一种用于公共安全的小型机动式系留气球系统

程士军　黄伟良

【摘 要】针对城市公共安全的视频监控，提出了一种小型机动式系留气球系统方案。给出系统的组成、工作原理及主要性能参数，并阐述该系统空中视频监控的特点。該系统采用小型机动式系留气球搭载摄像机和4G应急通信设备升空，可进行视频成像、地面移动目标捕获和跟踪，并具备应急通信功能，可成为应对突发事件的重要技术手段。

【关键词】系留气球；公共安全；视频监控；应急通信

A Small Mobile Tethered Balloon System for Public Safety

CHENG Shi-jun HUANG Wei-liang

（No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】It is a small mobile tethered balloon system for public safety which could be used for video surveillance in urban public safety.The composition，working principle and performance parameters of the system were given，and the characteristics of the video surveillance from the sky were described.Camera and 4G communication equipment are carried off to the sky to communicating，carrying out video imaging，capturing and tracking the ground moving target.It will be an important technology for the police to deal with emergencies.

【Key words】Tethered balloon；Public safety；Video surveillance；Emergency communication

0 引言

随着城市化的高速发展，越来越多的公共安全问题呈现在社会和政府的面前。影响城市公共安全的因素主要有三大类：社会公共安全事件、事故灾难和自然灾害[1-2]。其中，社会公共安全事件最常见、危害最广，其主要包括恐怖袭击、群体性事件、重大刑事案件等，会破坏城市的正常生产和生活秩序，可能造成重大人员伤亡、重大财产损失或重大生态破坏[3]。

系留气球系统作为新兴的空中平台，具有平台高度稳定、费效比低等巨大优势，已在城市公共安全领域发挥了越来越突出的作用。2010年上海世博会期间成功应用了车载系留气球监测系统进行安保监视和信息收集[4]。该系统的成功应用表明了系留气球搭载球载摄像机升空进行视频监控，可有效地提高了突发公共安全事件的预警能力。但是，该系统的气球体积较大，不便机动。本文提出了一种可进行视频监控、应急通信中继的小型机动式系留气球系统。该系统将小型机动式系留气球、球载摄像机和4G应急通信设备进行组合，即可实现从空中对地面进行视频监控，又能进行应急通信，从而提高公安部门对公共安全事件的应急处理能力。

1 系统特点

系统具有以下特点：

1）视频和应急通信一体化

球载摄像机和4G应急通信设备组合升空，既可进行视频成像、移动目标捕获和跟踪，又能进行应急通信指挥。一旦出现发情况，公安部门可以迅速利用球上的4G应急通信进行指挥调度，处理险情，进而增加警察的应急反应能力，如图1所示。

2）可快速机动转场监控

系统机动灵活，对场地要求较低。能够根据需要，通过车载运输模式（如图2所示）机动至内城市内相关区域，迅速升空实现监控。

2 设计方案

2.1 系统组成

系统采用小型系留气球搭载球载摄像机和4G应急通信设备（如TD-LTE）升空，实现从空中对地面进行视频监控，并具备应急通信功能。

小型机动式系留气球系统包含小型系留气球、任务设备两大部分，如图3所示。

1）小型系留气球

小型系留气球由气球、系留缆绳、锚泊车和综合保障车组成。

气球的主要任务是携带任务设备升空，并进行长时间中系留，使之实现长时间、远距离的监控。气球主要由球体、电源设备、测控设备、压力调节设备和通信设备组成。

球体包含囊体、挂架、拉索等部件，如图4所示。囊体内部一般划分为氦气囊和空气囊，氦气囊充氦气，使浮力大于气球及系留缆绳的重力，使气球升空，空气囊充空气进行压力调节。

电源设备为球上用电设备提供电力。测控设备用于获取气球姿态和位置、气囊压力等信息，对球上供电、压力调节进行控制等。压力调节设备鼓进或排放空气囊的空气，对囊体内部的压力实时调节，从而维持球体的气动外形和一定的刚度，以及保护各气囊免受破坏。

通信设备实时传输气球信息和操作指令，传输球载摄像机的监控图像和操作指令。

系留缆绳的功能是实现气球的空中系留、电力传输和信息传输。系留缆绳内部包含抗拉纤维、供电电缆和单模光纤等，如图5所示。

锚泊车用于气球的升空、空中系留、回收及地面系留，包括平板车、锚泊平台两部分。气球系留时，平板车和锚泊平台分离；运输时，锚泊平台固定于平板车上，便于机动。锚泊平台安装有收放设备，用于控制系留缆绳的施放和回收，从而使气球升空和回收。

