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摘要：本文主要介绍某公务船无人机系统的组成、接口、工作流程，重点归纳了无人机系统在公务船上的布置安装要领及注意事项。希望通过实船应用的总结为公务船无人机系统的设计提供较好的借鉴。
关键词：无人机；光电载荷；布置安装要领
中图分类号：U279.2 文献标识码：A
Application of UAV in Public Service Vessel
HE linghua1，YANG yanan2，QIAN lili2
（1.Huangpu wenchong shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715；
2.Hudong Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129）
Abstract： This paper introduces the composition， interface， function and workflow of an unmanned aerial vehicle（UAV） system and focuses on the key point of its arrangement and installation in a public service vessel.
Key words： UAV； Electric-optic load； Key point of arrangement
1 引言
随着人类对海洋开发力度的增大，各国对海洋资源的争夺日益激烈，对海洋环境的破坏和污染也随之增多。我国的海洋形势日益严峻，特别是近年来钓鱼岛和南海问题的升温，考验着我国海上维权执法的能力，我国的海洋执法力度亟待加强。
公务船在日益严峻的海洋权益争夺的形势下，迎来了前所未有的大好机遇，但也面临诸多挑战。公务船在我国管辖海域巡航监视、查处违法行为、维护海洋权益等方面担负着神圣的任务。
目前我国公务船直升机规模偏小，飞行员数量严重不足，在海况恶劣的环境下直升机起降存在安全隐患。因此，为了提高公务船海上执法的快速性和灵活性，扩展搜索范围，增加查证手段，将船载无人直升机系统应用到执法公务船，可以协助克服舰船单一执法平台越来越难以胜任的超视距探测等各项任务，同时能完善信息化和系统化指挥探测节点，对提高执法船的执法能力具有深远的意义。
2 无人机系统浅析
无人机除具有直升机一般优点外，还具有垂直起飞着陆、空中定点悬停、低速、低空飞行、悬停回转等特点，因此在飞行空间受限和要求执行低空低速飞行的情况下，无人直升机有着广阔的应用前景，在船舶系统中发挥着不可替代的作用。
无人机搭载光电复合载荷，可以对海面、近岸目标进行红外、电视成像探测，提供目标图像；可以对海上及岸上目标进行警戒探测和监视，完成海面目标定位功能，通过以太网将探测信息传输至缉私系统。其具体功能如下：
（1） 对海、岸上目标红外、电视成像探测；
（2） 对海面指定目标定位；
（3） 对目标自动搜索、跟踪。
目前我国公务船主要用于近海执法，执法过程需要具备一定的隐身和防侦察技术，轻型、智能化和易操纵的小型无人机是船载无人机的主要特点。为满足船舶舱室对无人机的存放要求，船载无人机体积一般较小，长度最好控制在2.5米以下，整机重量在200千克以下，无人机空载重量小有利于飞机的长时间飞行。目前部分公务船除配备无人机外还配备直升机，建议无人机和直升机使用同一种燃油，减少公务船的船舶系统配置。无人机飞行高度在3000米以上，有利于机载光电跟踪监视设备的监视范围。
与普通无人机相比，船载无人机在海上起飞和降落过程中受到甲板摇摆等因素的影响。船载无人机在自主着舰过程中，由于船舶飞行甲板处于摇摆和船舶处于航行状态，船载无人机控制系统需具备跟踪移动船舶并实现无人干涉下的自主着舰功能。无人机还需考虑海上盐雾、抗冲击等因素的影响，因此在结构和性能方面需作特殊考虑。
3 无人机系统组成
3.1系统组成和内部接口
无人机系统设备组成，见表1。
无人机系统内部设备接口，见图1。
3.2 系统主要设备功能
（1） 无人机
