固定翼特种飞机火场侦察系统的设计

宋在杰 白银刚 唐健仁 张 莉

（中电科芜湖钻石飞机制造有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

近年来，随着气候变暖和极端天气增多，森林火场形势极其严峻，尤其是森林防火工作更是森林管理工作的重中之重[1]。同时，由于森林面积大，林木可燃物多，林区地形复杂等不确定因素的影响，即时有效的高质量火场侦察信息一方面可以辅助应急部门决策者进行正确的人员与物资的调配，另一方面，还可以使火场前线的消防人员进行更为安全且高效的林火扑灭操作[2]。

针对火场侦察信息的获取，传统的地面火场侦察，主要通过人的视线或者安装摄像头等传统的手段，考虑到森林地形复杂与人员分布不均等因素，不能准确提供大范围火场侦察信息；卫星遥感火场侦察，卫星遥感数据上传的实时性较差，大火时不能满足实际使用需求；无人机火场侦察，面对大面积的森林着火，无人机的可靠性大大降低，同时对于多个无人机火场侦察系统的开发也较为复杂[3]。

在森林火场侦察的应用中，有人机通常分为固定翼有人机与旋翼有人机。固定翼有人机具有飞行速度快、续航时间长、远距离飞行和载荷能力强等特点，在中、远距离范围侦察作业中有着优异的表现；旋翼有人机多为直升机，可以实现定点悬停，但是直升机多用于救火，其续航能力差，飞行距离短，适用于小范围区域火场救援。在环境复杂、区域面积大的森林防火任务中，固定翼飞机更适合长远距离的侦察任务，其次固定翼有人机可实现信息实时传送。

该文针对目前火场侦察研究中存在的不足，基于固定翼特种飞机的平台特性，提出了固定翼飞机加改装的火场侦察系统飞机，通过飞机平台加装光电吊舱，利用卫星通信传输手段建立的火场侦察系统，实现飞机与火场前指之间指挥调度，火场视频图像等信息实时回传，确保火场情况实时上报，确保指挥决策科学有效，对于类似的森林火场侦察项目的实施具有一定的参考价值。

1 固定翼特种飞机平台性能

固定翼特种飞机是碳纤维和玻璃纤维结构的双引擎特种飞机，最多可搭载4名机组人员。固定翼特种飞机由2台高效的Austro Engine AE300煤油发动机提供动力，可实现特殊设备和传感器系统的安装，用于航空测绘、侦察巡逻和地理空间调查等任务。碳纤维和玻璃纤维机身可确保最佳的空气动力学性能，确保飞行机组人员最高的飞行安全性。集成的Garmin G1000航空电子设备为飞行机组人员提供最佳的态势感知能力和安全的飞行操作。特殊的材质和多功能挂载使固定翼成为最适合和最多的经过任务验证的特殊任务平台。固定翼特种飞机的参数见表1。

表1 固定翼特种飞机参数

固定翼特种飞机是一款双引擎多用途特种飞机，在飞机的机头、机腹和机背处可以加装各类机载设备及传感器系统。机头可提供共2种类型的吊舱，机腹可提供4种类型的吊舱，机背可提供1种类型的吊舱，具体吊舱的技术参数详见表2。以上7种吊舱都已取得欧洲航空安全局（EASA）和中国民用航空局（CAAC）认证，并且7种吊舱组合的固定翼飞机任务构型都已取得CAAC颁发的型号认可证（VTC），不需要重新进行适航认证。

表2 固定翼特种飞机吊舱参数

2 火场侦察系统设计

结合该课题火场侦察系统研究的特点及实验平台和场地的限制，该次火场侦察系统的改装飞机将利用固定翼特种飞机进行。

图1 基于固定翼特种飞机的火场侦察系统

2.1 火场侦察系统原理

图1为一典型的基于固定翼飞机平台的火场侦察系统原理图。其中固定翼特种飞机搭载光电吊舱进行图像或视频采集，任务管理计算机能够进行本地实时的图像或视频检测，卫通通信系统负责接收任务管理计算机的数据，并把数据或语音传输给通信卫星[4]，通信卫星作为地面卫星站和卫通系统的中间传递站，地面指挥与显示系统收到飞机实时传输的图像与位置信息后对森林火情进行侦测与诊断，同时地面指挥可对有人机发送操作指令。该系统利用固定翼飞机平台搭载火场侦察系统能实时进行火场侦察，基于通信卫星的传输，为森林火场侦察提供更可靠的保障。

