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基于无人机的海事监管系统建设与应用

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闫东周乃恩王诚

摘? 要：我国海事监管海域广阔，海上交通安全监管任务繁重，海事监管系统现有VTS、AIS等监管手段均为岸基，主要覆盖内河及近海水域，具备远洋执法能力的船只数量有限且受到航速限制，有人机受到天气以及飞行安全因素的制约，当前的海事监管手段无法对所辖海域实现全方位覆盖、全天候监控以及对突发事件快速响应。因此，目前急需大范围、长航时、快速的海上监管手段。无人机凭借其成本低、机动灵活、风险小、效能高等优点，在海事监管方面大有可为。基于无人机海事监管系统可以搭载高清光电、高清相机、SAR、高光谱相机、AIS等任务载荷以巡逻船3-10倍的巡逻速度开展大范围大视野巡航监管、在高海况条件下快速抵进事故现场以及全天时全天候不间断的海事监控。因此，基于无人机的海事监管系统将有助于进一步完善我国海上交通安全监管和服务体系。

关键词：中空长航时无人机;海事监管系统;巡航监管;应急响应;航务保障

中图分类号： V279? ? 文献标识码： B? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.014

【Abstract】： China's maritime area is vast and the surveillance task of maritime traffic is heavy， however the existing maritime surveillance means have many disadvantages. VTS and AIS are shore-based， which mainly cover inland rivers and coastal waters. Even the aircrafts can perform surveillance missions for long distance， but they will be highly influenced by weather and other safety factors. It is obvious that the existing maritime surveillance means can not achieve the purposes of omni-directional coverage， all-weather monitoring and rapid response to emergencies. Therefore， there is an urgent need for new maritime surveillance mean with large-scale， long voyage and high speed. UAV system has flexible maneuverability， high efficiency， low risk low cost and so on. The maritime surveillance system based on UAV carrying electron optical， CCD camera， SAR， hyperspectral camera and AIS can perform surveillance tasks at speed of 3-10 times of the patrol ship， quickly arrive at the accident site under high sea conditions and achieve all-day and all-weather maritime surveillance tasks. Thus， the maritime surveillance system based on UAV will lay a good foundation and reference for improving China's maritime traffic safety surveillance and service system.

【Key words】： Medium-altitude long-endurance UAV system; Maritime surveillance system; Cruise surveillance; Emergency response; Navigational inspection

0? 引言

黨的十八大以来，习近平总书记高度重视科技创新，站在全局的战略高度，对我国海洋事业作出重要论述，要求进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动海洋强国建设不断取得新成就。2013年9月，交通运输部正式印发《关于加强全国海事系统“革命化、正规化、现代化”建设的意见》，明确了海事系统“三化”建设的指导思想、基本原则、总体目标和主要任务。旨在以海事“三化”建设为纲领，不断取得新成就，打造海事中国梦[1-3]。

1? 海事监管系统现状

我国海事监管海域广阔，尤其是东海、南海两大边缘海。随着近年海洋经济的发展，海上交通安全监管任务越来越重;另外周边海区形势复杂，海区纠纷不断，我国岛礁被侵占、海域被分割、资源遭掠夺的情况严重，海上安全形势严峻。为保障我国海上交通安全，促进海洋经济发展，维护我国海洋权益，急需加强远海，尤其是纠纷海域的巡航力度，实现对所辖海域的全覆盖[4]。

海事监管系统现有VTS、AIS等监管手段均为岸基，主要覆盖内河及近海水域，具备远洋执法能力的船只数量有限且受到航速限制，有人机受到天气以及飞行安全因素的制约，故而当前的监管手段无法对所辖海域实现全方位覆盖、全天候监控以及对突发事件快速响应。因此，目前急需大范围、长航时、快速的海上监管手段[5-6]。

无人机凭借其成本低、机动灵活、风险小、效能高等优点，在海事监管方面大有可为[6]。首先，海难往往发生在高海况条件下，此时出动有人机会面临很大风险，使用无人机不仅可以降低风险，而且能够快速到达现场，通过任务载荷系统发现目标并及时通知指挥中心，便于决策指挥，大大提高救助成功率;其次，在海区船舶活动远离沿海岸线且相对分散，使用传统的船艇巡逻，航速低、视野小、巡视时间间隔长，无人机的飞行速度至少是巡逻船的3-10倍，借助空中俯视位置高、载荷监视视野范围广的优势，监管范围相对船艇呈指数扩大，监管能力大大提高;第三，使用无人机可以降低飞行使用成本、减少维护成本，并实现不间断的海事监控。因此，将基于中空长航时无人机的海事监管系统将有助于进一步完善我国海上交通安全监管和服务体系[7-10]。

2? 无人机海事监管系统建设

构建无人机海事监管系统，需要充分考虑无人机飞行速度、高度、海上气象、成像质量、数据传输能力、载荷能力等多方面内容，因此本文提出如下系统建设方案。

2.1? 系统组成

海事应用无人机系统由无人机飞行平台分系统、测控与通信分系统、任务载荷分系统、数据处理分系统及综合保障分系统五部分组成，各个分系统相互配合，共同完成巡航监管、应急响应和航海保障等海事监管业务。根据不同的任务需求，可以采用不同的平台配置，如图1所示的是以东海海域江浙附近为例所构建的“3机2常用起降站1备用起降站1指挥中心”的海事监管系统，具体如下。

无人机飞行平台系统根据用户业务级需求，提供满足飞行高度、飞行速度、任务载荷重量功耗、飞行操控方式、飞行作业区环境的无人机平台。飞行平台系统是任务执行方式的必要载体，与测控与通信系统和任务系统有直接的交联关系。