无人直升机作为本系统的平台，搭载光电复合载荷，可以对海面、近岸目标进行红外、电视成像探测，提供目标图像；可以对海上及岸上目标进行警戒探测和监视，完成海面目标定位功能，通过以太网将探测信息传输至缉私系统。无人机不需要飞行员驾驶，可以弥补当前公务船飞行员数量的不足。无人机可提高海上执法的快速性和灵活性，扩展搜索范围，增加查证手段。
无人机搭载飞控系统，包含惯导、加速度计、GPS接收机、高度计、计算单元和执行单元。
（2） 数据链天线
无人机与船舶之间通过数据链装置进行数据无线传输，将无人机的各种信息实时传回给船舶。在常规直升机中，船舶对直升机的通信是通过无线电通话设备来完成，在起降过程中无法及时掌握船舶的運动参数，为了在执行使用任务时发挥最大性能，建立专门了数据链路。
无人机的通信系统主要由控制数据链和任务数据链组成：控制数据链由上行的无人机控制器参数信息、轨迹规划信息及下行的飞机状态信息组成。
控制数据链是保证无人机安全稳定自主飞行的必备数据链，必须保证其安全性和可靠性。其中，飞机的控制器参数及轨迹规划信息一般是根据无人机飞行需要随机发送的，数据量较小；而下行的飞机状态信息一般是周期性发送，数据量相对较大。
任务数据链一般 为下行的应用信息，如图像、视频或根据其他应用需要下传遥感数据，是根据各种无人机应用需求提出的，数据量一般较大。 数据链天线是船舶控制无人机飞行的主要通信设备。数据链为无人机和控制站之间提供双向通信，使整个无人机系统的信息传输和控制成为有效的统一整体。
根据海上工作环境要求和前期相关项目的经验，船载数据链采用相控阵体制的平板天线阵，避免了常规天线因伺服运动部件造成整个天线系统故障率高的缺点，同时兼顾体积重量小、功率要求小、易于定制改造等特点。
主数据链由4个面阵天线组成，每个面阵覆盖90°空域，共覆盖360°空域。每个面阵天线要求安装于舱外尽量高的位置，每个面阵所覆盖的90°空域内无遮挡。
（3） 自主起降控制技术
无人机自动起降是飞行控制过程中的重点和难点。在自动起降阶段，由于飞行速度低、气动效应非常弱、通道之间的耦合严重、船舶着陆场地小等因素，对小型无人机的起降控制性能提出了很高的要求。在船舶上自动起飞，海面风浪和船舶摇摆对起降有较大的干涉影响。在着舰过程中，海上风浪、船舶甲板运动、船尾气流、阵风干扰和地面效应使无人机着舰困难。因此，为实现无人机在船上的自主起降，无人机系统加装了自主起降辅助设备。自主起降辅助设备工作原理类似于全球卫星系统，用于测量无人机与起降甲板间的相对位置和姿态，并最终为着舰决策提供相对的高度、位置、姿态信息。
（4） 飞行控制台
飞行控制台作为无人机系统的重要组成部分，主要完成对无人机的飞行控制与管理、航路设置、状态监视、信息记录等。
（5） 综合任务控制台
综合任务控制台作为无人机系统的重要组成部分，主要完成任务载荷状态监视、控制、综合显示、信息交换、处理、记录和输出等功能，并把探测态势信息输出到各有关节点，同时负责与缉私系统进行网络信息交换。
系统指挥员制订任务全过程的无人机任务航路和载荷的工作计划。任务航路规划主要包括海图标绘、任务航路规划和规划方案管理。
（6） 光电任务载荷
光电任务载荷是无人机任务系统中的重要组成部分，设备可由光电转塔、电子箱、减震挂架、显控单元等组成。
光电转塔承载光电传感器，为光电传感器方位、俯仰转动提供平台。包括方位轴系、俯仰轴系、电视传感器、红外传感器、陀螺等。
电子箱承载电气组件，包括电源、测角、伺服驱动、伺服控制、图像处理、录像存储等功能模块。便携式操控盒为设备调试、测试用的操控和显示终端，包括电源、液晶显示器、操控杆、操控键盘等。
外界景物（包含目标）的辐射和反射通过大气传输，经光学系统成像于探测器的靶面，探测器将景物信息转变成电信息，从而将空间目标及景物的二维图像转变为时间序列的电图像。安装在吊舱内的陀螺能敏感出载机的摇摆，通过陀螺稳定回路，使光电系统保持瞄准线的稳定，图像传感器输出稳定的图像。
操控手通过操控手柄控制光电系统方位、俯仰转动，搜索海面目标。主控计算机接收操作手或系统给出的工作指令，控制设备的正常运行、监视设备的工作状态以及目标；在自动跟踪方式下，主控计算机接收视频跟踪器测取目标质心相对光轴中心的方位、高低角偏差，控制伺服系统使瞄准线保持对目标的自动跟踪。
综合显示器显示目标及背景图像，为便于操作手掌握必要的信息，综合显示器还以文字和数字形式显示出目标参数和工作参数。
