捷的界面即可快速添加控制点，参与空三计算，使结 果达到厘米级的精度。 , 生成正射校正及镶嵌结果:生成所有影像的正射校正结果，并自动镶嵌及匀色， 将测区内所有数据拼接为一个大的影像，纠正了所有视角的扭曲，结果看起来 像卫片一样。结果具有地理参考，可以用任何专业的GIS和RS软件进行显示。 全自动、一键操作，不需要人为交互。 30 海事无人机系统设计方案 , 自动生成Google瓦片:自动将DOM进行切片，生成PNG瓦片文件和KML文件， 直接使用Google Earth即可浏览成果。 , 自动生成带纹理的三维模型:自动生成带有纹理信息的三维模型，方便进行三 维景观制作。 , 完善的工作流:将原始影像变为任何专业的GIS和RS软件都可以读取的DOM 和DEM数据。 3.3.4 生成产品 Hoviewpro软件分为2D和3D模块，其对应的中间输出及生成产品见下表。 Hoviewpro 2D:生成DOM和Google Map瓦片。 Hoviewpro 3D:生成DOM、Google Map瓦片、DEM、点云、三维模型和空三参数。 本技术方案中仅装载Hoviewpro 2D软件模块，Hoviewpro 3D模块用户可按需选配。 Hoviewpro 2D Hoviewpro 3D 无人机优化的空三和区域网平差 ? ? 点云加密 ? ? 地面控制点编辑 ? ? 支持多波段(RGB、近红外、热红外) ? ? 自动生成精度报告 ? ? 快速处理模式 ? ? 镶嵌编辑工具 ? ? 测量工具 ? ? 正射镶嵌(GeoTIFF) ? ? Google Map 瓦片(PNG,KML) ? ? DEM(GeoTIFF，TXT) ? 点云(PLY，TXT) ? 三维模型(OBJ) ? 空三、区域网平差和相机参数 ? 31 海事无人机系统设计方案 (五) 车载集成运输与保障分系统方案 1 功能与组成 车载集成运输与保障分系统由运输装载车辆、备附件、工具和车载发电机等组成，能保证海事无人机实现快速反应要求以及公路和越野运输要求。车辆装载除保证运输的需要外，还保障车载工作的需要。 32