一種基于系留無人機的圖像遙測系統設計

汪 洋 沈 力 周述勇

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧125001；2.航天工程大學，北京101416；3.北京無線電計量測試研究所，北京100039)

1 引言

圖像遙測系統的主要功能是完成視頻信號的遠距離傳輸任務，可廣泛用于指定區域的遠程監控。該系統通過圖像采集裝置完成信號的采集，隨后進入遙測裝置中完成信號的編碼、調制、功放和發射，再通過地面遙測站對信號進行接收、解調、解碼后獲得圖像數據，從而完成對指定區域遠程實時監控和長時間大容量存儲的任務。隨著攝錄設備的小型化、輕量化，將高性能的攝像機安裝于無人機可變為現實[1]。本文介紹一種基于系留無人機的圖像遙測系統設計，該系統的特點是將圖像采集裝置和遙測裝置安裝于水面船舶的系留無人機上，可完成對船舶甲板全區域的監控覆蓋，有著廣泛的應用前景。

2 系統組成

為全方位對船舶甲板情況進行監控，可在船頭或船尾通過系留方式安裝無人機，無人機的有效載荷為圖像采集裝置和遙測裝置，為保證圖像穩定可增加云臺，無人機飛行高度應結合視場要求和攝像頭焦距等指標進行設計，系統組成如圖1所示。

圖1 圖像遙測系統組成框圖Fig.1 Composition of image telemetry system

2.1 硬件組成

無人機圖像遙測系統由無人機平臺、圖像采集裝置(IP攝像頭、云臺)、遙測裝置(遙測編碼器、發射機、天線)、電源轉換裝置(油機、系留電纜、電池、脫落插頭及轉換裝置)、遙測接收機(接收天線、接收通道、解調與數據處理)等組成。無人機為圖像遙測系統提供搭載平臺，并與地面進行控制通信，無人機及其載荷通過系留電纜供電，無人機下安裝圖像采集裝置和遙測裝置，該兩種設備為無人機有效載荷，為便于攜帶掛機，應對兩種設備進行一體化設計安裝。位于無人機下的IP攝像頭因獲得了較大的視場，所以只需一路即可，該路攝像頭采集的圖像經壓縮后直接通過網線接入遙測編碼器，遙測編碼器形成PCM碼流，最終的PCM碼流送至發射機和天線進行PCM-FM調制、放大和發射。岸邊的地面遙測站接收信號，信號解調后分選圖像數據，并進行解壓縮處理，獲取該路攝像頭的圖像信息，可進行實時播放并存儲，系統硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成框圖Fig.2 Hardware composition

2.2 軟件組成

系統軟件分為IP攝像頭軟件、遙測裝置軟件、遙測接收機軟件、播放軟件等四部分，攝像頭的圖像壓縮協議采用MPEG-4協議，壓縮倍數根據圖像質量的不同，壓縮倍數不同，一般情況下約為60～90倍，該協議通常集成于網絡IP攝像頭內。

攝像頭網絡數據傳輸協議按照ONVIF協議標準進行編寫，遙測裝置根據協議的要求獲取攝像頭數據，通過遙測信道編碼傳輸后解調數據，再根據ONVIF協議還原出數據進行播放，軟件組成如圖3所示。

3 關鍵設備設計

圖像遙測系統的關鍵設備包括IP攝像頭、無人機平臺、遙測裝置及電源轉換裝置等，下面將對關鍵設備設計進行介紹。

圖3 軟件組成框圖Fig.3 Software composition

3.1 IP攝像頭參數設計

IP攝像頭采用CMOS成像傳感器，與CCD相比，CMOS器件具有功耗低、集成度高等優點[2]。CMOS攝像頭采用可變焦設計，以備在突發狀況時可對特定區域進行更為清晰的成像，從而為遠程人員提供應急處置的判斷依據。假設甲板長度為180m，寬度20m，無人機懸停高度為100m。為完整覆蓋監測區域，感光芯片對角線尺寸選定為16mm，焦距范圍為(8～128)mm，此時攝像頭監測區域為(12.5～200)m，即可覆蓋200m甲板的長度，又可對最小12.5m范圍進行詳細監測，幾何示意圖如圖4所示。