视频图像下传到地面终端，一路传输到记录板存储到记录卡，方便任务完成后直接取出记录卡进行后期阅读处理。
（7） 船面保障设备
无人机系统具有许多船面保障设备，用以支持无人机在船上的运转、系留安全存储等功能：
（A） 鱼叉：无人机配备鱼叉，满足无人机着舰和快速固定要求，保证无人机降落不侧滑、不翻倒、不与物体碰撞，能够正常起飞和降落；
（B） 能见度激光雷达：配备远距离、高精度、全方向、无需合作目标的激光后向探测能见度测量设备，获得所在方向的能见度数值和湿度、温度等气象信息，为无人机的起降提供气象安全保证；
（C） 灯光助降：在夜间或能见度低的情况下，满足无人机着舰操作员目视无人机照度要求，提供低空照明；
（D） 燃油存储、加注及回收设备：无人机系统与直升机共用燃油存储装置，使用时由直升机加注装置将燃油加注到无人机加注装置内，再由无人机储油加注装置进行燃油加注。无人机废油回收与直升机废油回收采用相同办法。
（E） 无人机转运车：配备无人机转运车，将无人机从无人机机库快速转运到飞行平台。
4 无人机系统工作流程
系统功能流程主要包括无人机起飞的典型工作流程、无人机降落的典型工作流程、系统搭载光电载荷的使用流程。
4.1 起飞的典型工作流程（见表2）
4.2 降落的典型工作流程（见图3）
5.1着舰引导设备
自主着舰设备属于临时安装设备，包括底座及着舰引导装置。通过基座将底座固定安装，使用时再将着舰引导装置通过卡槽固定。6个安装基座在飞行甲板上呈矩形或正六边形布放，相邻两个安装基座间不小于4m。基座与无人机机库距离不得小于2m。要求每个安装基座的位置在天线垂直法线15°范围内没有遮挡物。
自主着舰设备、GPS、惯性测量单元安装布置图，见图4。
5.2數据链天线
在无人机系统导航与通信中，主数据链共有4个面阵天线，4个阵面集中成圆柱体结构，布放于塔台后方靠近甲板位置。要求天线安装于舱外尽量高的位置，每个面阵所覆盖的90°空域内无遮挡，副链与主数据链天线集成在同一位置。
主数据链天线及副链布置安装图见图5。
6 结论
无人机作为一种快速、灵活、有效的反应平台，在公务船上配置无人机系统有效的提高了海上执法的快速性和灵活性，扩展了搜索范围，增加了查证手段，协助克服舰船单一执法平台越来越难以胜任的超视距探测等各项任务，使公务船的执法能力上升了一个新台阶，为中国沿海区域维权执法作出突出贡献。
关键词：无人机；光电载荷；布置安装要领
中图分类号：U279.2 文献标识码：A
Application of UAV in Public Service Vessel
HE linghua1，YANG yanan2，QIAN lili2
（1.Huangpu wenchong shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715；
2.Hudong Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129）
Abstract： This paper introduces the composition， interface， function and workflow of an unmanned aerial vehicle（UAV） system and focuses on the key point of its arrangement and installation in a public service vessel.
Key words： UAV； Electric-optic load； Key point of arrangement
1 引言
随着人类对海洋开发力度的增大，各国对海洋资源的争夺日益激烈，对海洋环境的破坏和污染也随之增多。我国的海洋形势日益严峻，特别是近年来钓鱼岛和南海问题的升温，考验着我国海上维权执法的能力，我国的海洋执法力度亟待加强。
公务船在日益严峻的海洋权益争夺的形势下，迎来了前所未有的大好机遇，但也面临诸多挑战。公务船在我国管辖海域巡航监视、查处违法行为、维护海洋权益等方面担负着神圣的任务。
目前我国公务船直升机规模偏小，飞行员数量严重不足，在海况恶劣的环境下直升机起降存在安全隐患。因此，为了提高公务船海上执法的快速性和灵活性，扩展搜索范围，增加查证手段，将船载无人直升机系统应用到执法公务船，可以协助克服舰船单一执法平台越来越难以胜任的超视距探测等各项任务，同时能完善信息化和系统化指挥探测节点，对提高执法船的执法能力具有深远的意义。
