关于无人机在森林防火中应用的探讨

周 建，闫铁铮

（国家林业局北方航空护林总站，黑龙江 哈尔滨 150027）

关于无人机在森林防火中应用的探讨

周 建，闫铁铮

（国家林业局北方航空护林总站，黑龙江 哈尔滨 150027）

无人机可克服有人机不能全天候飞行进行火场侦察的限制。依据无人机系统各子系统的特性，对无人机在森林防火的具体应用进行了分析和探讨，为无人机在森林防火工作的应用提供了思路。

森林防火；无人机；通信链路；分层次

1 概述

无人机是不搭载操作人员，采用空气动力为飞行器提供升力，能够自动飞行或远程引导，可一次性或多次重复使用，携带各类有效载荷的有动力空中飞行器。无人机要完成相应任务，需与任务载荷、测控与信息传输系统、地面保障系统、任务分析系统等配合工作，无人机与以上各类设备组成的完整系统称为无人机系统,包括无人机平台、测控系统、有效载荷、地面系统。无人机系统可由单个无人机构成，也可由多个同型的无人机或由多型多个无人机共同构成。本文涉及的无人机是指无人机系统。

2 国内外发展现状

目前我国无人机系统发展迅速，技术日臻成熟，在军民领域逐步得到广泛应用。无人机作为航空护林的补充手段，可用于火场侦察（测绘）、巡护等，相对于传统的有人机，从使用经济性、安全性、维护性等方面具有显著优势，在美国等发达国家已经广泛应用，但在我国还处于起步阶段。

2.1 美国发展情况

在2013年8月，加利福尼亚州空中护卫队曾经使用MQ-1型捕食者无人机，在北加州边缘的火灾中执行了提供全天候实时信息的任务。在2007-2009年NASA的伊卡采平台曾经用于绘制突出火灾地图。此外，美国林业局已经测试了多种类型的无人机系统平台，其中大部分是小型或中型类型（翼展小于4.88 m）。美国国家公园管理处使用扫描鹰型无人机，在森林火灾中向森林防火管理团队提供实时数据，以及与火灾规模和蔓延趋势相关的信息、火势、可燃物，以及热量聚集的区域。

2.2 国内发展情况

目前，国内部分林区开始尝试采用无人机进行森林防火作业，但基本上采用小型旋翼无人机，一般控制距离10 km左右，一次升空巡护时间不大于1小时。如深圳市野生动植物保护管理处、河北承德市森林防火指挥中心、重庆市森林航空护林站等。这些地区巡护作业距离普遍较近、作业范围小、地理环境相对较好。而诸如东北地区，护林站航护作业半径100～300 km，且林区人烟稀少、交通不便，山区地形对无线通信遮挡问题普遍，单纯采用小型旋翼无人机很难满足大面积日常巡护要求。采用具有卫星中继或多机中继通信能力的长航时无人机是实现大面积、远距离无人机航空护林作业的有效手段。国家林业局为了将无人机技术引进森林航空消防，早在“十二·五”规划中已经进行了科学实验的规划，并从2014年开始在北方的根河航空护林站进行了试点，2016年在吉林航空护林中心、塔河航空护林站、幸福航空护林站进行试点，森林航空消防如何使用无人机正在探索中。

3 森林防火对无人机的需求

森林防火目前使用的航空护林飞机在夜间和能见度低的条件下均不能起飞执行火场侦察和巡护任务，不能实现对火场全天候实施侦察，实时掌握火场变化态势，对卫星监测热点进行核查或对火灾高发区进行巡护。而恰恰在这期间比较容易发生森林火灾，同时地面各级森林防火指挥部门又急需掌握林火发展态势，可是，又没有相应的手段获得火场信息和对卫星林火热点的核查，只能等待满足有人机起飞的条件下，由有人机完成，结果是贻误战机，这是森林防火亟须解决的难题之一。而无人机完全可以解决这一难题，无人机平台通过搭载摄像设备和影像传输设备，可全天候随时执行火警侦察和巡护任务。地面人员通过接收来自无人机的无线信号，随时掌握火场动态信息和对卫星林火监测热点的核查。无人机可以全天候地在对火场进行侦察和测绘，在林区上空巡护及时发现火情、报告火场位置。无人机是一个集各项高科技于一体的复杂系统，需要数名多学科的科技人员进行操控运行，而且其能够执行的任务又比较单一，只能作为有人机不能起飞时的补充。

选择合适的无人机平台配备彩色专业CCD任务载荷和专业红外探测任务载荷，在距地面800～3000 m飞行高度对地面火场进行实时观察，将获取的图像数据实时传回地面，为前线指挥部第一时间提供火场地理坐标（经、纬度）、火场面积、火场边界、火场火头蔓延趋势等火场态势情报。任务分析人员绘成火场态势图并提供给指挥部，使前线指挥部迅速调配人员进行重点区域灭火工作，及时通知森林消防专业队撤离危险地区，并根据火场图像资料为消防人员提供撤离路径。对已消灭明火的区域采用制冷红外线设备对地面进行红外探测，穿透烟雾遥感到地表的温度情况，探查地下火和余火，以防止死灰复燃。