圖4 攝像頭焦距分析Fig.4 Camera focal length analysis

對于無人機載的遙測系統，由于視場很寬，要達到一定的分辨率，必須采用高清攝像頭，可采用1280×960 的分辨率，幀頻 60Hz[3]，對 180m 的視場，分辨率能達到60mm，采用TPC編碼后，此時遙測裝置數據率約為9.5Mbps。圖像傳輸的網絡接口為RJ45、支持10M/100M網絡數據，防護等級IP66，產品重量小于1.5kg。若遙測頻段內有2個頻點可以應用，則可采用2個低碼率的通道進行傳輸，從而增大作用距離，以無人機載設備為例，可采用2個5Mbps的通道進行傳輸。

3.2 無人機平臺功能設計

無人機主要負責空中搭載任務，因此其載重量和穩定性至關重要，并且在滿足使用需求的前提下，應盡量避免功耗的浪費。無人機的載荷包括圖像采集裝置、遙測裝置、電池、系留電纜等，其中，圖像采集裝置、遙測裝置、電池的總重量為13kg，而系留電纜是船舶為無人機進行供電的設備，電纜的重量與無人機旋翼拉力的功耗成正比，即當供電電壓一定時，功耗越大、電流越大、電纜直徑越大、電纜越重。另外，為應對海上復雜氣候，應選用抗風能力較強的八旋翼無人機，該類型無人機采用直流電動機，拖動系統易于穩定運行，通過遙控器的控制可將無人機可懸停在100m高度。

系留電纜的額定電流及自重見表1，使用10AWG輸電線較為合適，該線纜由正負兩根線組成回路，在100m高度時，輸電線的重量為66×2×100=13200g=13.2kg，因此載荷總重量是13+13.2=26.2kg，無人機額定40kg的載重量可以滿足26.2kg的需求，此時經過輸電線的電流約為75A，也滿足系留電纜的額定要求。

表1 系留電纜的額定電流及自重Tab.1 Rated current and deadweight of the tethered cable

無人機的基本參數分為機架參數和飛行參數，機架參數包括對稱電機軸距1800mm、單臂長度650mm。飛行參數包括直流供電電壓50V、機身自重12kg、最大載重重量40kg、最大功耗5kW、最大垂直上升速度6m/s、自動巡航速度(6～10)m/s、最大平飛速度15 m/s、抗風能力最大5級(8.0～10.7)m/s、工作極限溫度 -20℃ ～+55℃、存儲環境穩定 -20℃ ～+65℃。無人機有效載荷重量估計表見表2。

因電纜使用環境為海上，因此應注意海風和潮濕對電纜的腐蝕，在選用時電纜質量等級至少為適應海上作業環境的工業級產品，并且能承受一定的拉力，在電纜兩端連接處注意防護，增加轉彎半徑并留有一定余量，確保在晃動時能避免額外受力、磨損或脫落。

表2 無人機有效載荷重量估計表Tab.2 Payload weight assessment of the drone

3.3 無人機平臺安全性設計

由于無人機飛行高度高自重大，為保證甲板人員和設備的安全，需要對平臺的安全性進行充分設計，采用不斷優化的智能算法。同時，無人機控制信號、導航信號、遙測信號容易被干擾和截獲，因此還應加強物理層和MAC層的協議和策略[4]。

無人機飛行到指定高度和區域后會進行懸停操作，此時無人機會根據風速和氣流變化適當調整位置和姿態，同時無人機接收的衛星導航信號也輔助控制系統進行判斷。無人機可能會受到壓制式干擾和欺騙式干擾[5]，為避免無人機的控制信號受到欺騙式干擾，控制信號應采用擴頻通信方式，即使用擴頻序列、頻率跳變、時間跳變等方式來提升信號抗干擾能力，擴展信號頻譜使有用信號淹沒在噪聲之下不易被偵測到[6]。當無人機的控制信號受到壓制式干擾，飛行控制軟件應以衛星導航信號和慣性導航信號作為信息主要來源，并按照預定程序正常執行，在任務完成后自動降落至甲板。當衛星導航信號受到壓制式或欺騙式干擾時，飛行控制軟件應以人工控制和慣性導航信號作為信息主要來源[7]，軟件中可采用卡爾曼濾波法對飛行器的位置和姿態進行預測，根據各類干擾環境，逐步對算法進行優化[8]。同時，無人機的控制信號和遙測裝置的信號應在收發端使用加密芯片來進行保密。