综合保障车提供氦气保障和供电保障。自带的氦气量可满足一次充气及充气后数月的补充。车上的发电机组可提供系统工作所需的用电。

2）任务设备

任务设备由球载摄像机、4G应急通信设备和地面显控车组成。其中球载摄像机、4G应急通信设备安装在氣球底部的设备挂架中。

球载摄像机包括可见光摄像机和红外摄像机，用于对地面进行视频成像和对地面移动目标的捕获、跟踪，如图6所示。白天采用可见光成像和跟踪，晚上或浓雾天气时则采用红外成像和跟踪，从而实现全天时的监控。球载摄像机具有焦距调节功能，短焦可观察监控区域较大范围内的动态图像，长焦可以远距离放大观察各重点出入口或突发事件的状态，能分辨地面车辆和人员，并捕获和跟踪。球载摄像机自带稳定系统，可对气球的俯仰、横滚及方位变化进行补偿。

4G应急通信设备用于地面显控车与现场人员之间的应急通信。可采用TD-LTE模式，由一体化基站和天线组成，如图7所示。该设备安装于球上，可有效地避免地面高楼的影响，扩大了通信距离。

地面显控车安装显控席位，用于球载摄像机下传监控图像的显示和地面监控人员对球载摄像机、4G应急通信设备的控制。

2.2 工作原理

系留气球是不带动力的浮空器[5-6]。气球在浮力的作用下可以携带球载摄像机和4G应急通信设备升空，并进行长时间系留，使之实现长时间、远距离的监控和应急通信。

在正常情况下，气球由锚泊车的收放设备控制系留缆绳的释放、在浮力的作用下逐渐升空。当到达预定高度，由系留缆绳牵引系留，可长时间保持在一定的高度[7]。这时，球载摄像机和4G应急通信设备开始执行任务。获取的图像通过系留缆绳的光纤传至地面显控车显示。当任务完成后，再回收气球至地面系留，进行维护，等待执行下一个任务。

当气球空中系留时，球载摄像机可从空中监视地面动态，如图8所示。处于空中的球载摄像机具有大视角、宽覆盖、观测距离远等特点，可为重点区域、重要目标的安全保卫提供及时的监控信息。白天，采用可见光摄像机成像和跟踪。晚上或浓雾天气时，可转换为红外摄像机成像和跟踪。在短焦大视场下，可对重点区域进行大面积的视频成像，实现大范围的巡检。如需要，可通过变焦转为小视场，对地面移动目标（如车或人员）进行捕获、跟踪。如发现异常情况，地面的监控人员可通过气球上的4G应急通信设备与现场处理人员进行应急通信，甚至指挥调度。

系留气球升空后，监控的视距和监控面积大幅度增加，如图所示，H为球载摄像机升空高度，R为监控半径，β为摄像机监控范围夹角。

监控视距L和监控面积S可以按以下公式计算：

系留气球搭载应急通讯设备可实现更远距离的无线通讯，其通讯距离主要受基站发射功率和地球曲率影响[8]。如不考虑发射功率过低对通讯距离的影响，仅考虑无线电波在大气中的衰减和地球曲率的影响因素，可推导出理论最大通讯距离。模型如图9所示，B点位地面架高基站（离地高度h），D点为对应地面上的位置，C点为气球平台升空后中继站位置（离地高度H），E点为中继站对应地面的位置，O点为地球圆心，R为理论最大通讯距离，Re为等效曲率半径。

式中H和h单位为m。

当B点为地面通讯终端时，h=0

2.3 性能参数

系统的主要性能参数如表1所示。

表1 性能参数

3 结束语

小型机动式系留气球系统机动灵活，其利用气球搭载球载摄像机和4G应急通信设备升空，既可实现从空中对地面的视频监控，又能进行应急通信。既能对地面进行远距离、大范围的成像，亦可对地面移动目标进行捕获和持续跟踪。相对地面视频监控，其具有独特的优势，可为公安部门应对恐怖袭击、群体性事件等突发情况提供重要的信息保障。

【参考文献】

[1]陈群祥.马鞍山市公共安全形势分析与对策研究[J].安徽冶金科技职业学院学报，2010，20（2）：96-101.

[2]封毅.论城市的公共安全与社会的和谐发展[J].北京：北京城市学院学报，2007，2.

[3]黄伟良，李琦.基于系留气球的空中视频监控在城市反恐中的应用研究[J].西安航空学院学报，2016，34（1）：50-54.

[4]程士军.一种用于视频监视的系留气球系统[J].科学技术与工程，2011，32（11）：7991-7994.

[5]单亚玲，刘耀宗.基于低空探测系留气球系统总体技术概述[J].长沙航空职业技术学院学报，2007，7（3）：51-54.

[6]颜标，吕永超，等.系留气球地面系留装置运动分析[J].电子机械工程，2007，23（3）：1-12.

[7]张志富，肖益军，等.系留气球空中系留系统研究[J].西安航空技术高等专科学校学报，2011，29（3）：12-14.

[8]徐绵起，等.不同海拔高度时雷达视距分析[J].舰船电子对抗.船舶重工集团公司第七二三研究所.2004，27（2）：18-19.

[责任编辑：田吉捷]