航空护林火场侦察信息传输系统研究与应用

顾海超 李乃瑞

摘  要：航空护林火场侦察信息传输系统可实时显示当前时间、方向、飞机位置、目标位置等信息，在发现火情的第一时间迅速将高清的火场视频图像、红外图像、伪彩图像和火场位置等关键信息传输到各级指挥部门，同时还可实现指挥部门与机上操作员的通话，以便及时、有效组织开展森林防火扑救工作，确保森林火灾“打早、打小、打了”，有利于准确发现火点，迅速组织人员灭火，可以最大限度地减少森林火灾发生和灾害损失。

关键词：航空护林;信息传输系统;L波段;单载波频域均衡;正交频分复用;光电吊舱

中图分类号：TN912.11;S776.29      文献标识码：A 文章编号：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

中航空管系统装备有限公司以构建新型空域管理模式、保障航空飞行安全和空域高效运行为目标，在空域综合管理、航空运营与信息保障、空管设备研制三大业务领域为行业客户提供专业化系统解决方案、产品和服务。公司根据用户需求，系统性地解决用户痛点，该项目研发的航空护林火场侦察信息传输系统依托卫星、运-5运输机、指挥中心和选址的基站建设位置既有基础设施等平台资源，通过安装部署机载预警监测图像采集系统、空地音视频传输系统、地面可视化指挥应用软件系统等，为森林防火应用构建高效的扁平化航空护林信息指挥体系，以极大提升航空护林任务的空地信息互通、协调联动和可视化指挥调度能力，本文通过示范应用系统的建设和测试验证了方案的可行性。

1  系统简介

1.1  系统架构

火场图像传输指挥系统1套，按功能分为机载预警监测图像采集系统、空地音视频传输系统、地面指挥应用系统三部分。机载设备载体是运-5运输机，全系统建设内容需包含机载预警监测图像采集系统2套，空地音视频传输系统中的机载分系统2套，地面基站分系统14套，地面便携分系统12套，地面指挥应用系统1套，如图1所示。

2  系统设计

2.1  系统原理

航空护林火场侦察信息传输系统以运-5运输机为平台，利用森林防火机载预警监测图像采集系统在空中对林区进行侦察，在实时存储视频图像（可见光/红外/伪彩）的同时，操作员在飞机上对吊舱进行操作，实現对巡护区域的侦察、搜索、观察、定位等功能。

森林防火空地音视频传输系统采用单载波频域均衡（SC-FDE）技术，工作在L波段，为双频段设计，通过1.4 GHz同频多基站组网技术，构建起空地一体的1.4 GHz通信专网。飞机平台既可实时接入实现空地互联，又可采用1.4 GHz链路实现对地面便携式分系统的中继通信，实现指挥中心—飞机—地面指挥车的三方互联互通。

森林防火地面指挥应用系统主要由指挥中心服务器、工作站主机显示器和应用层软件构成。其中，可视化指挥调度应用软件定制开发，以符合森林防火指挥流程和满足使用习惯为目的，采用C/S+B/S混合架构，部署在工作站主机，提供的服务包括数据服务、可靠通信服务、存储检索服务、网络管理服务、定位授时服务、指挥调度服务和GIS服务。

基站远程网络管理软件定制开发，以满足用户使用习惯，采用C/S架构，部署在工作站主机，由系统配置工具和通信管理软件组成，其中系统配置工具实现对核心网数据库的配置和管理，包括链路配置模块、信道配置模块、基站簇配置模块、基站配置模块、终端配置模块和设备配置模块;通信管理软件实现对网络状态的监控，包括无线网络链路管理模块、基站管理模块和终端管理模块。

2.2  应用场景设计

结合森林防火实际情况，挑选两架运-5运输机加装森林防火机载预警监测图像采集系统，两架飞机搭载的两套机载设备既可以独立工作，也可以协同作业;另外两套机载设备还可以互为备份，又可以在发生多地多点火情的情况下同时工作。

机载预警监测图像采集系统由操控台（集成记录仪）和光电吊舱组成。将光电吊舱安装于运-5运输机机腹下方，运-5运输机执行航空护林任务时，操作员利用其可见光相机、红外热像仪进行对林区的侦察探测，以采集获取高清可见光、红外与伪彩视频图像。

同时，在加改装机载预警监测图像采集系统的两架飞机上分别加装空地音视频传输系统机载分系统，共2套机载分系统;在14个地面基站位置处分别配备地面组网基站分系统，共14套地面组网基站分系统;另外给地区森林防火指揮部、地面指挥车配备地面便携式分系统，共12套地面便携式分系统，方便在无网络通信的情况下，火场前线指挥实时接收图像信息并及时下达灭火任务。

在日常空中巡逻时，由机上操作员操控手柄（集成于操作台）进行林区侦察，在机上操作台显示器进行实时观察（可全程录像）。同时用可见光和红外功能监测飞行区域，一旦发现火情，飞机围绕着火地点进行环绕飞行。光电吊舱锁定目标区域进行自动跟踪，并将现场的火情态势等信息通过空地音视频传输系统实时传输到各地指挥中心与前线指挥所，以辅助地面指挥人员进行打火方案的决策。

