航空護林火場偵察信息傳輸系統研究與應用

顧海超 李乃瑞

摘? 要：航空護林火場偵察信息傳輸系統可實時顯示當前時間、方向、飛機位置、目標位置等信息，在發現火情的第一時間迅速將高清的火場視頻圖像、紅外圖像、偽彩圖像和火場位置等關鍵信息傳輸到各級指揮部門，同時還可實現指揮部門與機上操作員的通話，以便及時、有效組織開展森林防火撲救工作，確保森林火災“打早、打小、打了”，有利于準確發現火點，迅速組織人員滅火，可以最大限度地減少森林火災發生和災害損失。

關鍵詞：航空護林;信息傳輸系統;L波段;單載波頻域均衡;正交頻分復用;光電吊艙

中圖分類號：TN912.11;S776.29? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0048-04

The Research and Application of the Information Transmission

System for Aerial Forest Protection Fire

GU Haichao，LI Nairui

（AVIC ATM System & Equipment Co.，Ltd.，Shanghai? 200241，China）

Abstract：The information transmission system of aerial forest protection fire can display the current time，direction，aircraft position，target position and other information in real time. The key information such as high-definition video image，infrared image，pseudo color image and the location of the fire scene will be quickly transmitted to all levels of command departments，at the same time also can command the communication between the department and the operator on board，in order to organize and carry out forest fire fighting work timely and effectively，guarantee the goal of “hitting early，hitting small and hitting end”，it is helpful to find the fire point accurately，organize the manpower and material resources to extinguish the fire quickly，and reduce the forest fire occurrence and disaster loss to the maximum extent.

Keywords：aerial forest protection;information transmission system;L-band;SC-FDE;OFDM;electro-optical pod

0? 引? 言

中航空管系統裝備有限公司以構建新型空域管理模式、保障航空飛行安全和空域高效運行為目標，在空域綜合管理、航空運營與信息保障、空管設備研制三大業務領域為行業客戶提供專業化系統解決方案、產品和服務。公司根據用戶需求，系統性地解決用戶痛點，該項目研發的航空護林火場偵察信息傳輸系統依托衛星、運-5運輸機、指揮中心和選址的基站建設位置既有基礎設施等平臺資源，通過安裝部署機載預警監測圖像采集系統、空地音視頻傳輸系統、地面可視化指揮應用軟件系統等，為森林防火應用構建高效的扁平化航空護林信息指揮體系，以極大提升航空護林任務的空地信息互通、協調聯動和可視化指揮調度能力，本文通過示范應用系統的建設和測試驗證了方案的可行性。

1? 系統簡介

1.1? 系統架構

火場圖像傳輸指揮系統1套，按功能分為機載預警監測圖像采集系統、空地音視頻傳輸系統、地面指揮應用系統三部分。機載設備載體是運-5運輸機，全系統建設內容需包含機載預警監測圖像采集系統2套，空地音視頻傳輸系統中的機載分系統2套，地面基站分系統14套，地面便攜分系統12套，地面指揮應用系統1套，如圖1所示。

2? 系統設計

2.1? 系統原理

航空護林火場偵察信息傳輸系統以運-5運輸機為平臺，利用森林防火機載預警監測圖像采集系統在空中對林區進行偵察，在實時存儲視頻圖像（可見光/紅外/偽彩）的同時，操作員在飛機上對吊艙進行操作，實現對巡護區域的偵察、搜索、觀察、定位等功能。

森林防火空地音視頻傳輸系統采用單載波頻域均衡（SC-FDE）技術，工作在L波段，為雙頻段設計，通過1.4 GHz同頻多基站組網技術，構建起空地一體的1.4 GHz通信專網。飛機平臺既可實時接入實現空地互聯，又可采用1.4 GHz鏈路實現對地面便攜式分系統的中繼通信，實現指揮中心—飛機—地面指揮車的三方互聯互通。