该飞行平台选择固定翼特种飞机，能满足系统实验飞行要求。光电系统主要采用光电吊舱进行红外成像、高清可见光成像、红外伪彩色图像、定位以及测温等。卫星通信系统由卫星主站与终端小站组成，卫星主站是全网的控制、管理、指挥中心，可实现飞机与地面数据网互连，支持动中通的终端小站加载在飞机上，实现数据与视频业务传输，支持飞机编队的飞行测控及指挥，可实现在中国海域巡逻数据回传。显控系统主要功能是实现多任务载荷设备的接入、管理、存储、显控和数据传输等功能。以上功能满足火场侦察系统要求，也有利于森林防火中对于火场情况和火场救援时间的精度把握。

2.2 火场侦察系统的总体布局

森林火场侦察系统要求能够对森林火灾范围及位置进行检测，同时能够进行火情侦测、超视距通信、自主的路径巡航。利用通用机头吊舱将光电吊舱安装在固定翼特种飞机机头位置；将卫星通信系统安装在固定翼特种飞机机背位置；其他一些设备主要集中在固定翼特种飞机后行李舱内。

通过对固定翼特种飞机火场侦察系统的初步构建，对火场侦察系统进行了合理的总体布局。总体布局是指根据固定翼特种飞机平台的总体特征，考虑加装设备的功能和技术要求，通过总体设计，科学合理地选择加装设备的位置。在完成了固定翼特种飞机火场侦察系统的初步构建和总体布局后，固定翼特种飞机火场侦察系统已初步具有森林火场侦察的功能。总体布局如图2所示。

2.3 火场侦察系统的功能及性能参数

固定翼特种飞机火场侦察系统加装的多功能光电吊舱、卫星通信和任务管理计算机设备，实现了对森林火灾预警、森林着火点定位的侦察监控功能。其主要功能如下：1）对森林着火点目标具有大范围、长时间的锁定、跟踪功能。2）具有红外、高清可见光成像探测功能，对着火点进行定位和识别。3）实现现目标视频单向回传和数据双向通信，支持视频、音频、图像和数据传输等功能。4）具有着火点红外测温功能。5）具有着火面积区域大小测算功能。6）实现目标信息的实时处理、分析和存储。

图2 总体设计布局

根据固定翼特种飞机平台的特点及加装的多功能光电吊舱、卫星通信和任务管理计算机设备的性能，固定翼特种飞机火场侦察系统的主要性能参数见表3。

3 火场侦察系统的应用

利用固定翼特种平台加装光电吊舱、卫星通信系统和任务管理计算机等机载设备，实现了火场侦察特种飞机系统。此次加装的设备均在固定翼特种飞机构型允许范围内，符合中国民航适航要求，同时，该火场侦察系统可应用到类似的中小型飞机平台上[5]，实现所需要的功能。基于固定翼特种平台加装的光电吊舱、卫通天线以及任务管理计算机设备的火场侦察特种飞机系统如图3所示。

基于固定翼特种飞行平台实现的火场侦察特种飞机系统，选择合适的飞行区域和航线，试验阶段主用利用本场区域的林场作为试飞对象，对系统进行飞行试验验证，通过对地面目标的跟踪、侦察、定位以及实时成像等功能进行测试，试飞结果证明固定翼特种飞机火场侦察系统的设计满足森林防火的使用要求。

图3 火场侦察特种飞机系统实物

图4是固定翼飞机飞行高度600 m，飞行速度200 km/h时光电吊舱利用可见光进行林场巡查的实时图片。图片中可以清楚的看到林场上方的信息，如有火情发生或者着火点，光电吊舱可以实时观测和精准定位，便于火情决策和火灾救援。

图4 光电吊舱可见光图片

图5是固定翼飞机飞行高度1 000 m，飞行速度180 km/h时光电吊舱利用红外进行林场巡查的实时伪彩图片。图片中可以清楚地看到林场区域的温度信息，根据伪彩图片可以实时的观测到着火区域信息，便于火场信息的实时掌控。

通过固定翼特种飞机火场侦察系统的飞行试验研究成果可以看出，基于固定翼特种飞机集成火场侦察系统，不仅可以完成森林或林场的巡查和监视，还可以利用平台特性更换其他机载任务设备完成地理测绘、航空摄影、海洋巡查等任务。

4 结语

该文利用固定翼特种平台进行了森林火场侦察系统的改装，通过介绍森林防火的重要性和火场侦察信息获取的现状，构建了火场侦察系统用于森林防火、林场巡查和灾后评估等场景。通过对固定翼特种飞机平台基本性能和加改装能力的介绍，选取火场侦察设备集成到飞机平台上使其具备火场定位、测温、面积估算等功能，试飞验证的结果显示固定翼特种飞机火场侦察系统具有完成森林防火、林场巡查和灾后评估等功能。

图5 光电吊舱红外伪彩图片