2 无人机系统浅析
无人机除具有直升机一般优点外，还具有垂直起飞着陆、空中定点悬停、低速、低空飞行、悬停回转等特点，因此在飞行空间受限和要求执行低空低速飞行的情况下，无人直升机有着广阔的应用前景，在船舶系统中发挥着不可替代的作用。
无人机搭载光电复合载荷，可以对海面、近岸目标进行红外、电视成像探测，提供目标图像；可以对海上及岸上目标进行警戒探测和监视，完成海面目标定位功能，通过以太网将探测信息传输至缉私系统。其具体功能如下：
（1） 对海、岸上目标红外、电视成像探测；
（2） 对海面指定目标定位；
（3） 对目标自动搜索、跟踪。
目前我国公务船主要用于近海执法，执法过程需要具备一定的隐身和防侦察技术，轻型、智能化和易操纵的小型无人机是船载无人机的主要特点。为满足船舶舱室对无人机的存放要求，船载无人机体积一般较小，长度最好控制在2.5米以下，整机重量在200千克以下，无人机空载重量小有利于飞机的长时间飞行。目前部分公务船除配备无人机外还配备直升机，建议无人机和直升机使用同一种燃油，减少公务船的船舶系统配置。无人机飞行高度在3000米以上，有利于机载光电跟踪监视设备的监视范围。
与普通无人机相比，船载无人机在海上起飞和降落过程中受到甲板摇摆等因素的影响。船载无人机在自主着舰过程中，由于船舶飞行甲板处于摇摆和船舶处于航行状态，船载无人机控制系统需具备跟踪移动船舶并实现无人干涉下的自主着舰功能。无人机还需考虑海上盐雾、抗冲击等因素的影响，因此在结构和性能方面需作特殊考虑。
3 无人机系统组成
3.1系统组成和内部接口
无人机系统设备组成，见表1。
无人机系统内部设备接口，见图1。
3.2 系统主要设备功能
（1） 无人机
无人直升机作为本系统的平台，搭载光电复合载荷，可以对海面、近岸目标进行红外、电视成像探测，提供目标图像；可以对海上及岸上目标进行警戒探测和监视，完成海面目标定位功能，通过以太网将探测信息传输至缉私系统。无人机不需要飞行员驾驶，可以弥补当前公务船飞行员数量的不足。无人机可提高海上执法的快速性和灵活性，扩展搜索范围，增加查证手段。
无人机搭载飞控系统，包含惯导、加速度计、GPS接收机、高度计、计算单元和执行单元。
（2） 数据链天线
无人机与船舶之间通过数据链装置进行数据无线传输，将无人机的各种信息实时传回给船舶。在常规直升机中，船舶对直升机的通信是通过无线电通话设备来完成，在起降过程中无法及时掌握船舶的運动参数，为了在执行使用任务时发挥最大性能，建立专门了数据链路。
无人机的通信系统主要由控制数据链和任务数据链组成：控制数据链由上行的无人机控制器参数信息、轨迹规划信息及下行的飞机状态信息组成。
控制数据链是保证无人机安全稳定自主飞行的必备数据链，必须保证其安全性和可靠性。其中，飞机的控制器参数及轨迹规划信息一般是根据无人机飞行需要随机发送的，数据量较小；而下行的飞机状态信息一般是周期性发送，数据量相对较大。
任务数据链一般 为下行的应用信息，如图像、视频或根据其他应用需要下传遥感数据，是根据各种无人机应用需求提出的，数据量一般较大。 数据链天线是船舶控制无人机飞行的主要通信设备。数据链为无人机和控制站之间提供双向通信，使整个无人机系统的信息传输和控制成为有效的统一整体。
根据海上工作环境要求和前期相关项目的经验，船载数据链采用相控阵体制的平板天线阵，避免了常规天线因伺服运动部件造成整个天线系统故障率高的缺点，同时兼顾体积重量小、功率要求小、易于定制改造等特点。
主数据链由4个面阵天线组成，每个面阵覆盖90°空域，共覆盖360°空域。每个面阵天线要求安装于舱外尽量高的位置，每个面阵所覆盖的90°空域内无遮挡。
（3） 自主起降控制技术
无人机自动起降是飞行控制过程中的重点和难点。在自动起降阶段，由于飞行速度低、气动效应非常弱、通道之间的耦合严重、船舶着陆场地小等因素，对小型无人机的起降控制性能提出了很高的要求。在船舶上自动起飞，海面风浪和船舶摇摆对起降有较大的干涉影响。在着舰过程中，海上风浪、船舶甲板运动、船尾气流、阵风干扰和地面效应使无人机着舰困难。因此，为实现无人机在船上的自主起降，无人机系统加装了自主起降辅助设备。自主起降辅助设备工作原理类似于全球卫星系统，用于测量无人机与起降甲板间的相对位置和姿态，并最终为着舰决策提供相对的高度、位置、姿态信息。