测控与通信系统为无人机起降及任务飞行过程中提供微波视距测控和超视距卫星通信的业务功能，在起降时，使用微波视距链路进行对无人机平台的操作控制，而在超出视距范围后，微波视距链路将操控权交由卫星通信链路进行执行，需多点落地的用户业务级数据均全程使用卫星通信链路进行传输。

任务载荷系统是整个无人机海事监管应用系统的关键。光学设备（高清光电、高清相机、高光谱相机等）、微波设备（SAR、搜索雷达、对海雷达等）、激光设备（激光雷达等）、通信设备（AIS船舶识别设备、语音电台等）、均可作为任务载荷分系统的一部分。通过一体化设计和管理，各个任务载荷之间能够实现功能互联和数据分享。

数据处理分系统旨在将光学设备、微波设备、激光设备和通信设备等载荷数据及控制合理的集成在一起，形成显控与数据处理于一体的分系统，既可以减少操作人员的操作难度，又可以实现各种载荷数据的关联与融合，为海事监管的情报获取、事件决策及指挥调度奠定更加坚实的基础。

综合保障分系统是无人机海事监管系统得以正常使用的基础保障，包括在无人机分系统、测控与通信分系统、任务载荷分系统等再应用过程中的各类保障条件。

2.2? 无人机平台分系统

据无人机在海事应用的业务需求，結合常规海事应用的特点，可以确定海事应用系统中无人机平台主要能力，具体如下。

2.3? 任务载荷分系统

结合海事监管任务需求，任务载荷分系统建议主要分为三部分：一是保障无人机飞行安全及通信互联的应答机、语音电台以及AIS船舶系统;其中语音电台用于话音指控，AIS船舶系统用于船舶定位，非法船舶识别等;二是用于海事执法、调查取证、实时监测的高清光电、高清相机、搜索雷达等设备，其中高清光电可对管控范围内海域进行日常巡查及监视监测，高清相机可用于违法行为、助航标志等拍照取证，搜索雷达可与AIS船舶系统进行数据联动提高对非法船舶的识别判断;三是用于溢油监测、应急响应的高光谱相机、SAR、救援包等设备，其中高光谱相机和SAR主要用于溢油监测、油污面积估算，救援包主要用于辅助应急救援。三部分任务载荷设备相辅相成，共同满足海事监管的各类需求[11-13]。

2.4? 测控与通信分系统

根据海事监管应用业务需求，数据链路分为视距数据链及卫星数据链两部分。视距数据链主要完成无人机起降测控及视距内的控制及任务数据传输;卫星数据链主要完成无人机超视距飞行的控制及任务数据传输，同时实现多节点数据落地传输能力。测控与通信分系统可实现。

（1）遥控、遥测数据、图像传输;

（2）对无人机跟踪定位;

（3）飞行数据处理、显示和存储;

（4）图像数据的处理、显示和存储。

2.5? 数据处理分系统

飞行过程中所产生的数据包括高清光电中的可见光、红外实时影像、高清相机的RAW格式图像数据、高光谱相机的.png格式原始灰度图像数据、雷达数据以及飞控、航姿、GPS等机载设备遥测数据。数据处理系统分为三部分：

（1）数据管理：需通过数据链下传至地面端的包括高清光电的可见光、红外实时影像、飞行数据以及高清相机的快视图，其余为需在机载端实时存储后进行降落后处理的数据。

（2）数据标准化处理：原始数据必须通过数据处理、数据可视化、数据分析、影像解译等过程才能够在海事监管体系中应用。针对不同载荷数据，其标准化可采用如下处理模块。

（3）数据后端处理：标准化处理后的数据交由用户进行业务数据的二次处理，高清视频实时数据直接传输给用户单位，非实时数据由用户相关单位进行分发。

2.6? 综合保障分系统

综合保障分系统是无人机海事监管系统得以正常使用的基础保障，主要由维修保障、地勤保障、航务保障三部分组成。

（1）维修保障：保障飞机正常出勤和定期检查，完成飞机日常保养、起落架和发动机维护，完成相关设备拆装、校准、更换。

（2）地勤保障：主要包括油料、电气、机务、运输、后勤及通航保险等。

（3）航务保障：主要包括气象保障、应急作业及日常巡航作业空域保障、机场机库保障等。

3? 无人机海事监管系统应用

3.1? 应用配置

为满足最低频次的海事监管业务，构建如下表所示的应用配置。

3.2? 应用模式

无人机起飞后按照预定区域的航线进行例行巡查或应急响应，海事执勤人员在机场或海事大厅通过卫星链路控制高清光电进行观察，根据不同任务需求（巡航监管/应急响应/航务保障）选取不同任务载荷（SAR/高光谱相机/AIS船舶系统/语音电台）进行条带搜索、数据成像、AIS定位、话音指控等，海事执勤人员可根据空域情况及任务情况在线调整航迹进行盘旋，并通过高清光电持续观察以确认具体情况，再通过卫通链路将视频及图像实时返回指挥大厅，专业人士判断是否需要调动海监船前往，同时可启动可见光相机/高光谱相机对目标区域进行取证采样，通过高清光电锁定目前区域地理位置，使用AIS船舶系统获取船只信息，必要时使用语音电台由对违法船只/事故船只进行喊话，直至结束任务返航。

无人机系统需要完成的主要工作包括：1、发现异常;2、地理位置确定;3、定位并奔赴事故地点;4、盘旋观察并指挥;5、投放物资;6、取证留存;7、及时反馈引导海上行动。

4? 总结与展望

基于无人机的海事监管系统能够有效丰富海事监管手段、降低海事监管风险、压缩海事监管成本，有助于进一步完善我国海上交通安全监管和服务体系。此外，为了使监管效果更优、监管效率更高，后续还应重点研究无人机海事监管的数据处理与数据融合，充分利用海洋大数据，构建方位、全方面、多手段的海事监管系统。

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