文 | 步曉婷 沈榮成 楊煙臺

天津（濱海）人工智能創(chuàng)新中心

一、引言

隨著海上貿易和航運業(yè)務的增長，對海上目標的監(jiān)控需求越來越迫切。目前我國的海上目標監(jiān)控手段以岸基系統(tǒng)為主，如VTS 系統(tǒng)和AIS 系統(tǒng)，主要覆蓋內河和近海區(qū)域。遠海執(zhí)法執(zhí)勤能力較弱，配備遠洋作業(yè)能力的船只數量有限，存在巡視間隔長、應急反應不夠敏捷的問題[1]。有人機器如飛機和直升機因受機動性及天氣影響，也無法實現(xiàn)對廣袤海域的全天候監(jiān)控[2]。因此，當前監(jiān)控手段很難實現(xiàn)對遼闊海域尤其是遠海區(qū)域的全方位監(jiān)測。為全面提升我國的海上目標監(jiān)控能力，急需研發(fā)應用大范圍、長航時、高機動性、便捷的新型海上目標監(jiān)控手段。

目前國外近期研制的中遠程無人機系統(tǒng)，普遍采用地球靜止軌道通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺，構成衛(wèi)星中繼數據鏈，轉發(fā)無人機的遙控指令和圖像／遙測信息，充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，實現(xiàn)無人機的超視距測控和信息傳輸[3]。同時，無人機可根據監(jiān)控需要設計駕駛艙和掛載相應功能系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標海域的自動全天候監(jiān)測巡航。相比有人設備，其作業(yè)成本低廉，執(zhí)行任務不受人的體力限制；與固定監(jiān)控不同，可實現(xiàn)海域的立體化監(jiān)測；與船舶相比，無人機作業(yè)范圍廣，響應時間快[4]。無人機可搭載各類高端傳感設備，獲取海域圖像、視頻等數據，傳輸到指揮中心進行分析，對異常情況做出快速響應[5]。因此，基于衛(wèi)星通信的無人機作為新型海上目標監(jiān)控手段，是實現(xiàn)海上目標廣域覆蓋和長距離通信的重要選擇[6-7]。

二、基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)建設

基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)包括三個關鍵組成部分：無人機主體系統(tǒng)、任務載荷以及海上目標監(jiān)控系統(tǒng)。其中，無人機主體系統(tǒng)可進一步分為三個要素：無人機飛行平臺分系統(tǒng)、衛(wèi)星通信傳輸分系統(tǒng)、綜合保障分系統(tǒng)。任務載荷包括光電偵查、衛(wèi)星通信中繼、定向擴音、應急拋投等設備。具體如圖1 所示。

圖1 基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

為了全面、高效地執(zhí)行海上目標監(jiān)控任務，需要制定系統(tǒng)配置和布局方案，以在確保系統(tǒng)的安全和可靠性的前提下，最大程度地發(fā)揮無人機作用。以下是系統(tǒng)配置方案：

1.無人機主體系統(tǒng)

（1）無人機飛行平臺分系統(tǒng)

配置兩架無人直升機飛行平臺，這兩架飛行平臺可作為備機，以備其中一架因故無法工作，另一架可以迅速更換適當的任務載荷，繼續(xù)執(zhí)行相關的海上目標監(jiān)控任務。

（2）衛(wèi)星通信傳輸分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)主要由無人機機載終端設備和衛(wèi)星地面站組成。

無人機機載衛(wèi)星終端設備采用基于海事衛(wèi)星網絡的無人機機載衛(wèi)星終端AVIATOR UAV 200，重量僅1.45kg，使用海事衛(wèi)星四代星網絡服務，網絡傳輸帶寬高達200kbit/s，可實時與無人機系統(tǒng)進行通信與控制，適合無人機實時視頻監(jiān)控等應用。該設備具有全球覆蓋保障超視距通信、可靠的通信連接降低航行風險、實現(xiàn)飛行器實時診斷、監(jiān)控和指揮控制、飛行器位置跟蹤、提供傳感器數據傳輸信道、實時視頻/ 圖片數據回傳、通過加密實現(xiàn)安全指令和控制通信、通信設備重量減小可增加有效載荷等優(yōu)勢。該設備具體外形如圖2 所示。

圖2 無人機機載衛(wèi)星終端AVIATOR UAV 200

衛(wèi)星地面站使用國際海事衛(wèi)星在中國合法運營商擁有的地面站，可直接利用現(xiàn)有網絡，購買終端便可使用，并且可隨時組網使用。

（3）綜合保障分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)包括一套綜合保障設備，用于支持平臺系統(tǒng)和任務系統(tǒng)的裝載、測試、轉場等保障工作。這一系統(tǒng)配置方案將確保系統(tǒng)能夠全面、高效地執(zhí)行海上目標監(jiān)控任務，同時提高了系統(tǒng)的可靠性和作業(yè)效率。