（4） 飞行控制台
飞行控制台作为无人机系统的重要组成部分，主要完成对无人机的飞行控制与管理、航路设置、状态监视、信息记录等。
（5） 综合任务控制台
综合任务控制台作为无人机系统的重要组成部分，主要完成任务载荷状态监视、控制、综合显示、信息交换、处理、记录和输出等功能，并把探测态势信息输出到各有关节点，同时负责与缉私系统进行网络信息交换。
系统指挥员制订任务全过程的无人机任务航路和载荷的工作计划。任务航路规划主要包括海图标绘、任务航路规划和规划方案管理。
（6） 光电任务载荷
光电任务载荷是无人机任务系统中的重要组成部分，设备可由光电转塔、电子箱、减震挂架、显控单元等组成。
光电转塔承载光电传感器，为光电传感器方位、俯仰转动提供平台。包括方位轴系、俯仰轴系、电视传感器、红外传感器、陀螺等。
电子箱承载电气组件，包括电源、测角、伺服驱动、伺服控制、图像处理、录像存储等功能模块。便携式操控盒为设备调试、测试用的操控和显示终端，包括电源、液晶显示器、操控杆、操控键盘等。
外界景物（包含目标）的辐射和反射通过大气传输，经光学系统成像于探测器的靶面，探测器将景物信息转变成电信息，从而将空间目标及景物的二维图像转变为时间序列的电图像。安装在吊舱内的陀螺能敏感出载机的摇摆，通过陀螺稳定回路，使光电系统保持瞄准线的稳定，图像传感器输出稳定的图像。
操控手通过操控手柄控制光电系统方位、俯仰转动，搜索海面目标。主控计算机接收操作手或系统给出的工作指令，控制设备的正常运行、监视设备的工作状态以及目标；在自动跟踪方式下，主控计算机接收视频跟踪器测取目标质心相对光轴中心的方位、高低角偏差，控制伺服系统使瞄准线保持对目标的自动跟踪。
综合显示器显示目标及背景图像，为便于操作手掌握必要的信息，综合显示器还以文字和数字形式显示出目标参数和工作参数。
视频图像下传到地面终端，一路传输到记录板存储到记录卡，方便任务完成后直接取出记录卡进行后期阅读处理。
（7） 船面保障设备
无人机系统具有许多船面保障设备，用以支持无人机在船上的运转、系留安全存储等功能：
（A） 鱼叉：无人机配备鱼叉，满足无人机着舰和快速固定要求，保证无人机降落不侧滑、不翻倒、不与物体碰撞，能够正常起飞和降落；
（B） 能见度激光雷达：配备远距离、高精度、全方向、无需合作目标的激光后向探测能见度测量设备，获得所在方向的能见度数值和湿度、温度等气象信息，为无人机的起降提供气象安全保证；
（C） 灯光助降：在夜间或能见度低的情况下，满足无人机着舰操作员目视无人机照度要求，提供低空照明；
（D） 燃油存储、加注及回收设备：无人机系统与直升机共用燃油存储装置，使用时由直升机加注装置将燃油加注到无人机加注装置内，再由无人机储油加注装置进行燃油加注。无人机废油回收与直升机废油回收采用相同办法。
（E） 无人机转运车：配备无人机转运车，将无人机从无人机机库快速转运到飞行平台。
4 无人机系统工作流程
系统功能流程主要包括无人机起飞的典型工作流程、无人机降落的典型工作流程、系统搭载光电载荷的使用流程。
4.1 起飞的典型工作流程（见表2）
4.2 降落的典型工作流程（见图3）
5.1着舰引导设备
自主着舰设备属于临时安装设备，包括底座及着舰引导装置。通过基座将底座固定安装，使用时再将着舰引导装置通过卡槽固定。6个安装基座在飞行甲板上呈矩形或正六边形布放，相邻两个安装基座间不小于4m。基座与无人机机库距离不得小于2m。要求每个安装基座的位置在天线垂直法线15°范围内没有遮挡物。
自主着舰设备、GPS、惯性测量单元安装布置图，见图4。
5.2數据链天线
在无人机系统导航与通信中，主数据链共有4个面阵天线，4个阵面集中成圆柱体结构，布放于塔台后方靠近甲板位置。要求天线安装于舱外尽量高的位置，每个面阵所覆盖的90°空域内无遮挡，副链与主数据链天线集成在同一位置。
主数据链天线及副链布置安装图见图5。
6 结论
无人机作为一种快速、灵活、有效的反应平台，在公务船上配置无人机系统有效的提高了海上执法的快速性和灵活性，扩展了搜索范围，增加了查证手段，协助克服舰船单一执法平台越来越难以胜任的超视距探测等各项任务，使公务船的执法能力上升了一个新台阶，为中国沿海区域维权执法作出突出贡献。