基于卫星通信的无人机海上目标监控应用

文 | 步晓婷 沈荣成 杨烟台

天津（滨海）人工智能创新中心

一、引言

随着海上贸易和航运业务的增长，对海上目标的监控需求越来越迫切。目前我国的海上目标监控手段以岸基系统为主，如VTS 系统和AIS 系统，主要覆盖内河和近海区域。远海执法执勤能力较弱，配备远洋作业能力的船只数量有限，存在巡视间隔长、应急反应不够敏捷的问题[1]。有人机器如飞机和直升机因受机动性及天气影响，也无法实现对广袤海域的全天候监控[2]。因此，当前监控手段很难实现对辽阔海域尤其是远海区域的全方位监测。为全面提升我国的海上目标监控能力，急需研发应用大范围、长航时、高机动性、便捷的新型海上目标监控手段。

目前国外近期研制的中远程无人机系统，普遍采用地球静止轨道通信卫星作为空中中继平台，构成卫星中继数据链，转发无人机的遥控指令和图像／遥测信息，充分利用卫星波束的有效覆盖范围，实现无人机的超视距测控和信息传输[3]。同时，无人机可根据监控需要设计驾驶舱和挂载相应功能系统，实现对目标海域的自动全天候监测巡航。相比有人设备，其作业成本低廉，执行任务不受人的体力限制；与固定监控不同，可实现海域的立体化监测；与船舶相比，无人机作业范围广，响应时间快[4]。无人机可搭载各类高端传感设备，获取海域图像、视频等数据，传输到指挥中心进行分析，对异常情况做出快速响应[5]。因此，基于卫星通信的无人机作为新型海上目标监控手段，是实现海上目标广域覆盖和长距离通信的重要选择[6-7]。

二、基于卫星通信的无人机海上目标监控系统建设

基于卫星通信的无人机海上目标监控系统包括三个关键组成部分：无人机主体系统、任务载荷以及海上目标监控系统。其中，无人机主体系统可进一步分为三个要素：无人机飞行平台分系统、卫星通信传输分系统、综合保障分系统。任务载荷包括光电侦查、卫星通信中继、定向扩音、应急抛投等设备。具体如图1 所示。

图1 基于卫星通信的无人机海上目标监控系统整体架构

为了全面、高效地执行海上目标监控任务，需要制定系统配置和布局方案，以在确保系统的安全和可靠性的前提下，最大程度地发挥无人机作用。以下是系统配置方案：

1.无人机主体系统

（1）无人机飞行平台分系统

配置两架无人直升机飞行平台，这两架飞行平台可作为备机，以备其中一架因故无法工作，另一架可以迅速更换适当的任务载荷，继续执行相关的海上目标监控任务。

（2）卫星通信传输分系统

该分系统主要由无人机机载终端设备和卫星地面站组成。

无人机机载卫星终端设备采用基于海事卫星网络的无人机机载卫星终端AVIATOR UAV 200，重量仅1.45kg，使用海事卫星四代星网络服务，网络传输带宽高达200kbit/s，可实时与无人机系统进行通信与控制，适合无人机实时视频监控等应用。该设备具有全球覆盖保障超视距通信、可靠的通信连接降低航行风险、实现飞行器实时诊断、监控和指挥控制、飞行器位置跟踪、提供传感器数据传输信道、实时视频/ 图片数据回传、通过加密实现安全指令和控制通信、通信设备重量减小可增加有效载荷等优势。该设备具体外形如图2 所示。

图2 无人机机载卫星终端AVIATOR UAV 200

卫星地面站使用国际海事卫星在中国合法运营商拥有的地面站，可直接利用现有网络，购买终端便可使用，并且可随时组网使用。

（3）综合保障分系统

该分系统包括一套综合保障设备，用于支持平台系统和任务系统的装载、测试、转场等保障工作。这一系统配置方案将确保系统能够全面、高效地执行海上目标监控任务，同时提高了系统的可靠性和作业效率。