森林防火地面指揮應用系統主要由指揮中心服務器、工作站主機顯示器和應用層軟件構成。其中，可視化指揮調度應用軟件定制開發，以符合森林防火指揮流程和滿足使用習慣為目的，采用C/S+B/S混合架構，部署在工作站主機，提供的服務包括數據服務、可靠通信服務、存儲檢索服務、網絡管理服務、定位授時服務、指揮調度服務和GIS服務。

基站遠程網絡管理軟件定制開發，以滿足用戶使用習慣，采用C/S架構，部署在工作站主機，由系統配置工具和通信管理軟件組成，其中系統配置工具實現對核心網數據庫的配置和管理，包括鏈路配置模塊、信道配置模塊、基站簇配置模塊、基站配置模塊、終端配置模塊和設備配置模塊;通信管理軟件實現對網絡狀態的監控，包括無線網絡鏈路管理模塊、基站管理模塊和終端管理模塊。

2.2? 應用場景設計

結合森林防火實際情況，挑選兩架運-5運輸機加裝森林防火機載預警監測圖像采集系統，兩架飛機搭載的兩套機載設備既可以獨立工作，也可以協同作業;另外兩套機載設備還可以互為備份，又可以在發生多地多點火情的情況下同時工作。

機載預警監測圖像采集系統由操控臺（集成記錄儀）和光電吊艙組成。將光電吊艙安裝于運-5運輸機機腹下方，運-5運輸機執行航空護林任務時，操作員利用其可見光相機、紅外熱像儀進行對林區的偵察探測，以采集獲取高清可見光、紅外與偽彩視頻圖像。

同時，在加改裝機載預警監測圖像采集系統的兩架飛機上分別加裝空地音視頻傳輸系統機載分系統，共2套機載分系統;在14個地面基站位置處分別配備地面組網基站分系統，共14套地面組網基站分系統;另外給地區森林防火指揮部、地面指揮車配備地面便攜式分系統，共12套地面便攜式分系統，方便在無網絡通信的情況下，火場前線指揮實時接收圖像信息并及時下達滅火任務。

在日常空中巡邏時，由機上操作員操控手柄（集成于操作臺）進行林區偵察，在機上操作臺顯示器進行實時觀察（可全程錄像）。同時用可見光和紅外功能監測飛行區域，一旦發現火情，飛機圍繞著火地點進行環繞飛行。光電吊艙鎖定目標區域進行自動跟蹤，并將現場的火情態勢等信息通過空地音視頻傳輸系統實時傳輸到各地指揮中心與前線指揮所，以輔助地面指揮人員進行打火方案的決策。

各地面組網基站分系統構建起同頻組網系統（微波專網），并通過地區防火專網互聯，可實現全區的圖像共享，即任意地面基站收到的圖像都可以通過可視化指揮調度應用軟件在全區范圍內調閱，以確保上下信息暢通，一旦發生火情，能夠迅速出擊，實現“打早、打小、打了”。

地面便攜式分系統可通過空地1.4 GHz鏈路與飛機平臺實現圖像傳輸和雙向語音對講，同時，可通過飛機平臺實現地面便攜式分系統與地面組網基站分系統的語音互通。可車載固定使用也可野外單兵便攜使用，用于火場前線指揮輔助決策。

2.3? 系統交聯關系設計

系統空間上分為機載部分與地面部分。機載部分包括機載預警監測圖像采集系統與空地音視頻傳輸系統的機載分系統;地面部分包括空地音視頻傳輸系統中的地面組網基站分系統、地面便攜式分系統和地面指揮應用系統。

3? 關鍵技術

3.1? 嵌入式軟件實現技術

從用戶使用角度來看，本軟件涉及的業務數據：通用IP數據流、遙測遙控串口數據流、控制命令/應答數據流、復接數據流。從設計角度來看，本軟件還涉及的內部數據：中轉IP流、命令/應答包、命令/應答消息、幀數據、包數據等。

軟件采用多線程設計，這樣不僅使得軟件結構清晰，也便于對數據流進行裁剪，另外也有利于模塊化，譬如命令處理線程包括在命令處理模塊中等等;線程間通信方面可以采用Linux內核提供的機制。多線程設計框圖如圖2所示。