3.4 遙測裝置設計

3.4.1 遙測體制選擇

目前國內較為常用的遙測體制包括PCM-FM，PCM-QPSK，PCM-BPSK等，下面結合具體使用環境和參數選擇進行比較。

從抗多徑衰落的能力進行分析。多徑衰落問題在通信系統中非常普遍，尤其是海面環境比陸地環境還要嚴重數倍，將對接收系統產生不良影響。多徑衰落產生原因是發射信號經過不同路徑到達接收機，變化的相位產生了疊加，導致最終的接收信號出現幅度衰落[9]。PSK通過鑒相獲得信息，因此受多徑影響較大，而FM通過前后相位的相對關系獲得信息，因此受多徑影響較小。因此，PCM-FM體制在抗多徑衰落方面具有優勢，更適用于海面環境的遙測任務。

從信號傳輸帶寬能力進行分析，PSK比FM更易傳輸較大帶寬的信號，目前的移動通信中一般采用8PSK、QPSK的調相的方式進行傳輸，可支持數百兆的信號帶寬，但常規遙測系統一般只需10MHz以下碼速率，PSK的優勢并不能體現出來，FM足以滿足使用要求。另外，從信號自身占用帶寬進行分析，在相同碼速率情況下，以占有99%以上信號能量帶寬為考量，FM約為1.16倍碼速率帶寬，而PSK約為1.5倍碼速率帶寬，由此可見FM頻譜更加集中，因此接收機在進行接收時，中頻濾波帶寬可以更窄，從而使得FM的接收靈敏度更高一些(現有接收機FM靈敏度較PSK高1dB)，尤其當多通道遙測的使用環境下，FM抗通道間干擾的能力更強。

綜上所述，PCM-FM體系具有較強的抗多徑衰落能力、較高的接收靈敏度、較好的多通道適應性、較簡單的實現方式且滿足遙測信息傳輸速率，因此適合應用于本系統。

3.4.2 編碼器與發射機設計

遙測裝置編碼器采用數字調制方式，內部使用Z7系列的FPGA作為控制器，內部集成2顆ARM9內核，具備硬件的網口，可實現對攝像頭的數據讀取。同時，使用AD9957作為數字信號合成器，可實現對調制模式的軟件控制，對發射頻點在(2 200～2 300)MHz之間的自由設置。其主要功能包括：接收網口數字量信息、按照幀格式插入到PCM碼流中、數字可編成的TPC信道編碼。遙測發射機采用數字合成進行調制信號，將調制后的射頻信號上變頻至S頻段，并進行雙路5W功率放大[10]。遙測裝置還應將接收到的遙測電源28V進行二次電源變換，提供遙測裝置內部使用的±12V，±5V等電源的功能。其重量約為0.8kg，功能框圖如圖5所示。

3.4.3 遙測天線設計

圖5 遙測編碼器和發射機功能框圖Fig.5 Telemetry encoder and transmitter composition

天線設計需考慮使用環境、覆蓋區域、頻率范圍、增益大小等。海面環境下多徑衰落對于水平極化方向影響較大，但對垂直極化信號影響較小，因此天線采用垂直線極化方式。為實現方位360°、俯仰-20°～60°的區域覆蓋，可采用兩個180°全向微帶天線組合而成，天線形式為振子，帶寬100MHz，增益在(-3～+5)dB之間，重量小于0.2kg。