2.任务载荷

任务载荷分系统涵盖了多项关键设备，包括卫星通信中继设备、光电吊舱、定向扩音设备以及应急抛投设备等。

（1）卫星通信中继设备

卫星通信中继设备用于地面和无人机间透明双向业务信息传输，在一定的频率点、带宽范围、收发功率电平、抗干扰能力和处理能力的情况下，只要卫星保障通信带宽，就可以实现地面控制站与无人机之间的点到点通信方式。

（2）光电取证设备

光电取证设备是作为任务载荷的基本配置之一，其主要应用领域包括重要通航水域的日常海事巡航、水上目标的搜索、跟踪、观测和记录，以及监控活动现场情况，用于水上溢油的监视和监测，以及支持对违法排污的取证调查。

（3）定向扩音设备

定向扩音设备主要用于重大活动现场或在巡航任务中，针对违法和违规行为的船舶进行现场广播、喊话沟通，以及提供警示作用。

（4）应急抛投设备

应急抛投设备用于快速轻便地投放救生应急物资，以满足应急情况下的救援需求。

这些任务载荷设备共同构成了一个多功能的系统，用于支持无人机海上目标监控任务的各种需求，包括监测、通信、搜索、救援和应急响应等。

3.无人机海上目标监控系统

岸基无人机海上目标监控系统，用于海上目标监控信息的处理、传输和显示。

三、关键技术

本文使用的关键技术包括异构网络通信及信源加密，可以有效地降低传输时延，保护飞行数据的安全性。

1.异构网络通信

为了降低传输时延，系统采用了将卫星链路与区域组网融合为异构网络的通信模式，通过网关路由配置，实现协议栈网络层数据包的快速传递[8]。下面以返向遥测的通信流程为例，相应的流程如图3 所示。

图3 返向遥测的通信流程图

从节点发起返向通信：返向遥测的通信流程始于从节点发起返向通信请求。

主节点配置默认网关：主节点接收到从节点的请求后，配置默认网关，建立主从通道。

主节点请求卫星通信网关：主节点向卫星通信网关发送请求，获取卫星通信路由信息和地址转换服务。

建立机-地内部网络通道：主节点通过卫星通信网关建立机-地内部网络通道，确保数据传输的可靠性和稳定性。

返向遥测数据处理：在主从节点之间，返向遥测数据经过编码调制与解调译码过程，以保证数据的完整性和准确性。

数据推送至卫星编码调制单元：处理后的返向遥测数据被推送至卫星编码调制单元，进行滤波、上变频、功率放大等信号处理过程。

信号发送上星：经过信号处理后，数据由动中通天线发送上行，经过卫星的变频转发。

卫星信号处理：卫星接收到上行信号后，在信关站进行接收、解调、译码的基带数据还原。

数据传输与转发：根据数据中心的路由配置信息，基带数据可以进行公网业务传输或者二次上行转发。

地面指控中心数据接收与解析：最终，地面指控中心获取协议栈IP 包并解析网络数据，从中提取出从节点的遥测数据。

通过异构网络通信流程，可以实现卫星通信系统中返向遥测数据的快速传输和处理。这种通信模式将卫星链路与区域组网相融合，通过网关路由配置，实现了协议栈网络层数据包的高效传递，能够有效降低传输时延，为无人机海上目标实时监控和数据收集提供了可靠的解决方案。

2.信源加密

在卫星通信领域，为了应对无线信号被捕获和破译的风险，特别是在卫星通信与公网传输中，飞行数据容易面临外泄的风险，系统采用了在信号编码调制之前增加信源加密的措施[8]。系统方案采用了高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法作为信源加密方式，基于复杂密码反馈（Cipher FeedBack，CFB）或输出反馈（Output FeedBack，OFB）流处理工作模式，初始向量为128bit，密钥为256bit，秒位因需调整。在单帧数据加密过程中，使用本地真随机数据与密钥库地址进行配对。同时，更新协议帧密钥区的地址信息，以确保解密端能够正确匹配密钥并保障信息安全。

通过以上流程，可以在卫星通信系统中实现信源加密，保护飞行数据的安全性。采用高级加密标准算法以及复杂密码反馈或输出反馈流处理工作模式，结合真随机数据和密钥库地址的配对，确保协议帧数据的加密和解密过程安全可靠。该系统方案能够有效应对无线信号被捕获和破译的风险，保护卫星通信系统中的敏感数据不被外泄。