无人机配备专业的任务载荷，按预定航迹对林区进行空中巡护，并将空中获取的图像数据实时传回地面测控站，地面测控站将实时图像通过网络传给防火值班部门。对于可疑点或区域，通过遥控指令可改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查，详查图像通过无线链路实时传回地面，对已出现火情的地区进行空中火情态势观察。

4 分层次应用方案

无人机在森林航空消防中的应用受通信距离、航时长短、荷载能力的制约。应根据通信距离、航时关键因素分层次进行应用。

4.1 大型固定翼无人机

大型固定翼无人机具有航时长、航程远等优点，通过搭载通信设备能够实现卫星通信，适用于超远距离（900 km以上）的火场侦察及大范围区域的巡护。同时无人机强大的带载能力允许其携带灭火物质，在发现火情的第一时间开展灭火作业。该机型适用于国家级防火部门，比如北方航空护林总站适合配备该型无人机，在北方航空护林总站设无人机测控中心，通过卫星链路实现对无人机的测控和通过卫星通信接收火场测绘信息。对接收的火场信息经过处理后通过宽带有线网络传到国家森林防火指挥部。

4.2 中型固定翼无人机

中型固定翼无人机相较于大型固定翼无人机在航程、航时以及带载能力有一定差距，但其尺寸相对较小，使用灵活，使用成本也相对较低，适用于300 km以内的防火巡护与火情监测。同时通过利用卫星中继或是双机中继的方式，也可开展远距离的巡护作业。适用于省级森林防火部门。

4.3 小型固定翼无人机

对于任务范围100 km以内的森林防火巡护、火情重点区域巡查等长航时日常作业，可采用小型固定翼无人机开展工作。相较于大、中型固定翼无人机，小型固定翼无人机具有尺寸小、操作简单、使用灵活、便于部署等优点，同时相对于旋翼类无人机，其具有飞行速度快、续航时间长、飞行高度高等优点。同时针对地形遮挡，可采用小型固定翼无人机携带中继载荷登高开展中继作业。

4.4 小型多旋翼无人机

小型多旋翼无人机用于实现半径10～20 km范围内的森林火情巡查与监视。无人机具有携带方便、操作简便、能执行高危险性任务等优势，用于森林防火能第一时间进行火场侦察，实时传输火场信息，可为研判火场发展态势、科学制定扑救方案提供第一手资料。相较于固定翼无人机，多旋翼无人机不需要固定跑道，并能够实现垂直起降。相较于同为旋翼类的无人直升机，多旋翼无人机具有体积小、便于携带，准备时间短，可实现紧急情况下的快速反应。同时多旋翼类无人机不需额外的运输装备，飞行安全性也更高。该类机型适合于基层扑火队配备。

4.5 无人直升机

无人直升机用于实现半径100～150 km以内的区域性森林火情巡查与监视。相较于固定翼飞机，无人直升机最大的优点在于可以垂直起降，不需要专用的跑道，部署更加灵活。同时无人直升机弥补了多旋翼无人机航程小、航时短、带载弱的缺点，可实现区域固定航线巡查与监视等功能。应用于森林防火的无人直升机，使用半径一般150 km左右，具备沿林区设定航线勘查的能力。对于可疑着火点或区域，能通过遥控指令改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查，完成火情区域精确定位，并实现实时视频回传，协助开展火情判断。该类机型适合于市、县级森林防火部门。

5 通信链路的建立

无人机系统需要建立稳定可靠的通信链路，才能实现地面站对无人机的操控、侦察信息传输、信息综合显示等业务功能。稳定可靠的通信链路决定着无人机系统的稳定性和无人机平台的可遥控性，关系到无人机在森林防火中的应用方式和范围。

由于地形遮挡、地球曲率影响，超视距通信需采用卫星中继或无人机自身中继方式。而对于较近距离作业，可直接采用数据链直传通信，但对于有遮挡情况仍需采用中继方式。通信方式的选择应根据无人机平台的载荷能力进行选择。大型、中型无人机载荷能力较强，可安装卫星通信设备。但小型无人机载荷能力有限，国内普通卫星通信天线直径大于0.5 m，因此小型无人机较难装载卫星通信天线，应采用其他通信中继的方式（如飞机、基站等）。

无人机地面站采用数据链和卫星通信两种通信链路实现对不同类型无人机的测控信息传输。对于大型、中型固定翼无人机采用卫星链路和数据链两种通信手段，无人机与地面站通视条件下优先选用数据链通信。对于小型无人机和无人直升机采用数据链通信，在有遮挡地形条件作业可采用中继方式。无人机地面站间通信，如果地面站部署于机场附近，可直接采用有线网络通信或3G/4G移动通信；如果地面站前出部署于林区腹地，有移动基站信号则优先采用3G/4G移动通信，如没有移动基站信号采用卫星通信方式。