2.任務載荷

任務載荷分系統(tǒng)涵蓋了多項關鍵設備，包括衛(wèi)星通信中繼設備、光電吊艙、定向擴音設備以及應急拋投設備等。

（1）衛(wèi)星通信中繼設備

衛(wèi)星通信中繼設備用于地面和無人機間透明雙向業(yè)務信息傳輸，在一定的頻率點、帶寬范圍、收發(fā)功率電平、抗干擾能力和處理能力的情況下，只要衛(wèi)星保障通信帶寬，就可以實現(xiàn)地面控制站與無人機之間的點到點通信方式。

（2）光電取證設備

光電取證設備是作為任務載荷的基本配置之一，其主要應用領域包括重要通航水域的日常海事巡航、水上目標的搜索、跟蹤、觀測和記錄，以及監(jiān)控活動現(xiàn)場情況，用于水上溢油的監(jiān)視和監(jiān)測，以及支持對違法排污的取證調查。

（3）定向擴音設備

定向擴音設備主要用于重大活動現(xiàn)場或在巡航任務中，針對違法和違規(guī)行為的船舶進行現(xiàn)場廣播、喊話溝通，以及提供警示作用。

（4）應急拋投設備

應急拋投設備用于快速輕便地投放救生應急物資，以滿足應急情況下的救援需求。

這些任務載荷設備共同構成了一個多功能的系統(tǒng)，用于支持無人機海上目標監(jiān)控任務的各種需求，包括監(jiān)測、通信、搜索、救援和應急響應等。

3.無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)

岸基無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)，用于海上目標監(jiān)控信息的處理、傳輸和顯示。

三、關鍵技術

本文使用的關鍵技術包括異構網絡通信及信源加密，可以有效地降低傳輸時延，保護飛行數據的安全性。

1.異構網絡通信

為了降低傳輸時延，系統(tǒng)采用了將衛(wèi)星鏈路與區(qū)域組網融合為異構網絡的通信模式，通過網關路由配置，實現(xiàn)協(xié)議棧網絡層數據包的快速傳遞[8]。下面以返向遙測的通信流程為例，相應的流程如圖3 所示。

圖3 返向遙測的通信流程圖

從節(jié)點發(fā)起返向通信：返向遙測的通信流程始于從節(jié)點發(fā)起返向通信請求。

主節(jié)點配置默認網關：主節(jié)點接收到從節(jié)點的請求后，配置默認網關，建立主從通道。

主節(jié)點請求衛(wèi)星通信網關：主節(jié)點向衛(wèi)星通信網關發(fā)送請求，獲取衛(wèi)星通信路由信息和地址轉換服務。

建立機-地內部網絡通道：主節(jié)點通過衛(wèi)星通信網關建立機-地內部網絡通道，確保數據傳輸的可靠性和穩(wěn)定性。

返向遙測數據處理：在主從節(jié)點之間，返向遙測數據經過編碼調制與解調譯碼過程，以保證數據的完整性和準確性。

數據推送至衛(wèi)星編碼調制單元：處理后的返向遙測數據被推送至衛(wèi)星編碼調制單元，進行濾波、上變頻、功率放大等信號處理過程。

信號發(fā)送上星：經過信號處理后，數據由動中通天線發(fā)送上行，經過衛(wèi)星的變頻轉發(fā)。

衛(wèi)星信號處理：衛(wèi)星接收到上行信號后，在信關站進行接收、解調、譯碼的基帶數據還原。

數據傳輸與轉發(fā)：根據數據中心的路由配置信息，基帶數據可以進行公網業(yè)務傳輸或者二次上行轉發(fā)。

地面指控中心數據接收與解析：最終，地面指控中心獲取協(xié)議棧IP 包并解析網絡數據，從中提取出從節(jié)點的遙測數據。

通過異構網絡通信流程，可以實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中返向遙測數據的快速傳輸和處理。這種通信模式將衛(wèi)星鏈路與區(qū)域組網相融合，通過網關路由配置，實現(xiàn)了協(xié)議棧網絡層數據包的高效傳遞，能夠有效降低傳輸時延，為無人機海上目標實時監(jiān)控和數據收集提供了可靠的解決方案。

2.信源加密

在衛(wèi)星通信領域，為了應對無線信號被捕獲和破譯的風險，特別是在衛(wèi)星通信與公網傳輸中，飛行數據容易面臨外泄的風險，系統(tǒng)采用了在信號編碼調制之前增加信源加密的措施[8]。系統(tǒng)方案采用了高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法作為信源加密方式，基于復雜密碼反饋（Cipher FeedBack，CFB）或輸出反饋（Output FeedBack，OFB）流處理工作模式，初始向量為128bit，密鑰為256bit，秒位因需調整。在單幀數據加密過程中，使用本地真隨機數據與密鑰庫地址進行配對。同時，更新協(xié)議幀密鑰區(qū)的地址信息，以確保解密端能夠正確匹配密鑰并保障信息安全。