各地面组网基站分系统构建起同频组网系统（微波专网），并通过地区防火专网互联，可实现全区的图像共享，即任意地面基站收到的图像都可以通过可视化指挥调度应用软件在全区范围内调阅，以确保上下信息畅通，一旦发生火情，能够迅速出击，实现“打早、打小、打了”。

地面便携式分系统可通过空地1.4 GHz链路与飞机平台实现图像传输和双向语音对讲，同时，可通过飞机平台实现地面便携式分系统与地面组网基站分系统的语音互通。可车载固定使用也可野外单兵便携使用，用于火场前线指挥辅助决策。

2.3  系统交联关系设计

系统空间上分为机载部分与地面部分。机载部分包括机载预警监测图像采集系统与空地音视频传输系统的机载分系统;地面部分包括空地音视频传输系统中的地面组网基站分系统、地面便携式分系统和地面指挥应用系统。

3  关键技术

3.1  嵌入式软件实现技术

从用户使用角度来看，本软件涉及的业务数据：通用IP数据流、遥测遥控串口数据流、控制命令/应答数据流、复接数据流。从设计角度来看，本软件还涉及的内部数据：中转IP流、命令/应答包、命令/应答消息、帧数据、包数据等。

软件采用多线程设计，这样不仅使得软件结构清晰，也便于对数据流进行裁剪，另外也有利于模块化，譬如命令处理线程包括在命令处理模块中等等;线程间通信方面可以采用Linux内核提供的机制。多线程设计框图如图2所示。

3.2  多基站组网和在重叠区的抗干扰技术

为了提高频谱利用率，全网所有无线接入设备采用同频组网，如图3所示。一个基站组网最多可以支持10个基站，在开阔地一般3基站可满足使用需求。以3基站为例，按照图4中方法，沿3个基站相邻的3个边平推进行扩展，即可完成蜂窝覆盖。

4  系统仿真

4.1  基站选址方法

根据能够架设基站的地点进行分区、分组，在各个区域内筛选较优的位置，约留30个基站，根据每个基站的覆盖范围进行进一步的比较分析，拟选出3个综合性方案，然后比较这几个方案的覆盖率，得出14个站点的位置。根据拟采用的14个基站位置，进行更详细的覆盖仿真计算，包括各个基站的位置分布和距离分析、各个基站在飞机不同高度条件下的覆盖范围、整体覆盖范围等。

通过查看基站间的距离和剖面，能够分析各基站间的地形情况;根据地形和距离的关系，能够简单验证选址是否合理;根据相邻基站的距离和信号关系，能够确定相邻小区的最大数量，为解决自干扰问题提供依据。相邻基站之间的距离关系图如图5所示。

4.2  仿真参数说明

根据基站位置及条件进行仿真计算，使用的仿真软件是Global Mapper v14.1.0，仿真参数设置如下：（1）系统工作频率：1 430 MHz～1 444 MHz、1 325 MHz～1 375 MHz;

（2）发射功率：20 W;（3）接收灵敏度：-97 dBm;（4）地面天线增益：8.0 dBi;（5）地面天线高度：10米～20米;（6）机载天线增益：2.5 dBi;（7）飞机飞行高度：800米（起飞阶段）、1 200米（任务阶段）、2 000米（巡航阶段）。

由于无线信号的传输特性，实际无线通信传输过程中除与距离和遮挡关系密切的慢衰落外，还存在时变的快衰落，导致接收电平在不断波动，因此一般在应用时均会考虑一定接收裕量，根据实测视频传输的应用经验，裕量在0 dB～ 5 dB时，经常会有丢包现象;裕量在5 dB～10 dB时，偶尔会有丢包，对于要求不高或可以重传的场合，已经可以接受;裕量大于10 dB时，基本不丢包。

4.3  仿真结果

飞机起飞时在机场附近飞行高度较低，按800米高度计算仿真，14个基站覆盖情况如图6所示。

飞机作业时，为保证所拍摄视频的清晰度，飞行高度不能太高，按1 200米海拔高度进行仿真计算，14个基站的覆盖情况如图7所示。

由于地形情况限制，在部分地区信号可能会被遮挡，为保证通信效果，可以适当提高飞行高度，按2 000米高度进行仿真，14个基站的覆盖情况如图8所示。

5  结  论

综上所述，通过合理开展仿真、计算和分析，从上面的各个高度仿真情况来看，在800米高度时，完全可滿足机场、基站附近的通信要求;在1 200米高度时，可完成大部分区域的通信覆盖;部分区域被山体遮挡不能通信时，飞机提升到2 000米高度可基本满足全区覆盖要求。后续也可根据用户的具体要求，结合当地的基础设施条件和实际飞行测试情况，做进一步的基站选址调整和优化。

航空护林火场侦察信息传输系统是针对我国森林防火相关用户对航空护林指挥调度的需求，研制开发的具有自主知识产权的航空护林火场侦察信息传输系统。系统可完成对巡护区域火情的搜索、观察、定位等功能，为我国航空森林防火应用提供了重要的基础设施和技术保障。

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作者简介：顾海超（1987.09—），男，汉族，江苏常州人，工程师，硕士研究生，研究方向：微波通信、导航定位;李乃瑞（1989.06—），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，工程师，硕士研究生，研究方向：微波通信、数字信号处理。