6 任务载荷

根据森林防火的需要，搭载森林防火专用任务载荷才能成为森林防火专业无人机。当前情况下，无人机应用到森林防火中，其中专业的任务载荷是应用过程中需要克服的技术难点之一，需要从国外引进或自主研发。

无人机在森林防火中的应用需要搭载可见光成像任务载荷和红外成像任务载荷。可见光载荷可以把火场的实况拍成彩色视频或数码照片传回地面测控站，可达到新闻直播的效果，看到的是浓烟滚滚和火场相邻关系，看不到准确的火线和火头的位置。在火场侦察中主要是掌握火线和火头的位置，使之落到地形图上，达到测绘的效果，以便准确掌握火场的发展变化态势。红外线成像任务载荷能够透过烟雾遥测到地面火点的温度和火线的准确位置，其采集的火场信息传回地面后通过专门图像处理软件和成图软件处理，可以形成供各级森林防火部门的领导和指挥员使用的火场态势图。

无人机平台搭载红外线成像任务载荷应用到森林防火中，能够昼夜24 h随时起飞执行火场侦察任务，克服了有人机受日落日出时间、能见度、夜间等因素的限制而不能随时起飞执行任务的困难。比如，无人机对白天和夜间没有分别，对能见度的大小也没有分别，除了大风和降雨外能够全天候起飞作业。

7 系统使用

7.1 大型无人机基于卫星通信远距离机动执行任务

地面控制站部署于城市中，无人机部署在任务区机场。地面测控站与机场航管建立通信联系，在机场测控无人机在机场跑道起降，在机场起飞后与卫星建立通信后交由地面测控站控制，无人机按规划航路巡航飞抵作业区域进行执行任务。执行任务过程中，实时将图像信息回传到地面控制站，地面站基于卫星链路实时接收侦察图像并实时显示，地面专业人员基于图像进行处理、判断，一旦发现火情，将火势和着火位置，通过地面通信系统上报到森林防火管理部门。

7.2 中小型固定翼无人机中继通信在固定区域作业

地面控制站部署于航空护林站机场附近，并与机场航管建立通信联系。每次作业，首先放飞中继无人机，之后起飞作业无人机。由中继无人机在高空盘旋作为数据链中继平台，实现作业无人机和地面站间连续测控与图像传输通信。

中继无人机按规划航路飞行到中继区高空盘旋，作业无人机按规划航路巡航飞行到作业区进行作业，实时将图像信息通过中继无人机回传到地面控制站，地面控制实时显示、处理、判断火情；一旦发现火情，将火势和着火位置，通过地面通信系统上报到护林站航护部门。

7.3 小型无人机系统前置部署进行火场侦察

针对已发生火灾林区，地面控制站、小型旋翼无人机、无人直升机随运输保障车辆机动部署到火场附近，利用无人机抵近进行火情侦察，辅助现场指挥人员火情判断、灭火指挥调度。小型旋翼无人机对视距内近距离火情进行侦察；无人直升机对视距内中距离火情进行侦察。无人机按规划航路飞行到火场区域，进行火情勘察作业，实时将图像信息回传到地面和现场指挥员，指挥员根据掌握的火场实时情况进行指挥扑火，并把掌握的新情况上报上级指挥部门。

8 大型无人机应用进展

根据国家林业局领导的批示，北航总站由专人负责开展了无人机应用在火场侦察监测作业的调研工作。通过调研了解到，军方使用的无人机具有航时长、视距和超视距通信的综合能力，技术成熟度高，安全性可靠，该类无人机比较适合于北方的实际情况。北航总站先后对航天十一院的彩虹4型和彩虹101无人机、成都飞机公司的翼龙无人机和贵州飞机公司的鹞鹰无人机进行了深入的调研。经过对性能、技术参数等各项指标的综合对比分析，认为鹞鹰无人机和彩虹4型无人机比较适合用于北方在火场侦察监测作业。航天十一院正在试飞的彩虹101无人机有着更加广泛的应用前景，该款无人机介于直升机和固定翼机之间，以螺旋桨升力托举下滑行起飞，滑行距离很短，起飞后以固定翼方式飞行，可搭载卫星通信设备，其使用方式更加灵活，限制因素少，减少了应用的难度。

无人机应用在森林防火中还有许多工作有待加强。火场上空空气湍流、带点气团对无人机安全飞行的影响不清楚，特别是对旋翼型无人机的影响，需要专门研究；还没有用于火场侦察专门的任务载荷，需要在明确需求的基础上，定制集成制造；建立无人机在森林防火中应用的标准，使得应用到森林防火中的无人机系统相互兼容，增强无人机在各地区应用的机动性和灵活性。

（责任编辑：韩焕金）

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2017-01-13