3.5 電源轉換器設計

電源轉換器實現從柴油發電機輸出電壓到無人機動力電壓以及機載設備電壓的轉換，為減小傳輸電纜的重量，無人機和機載設備采用同樣的電壓，因此要求機載設備使用能夠兼容(20～50)V供電電壓的寬電壓DC/DC模塊。無人機電機耗電量較大，此時系統輸出功率約為5000W，電源轉換器體積約為300mm×150mm×50mm。同時，還需增加50V的10000mAh的鋰電池，保證無人機載系統在供電電纜切斷后或意外中斷后能有6min時間正常起降。無人機有效載荷經DC/DC轉化后采用+24V電池供電，在裝置內部實現電壓的二次變換，其中遙測編碼器采用+5V供電，遙測發射機采用+10V供電，攝像頭采用+12V供電，表3是各部分的功率需求。若考慮二次電源的轉換效率為75%，則功率需求約為44.1/0.75=58.8W，若采用24V電源供電，則電流需求為58.8/24=2.45A，無人機有效載荷功耗見表3。除此之外，還需要增加系留電纜供電與電池供電轉換裝置，該裝置用于地面供電與機載電源供電的轉換，采用8個繼電器分別對8個電機供電進行控制。繼電器由地面電源控制，而繼電器開關連接在電池供電回路中，如圖6所示。無人機開始工作時由地面線纜通過脫落插頭給電機供電，同時也驅動繼電器線圈使得繼電器斷開(繼電器采用常閉觸點)，當工作完成轉入電池供電時，采用控制電磁解鎖或機械力解鎖的方式進行解鎖，將線纜與無人機脫落插頭脫開，地面供電中斷，繼電器恢復常閉狀態，此時由機載電池接通供電，在6min時間內完成無人機降落。

表3 無人機有效載荷功耗估計表Tab.3 Drone payload power consumption

圖6 系列供電與電池供電轉換裝置Fig.6 Power conversion device

4 系統綜合性能分析

4.1 遙測距離分析

4.1.1 不考慮地球曲率的遙測距離分析

由信號傳輸公式可得，接收機靈敏度為

式中：Smin——接收機靈敏度；Pt——發射功率；Gt——發射天線增益；λ——信號波長；Gr——接收天線增益；R——傳輸距離；L——多徑、遮擋等帶來的信號損耗。

假設傳輸碼速率約為10MHz，根據實際選用的產品指標可知：Smin=-122dBW，Pt=5W，Gt=4dB，λ =1/2250=0.1334m，Gr=26.4dB，L=9dB(海面情況典型值)，則10logR=59.95dB，R≈100km。

若采用2個遙測頻點進行傳輸，傳輸碼速率約為5MHz，根據實際選用的產品指標可知：Smin=-125dBW，Pt=5W，Gt=4dB，λ =1/2250=0.1334m，Gr=26.4dB，L=9dB(海面情況典型值)，則10logR=61.45dB，R≈140km。

若采用MSD+TPC編碼的方式，以上兩種情況的R可進一步增大，作用距離見表4。

表4 作用距離情況表Tab.4 Working distance

4.1.2 考慮地球曲率的遙測距離分析

遙測裝置采用無人機載方式，發射天線高度為100m，考慮地球曲率的影響，作用距離約為96km。由表4的分析可以看出，4種碼速率方式都可以達到最遠使用距離。若要進行更遠距離的圖像遙測，可增加無人機中繼，若無人機高度為100m，則每增加一個中繼點，距離可增加約70km。

在96km作用不變情況下，由于接收機靈敏度的變化，使得4種方式獲得信息的誤碼率見表5。

表5 接收誤碼率統計表Tab.5 Receive error rate statistics

4.2 圖像數據延遲分析

圖像延遲的總時間是各分系統延遲的總和，在網絡傳輸時，誤碼率過大等易造成數據的重法，數據延遲時間約為幾十個時鐘周期，采用100M網時，延遲時間不超過1ms。在進行圖像壓縮時，要進行幀間預測，同時隨著圖像質量的不同，壓縮后數據的數據量變化，而100M網的傳輸速率為數據量的10倍，緩存可以較小，目前設置為10幀，以60Hz的幀頻計算，延遲約為16ms。遙測組幀延遲不超過一個幀周期，約為5ms。其它延遲包括芯片信號處理延遲和線纜延遲等，因此系統整體延遲合計小于25ms。

5 結束語

本文介紹的基于系留無人機的圖像遙測系統設計方案，為甲板圖像監控提供了一種通用的方法，該方法已經過實際驗證，可行有效，回傳的圖像清晰的顯示了甲板上作業情況。根據自身測量需求，可調整攝像頭的分辨率、焦距，無人機的載重量，遙測裝置的功率、通道數量、信號編碼方式、信號調制方式等，最終可以實現對船舶甲板進行全方位、遠距離、長時間、實時監控。