通過以上流程，可以在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中實現(xiàn)信源加密，保護飛行數據的安全性。采用高級加密標準算法以及復雜密碼反饋或輸出反饋流處理工作模式，結合真隨機數據和密鑰庫地址的配對，確保協(xié)議幀數據的加密和解密過程安全可靠。該系統(tǒng)方案能夠有效應對無線信號被捕獲和破譯的風險，保護衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的敏感數據不被外泄。

四、基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控的具體應用

基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控具體應用，以無人機的操作流程為例，并設計了海上目標監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)無人機位置、海上目標位置等關鍵信息在電子地圖上的圖形化顯示，以便用戶直觀監(jiān)控。

1.無人機操作步驟

以海上目標監(jiān)控的具體操作流程為例，詳細步驟如下：

1）接到任務后，無人機系統(tǒng)在基地展開，掛載衛(wèi)星通信中繼設備、光電吊艙、應急投放、機載AIS 設備以及機載VHF 設備，加注燃油，以滿足4h 以上航時要求；

2）利用基地的固定通信與指揮基站，控制無人機垂直起飛；

3）轉入斜爬升飛行狀態(tài)，巡航高度為2000m；

4）進入巡航高度后，以120km/h 的巡航速度按預定航線進入最遠至150km 處的任務海域；

5）無人機以72km/h 的速度對航道、水道、港地、錨地等監(jiān)控水域開展觀測、識別記錄；

6）基地通過公網將信息發(fā)送至指揮中心；

7）指揮中心可通過基地授權，接管衛(wèi)星通信中繼、光電吊艙、VHF 等設備，進行現(xiàn)場監(jiān)控；

8）完成海上目標監(jiān)控任務后，無人機返航。

基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控流程圖見圖4。

圖4 基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控流程圖

2.無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

（1）軟件系統(tǒng)架構設計

本文設計的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)由系統(tǒng)后臺和用戶前端兩部分組成。系統(tǒng)后臺主要完成圖像視頻采集、傳輸和處理等功能。具體來說，系統(tǒng)利用安裝在無人機上的機載攝像機及云臺系統(tǒng)獲取現(xiàn)場海上目標圖像視頻，然后通過圖像傳輸模塊將圖像視頻回傳到岸基站，經過視頻處理卡的數據壓縮和格式轉換后送入系統(tǒng)后臺。同時，通過數據傳輸模塊，后臺能夠實時獲取無人機的姿態(tài)、鏡頭俯仰角和定位信息等數據。用戶前端通過解碼無人機位置信息，結合機載云臺姿態(tài)和鏡頭俯仰角參數，借助海上目標識別算法，實現(xiàn)無人機位置、海上目標位置等關鍵信息在電子地圖上的圖形化顯示，以便用戶直觀監(jiān)控。

（2）無人機海上目標監(jiān)控

針對已分類標注的圖像，本系統(tǒng)采用人工特征提取的方式建立目標特征庫。主要提取以下關鍵目標特征：

1）船舶顏色：提取圖像中船舶主要涂裝顏色，包括黑色、白色、藍色、紅色、綠色等顯著顏色作為特征。

2）船舶尺寸：提取圖像中船舶目標的大小信息，寬高大于100 像素×50 像素的船舶目標較易提取和識別。

3）人形特征：提取圖像中人形輪廓特征，高度大于45 像素、寬度大于80 像素的人形特征較為明顯，有利于識別。

4）航標特征：提取圖像中航標的視覺特征，高度和寬度大于45 像素×80 像素的航標圖像效果較好。

通過在渤海和黃海海域的示范應用可以看出（圖5），該無人機系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)對海域遇險人員的快速定位和識別，有助于減少生命損失。

圖5 無人機海上目標判別

五、總結與展望

基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對海域環(huán)境、交通流、異常情況的全方位動態(tài)監(jiān)控，具有監(jiān)控范圍廣、反應迅速、運作成本低、通信時延低、數據傳輸速率快、信源加密高等優(yōu)勢，將大幅提高海上目標監(jiān)控的效率和準確性，為海上安全和航運業(yè)務提供更好的支持和保障。基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控應用將成為未來海洋監(jiān)測和海上安全領域的重要發(fā)展方向。

然而，要發(fā)揮基于衛(wèi)星通信的無人機海上目標監(jiān)控系統(tǒng)的最大效用，仍需持續(xù)優(yōu)化完善。一方面，應向著增大通信衛(wèi)星天線增益、減小用戶航天器鏈路負擔等方向發(fā)展，滿足信息傳輸速率和傳輸帶寬需求。另一方面，應加強對海量異構監(jiān)控數據的融合處理，構建統(tǒng)一的分析決策平臺，實現(xiàn)多源數據的關聯(lián)分析。只有系統(tǒng)化地提升數據處理和應用能力，才能釋放基于衛(wèi)星通信的無人機監(jiān)控系統(tǒng)的最大潛力，最終實現(xiàn)立體、動態(tài)、智能化的海上目標監(jiān)控。