四、基于卫星通信的无人机海上目标监控的具体应用

基于卫星通信的无人机海上目标监控具体应用，以无人机的操作流程为例，并设计了海上目标监控系统，可实现无人机位置、海上目标位置等关键信息在电子地图上的图形化显示，以便用户直观监控。

1.无人机操作步骤

以海上目标监控的具体操作流程为例，详细步骤如下：

1）接到任务后，无人机系统在基地展开，挂载卫星通信中继设备、光电吊舱、应急投放、机载AIS 设备以及机载VHF 设备，加注燃油，以满足4h 以上航时要求；

2）利用基地的固定通信与指挥基站，控制无人机垂直起飞；

3）转入斜爬升飞行状态，巡航高度为2000m；

4）进入巡航高度后，以120km/h 的巡航速度按预定航线进入最远至150km 处的任务海域；

5）无人机以72km/h 的速度对航道、水道、港地、锚地等监控水域开展观测、识别记录；

6）基地通过公网将信息发送至指挥中心；

7）指挥中心可通过基地授权，接管卫星通信中继、光电吊舱、VHF 等设备，进行现场监控；

8）完成海上目标监控任务后，无人机返航。

基于卫星通信的无人机海上目标监控流程图见图4。

图4 基于卫星通信的无人机海上目标监控流程图

2.无人机海上目标监控系统功能实现

（1）软件系统架构设计

本文设计的无人机海上目标监控系统由系统后台和用户前端两部分组成。系统后台主要完成图像视频采集、传输和处理等功能。具体来说，系统利用安装在无人机上的机载摄像机及云台系统获取现场海上目标图像视频，然后通过图像传输模块将图像视频回传到岸基站，经过视频处理卡的数据压缩和格式转换后送入系统后台。同时，通过数据传输模块，后台能够实时获取无人机的姿态、镜头俯仰角和定位信息等数据。用户前端通过解码无人机位置信息，结合机载云台姿态和镜头俯仰角参数，借助海上目标识别算法，实现无人机位置、海上目标位置等关键信息在电子地图上的图形化显示，以便用户直观监控。

（2）无人机海上目标监控

针对已分类标注的图像，本系统采用人工特征提取的方式建立目标特征库。主要提取以下关键目标特征：

1）船舶颜色：提取图像中船舶主要涂装颜色，包括黑色、白色、蓝色、红色、绿色等显著颜色作为特征。

2）船舶尺寸：提取图像中船舶目标的大小信息，宽高大于100 像素×50 像素的船舶目标较易提取和识别。

3）人形特征：提取图像中人形轮廓特征，高度大于45 像素、宽度大于80 像素的人形特征较为明显，有利于识别。

4）航标特征：提取图像中航标的视觉特征，高度和宽度大于45 像素×80 像素的航标图像效果较好。

通过在渤海和黄海海域的示范应用可以看出（图5），该无人机系统能够有效实现对海域遇险人员的快速定位和识别，有助于减少生命损失。

图5 无人机海上目标判别

五、总结与展望

基于卫星通信的无人机海上目标监控系统可实现对海域环境、交通流、异常情况的全方位动态监控，具有监控范围广、反应迅速、运作成本低、通信时延低、数据传输速率快、信源加密高等优势，将大幅提高海上目标监控的效率和准确性，为海上安全和航运业务提供更好的支持和保障。基于卫星通信的无人机海上目标监控应用将成为未来海洋监测和海上安全领域的重要发展方向。

然而，要发挥基于卫星通信的无人机海上目标监控系统的最大效用，仍需持续优化完善。一方面，应向着增大通信卫星天线增益、减小用户航天器链路负担等方向发展，满足信息传输速率和传输带宽需求。另一方面，应加强对海量异构监控数据的融合处理，构建统一的分析决策平台，实现多源数据的关联分析。只有系统化地提升数据处理和应用能力，才能释放基于卫星通信的无人机监控系统的最大潜力，最终实现立体、动态、智能化的海上目标监控。