3.2? 多基站組網和在重疊區的抗干擾技術

為了提高頻譜利用率，全網所有無線接入設備采用同頻組網，如圖3所示。一個基站組網最多可以支持10個基站，在開闊地一般3基站可滿足使用需求。以3基站為例，按照圖4中方法，沿3個基站相鄰的3個邊平推進行擴展，即可完成蜂窩覆蓋。

4? 系統仿真

4.1? 基站選址方法

根據能夠架設基站的地點進行分區、分組，在各個區域內篩選較優的位置，約留30個基站，根據每個基站的覆蓋范圍進行進一步的比較分析，擬選出3個綜合性方案，然后比較這幾個方案的覆蓋率，得出14個站點的位置。根據擬采用的14個基站位置，進行更詳細的覆蓋仿真計算，包括各個基站的位置分布和距離分析、各個基站在飛機不同高度條件下的覆蓋范圍、整體覆蓋范圍等。

通過查看基站間的距離和剖面，能夠分析各基站間的地形情況;根據地形和距離的關系，能夠簡單驗證選址是否合理;根據相鄰基站的距離和信號關系，能夠確定相鄰小區的最大數量，為解決自干擾問題提供依據。相鄰基站之間的距離關系圖如圖5所示。

4.2? 仿真參數說明

根據基站位置及條件進行仿真計算，使用的仿真軟件是Global Mapper v14.1.0，仿真參數設置如下：（1）系統工作頻率：1 430 MHz～1 444 MHz、1 325 MHz～1 375 MHz;

（2）發射功率：20 W;（3）接收靈敏度：-97 dBm;（4）地面天線增益：8.0 dBi;（5）地面天線高度：10米～20米;（6）機載天線增益：2.5 dBi;（7）飛機飛行高度：800米（起飛階段）、1 200米（任務階段）、2 000米（巡航階段）。

由于無線信號的傳輸特性，實際無線通信傳輸過程中除與距離和遮擋關系密切的慢衰落外，還存在時變的快衰落，導致接收電平在不斷波動，因此一般在應用時均會考慮一定接收裕量，根據實測視頻傳輸的應用經驗，裕量在0 dB～ 5 dB時，經常會有丟包現象;裕量在5 dB～10 dB時，偶爾會有丟包，對于要求不高或可以重傳的場合，已經可以接受;裕量大于10 dB時，基本不丟包。

4.3? 仿真結果

飛機起飛時在機場附近飛行高度較低，按800米高度計算仿真，14個基站覆蓋情況如圖6所示。

飛機作業時，為保證所拍攝視頻的清晰度，飛行高度不能太高，按1 200米海拔高度進行仿真計算，14個基站的覆蓋情況如圖7所示。

由于地形情況限制，在部分地區信號可能會被遮擋，為保證通信效果，可以適當提高飛行高度，按2 000米高度進行仿真，14個基站的覆蓋情況如圖8所示。

5? 結? 論

綜上所述，通過合理開展仿真、計算和分析，從上面的各個高度仿真情況來看，在800米高度時，完全可滿足機場、基站附近的通信要求;在1 200米高度時，可完成大部分區域的通信覆蓋;部分區域被山體遮擋不能通信時，飛機提升到2 000米高度可基本滿足全區覆蓋要求。后續也可根據用戶的具體要求，結合當地的基礎設施條件和實際飛行測試情況，做進一步的基站選址調整和優化。

航空護林火場偵察信息傳輸系統是針對我國森林防火相關用戶對航空護林指揮調度的需求，研制開發的具有自主知識產權的航空護林火場偵察信息傳輸系統。系統可完成對巡護區域火情的搜索、觀察、定位等功能，為我國航空森林防火應用提供了重要的基礎設施和技術保障。

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作者簡介：顧海超（1987.09—），男，漢族，江蘇常州人，工程師，碩士研究生，研究方向：微波通信、導航定位;李乃瑞（1989.06—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士研究生，研究方向：微波通信、數字信號處理。