王子丞

（鄭州市第一中學，鄭州 450000）

1 研究背景

1.1 現(xiàn)階段地震救援問題的概況

近年來，國內(nèi)外發(fā)生了一系列的重大地震災害，如2016年印尼的6.8級地震和2014年發(fā)生在我國新疆于田的7.3級地震[1]等等，都造成巨大的人民和財產(chǎn)損失。在救援設備較為完善的當下，如何迅速展開展高質(zhì)量的搜救工作是減少人員及財產(chǎn)損失的重中之重，然而解決這個問題面臨著一些困難。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，雖然無人機技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，民用無人機也發(fā)展迅速，但是國內(nèi)無人機在地震救援中的應用還比較基礎。主要是令無人機通過微型無人機遙感系統(tǒng)，依靠無線電遙控系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，進行直觀、準確的圖像和數(shù)據(jù)信息采集。微型無人機遙感系統(tǒng)就曾在“5.12”汶川大地震中得到了實踐應用。而歐美等國由于近年來地震災害很少發(fā)生，對地震救災中無人機應用的研究不夠重視。

為此，筆者基于北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)嘗試開發(fā)了無人機地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)，以實現(xiàn)地震時對無人機的有效快速的指揮調(diào)度，迅速高效地展開地震搜救工作，減少人員及財產(chǎn)損失。

2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

2.1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是我國第一代區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是世界上第三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可以提供全國范圍內(nèi)的衛(wèi)星定位。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具有短報文通信能力，已在個人位置服務、交通運輸、氣象和地質(zhì)災害、應急救援等民用領域得到廣泛應用。就性能而言，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)目前在覆蓋范圍、定位和授時精度等方面與美國的GPS還存在差距。但北斗衛(wèi)星具有定位和通信雙重作用，其特有的短報文通信功能是GPS所不具備的。

2.2 北斗衛(wèi)星通信的工作方式

北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)主要包括空間衛(wèi)星、地面站和用戶終端三個部分，地面站則分為地面中心站和地面網(wǎng)管中心（圖1）。北斗系統(tǒng)具有點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，依靠數(shù)據(jù)包的形式來傳輸數(shù)據(jù)報告，一次最多可發(fā)送210個字節(jié)，即用戶可以發(fā)送100bytes信息。發(fā)送信息首先依靠數(shù)傳終端采用碼分多址直接擴頻序列調(diào)制（即CDMA方式），再依靠擴頻偽碼使用周期偽隨機序列，實現(xiàn)以L波段的發(fā)送頻率發(fā)送到衛(wèi)星，然后經(jīng)過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段，傳送至地面中心站，經(jīng)處理后發(fā)送給地面網(wǎng)管中心。地面網(wǎng)管中心經(jīng)解密和再加密后，發(fā)回給地面中心站，之后經(jīng)過處理再次發(fā)送回衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換形成S波段廣播傳送給測站終端和指揮終端，解調(diào)解密出站電文，完成一次點對點通信。主要通信技術(shù)指標：人站信道（L波段）傳輸速率15.625 kbps，出站信道（S波段）傳輸速率31-25 kbps，系統(tǒng)誤碼率1×10-7。

3 無人機地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)構(gòu)成與工作流程

該系統(tǒng)整體上由通信和定位衛(wèi)星、地面調(diào)度指揮中心、無人機載用戶終端、搜救中心四部分組成。見圖1。

3.1 通信和定位衛(wèi)星

（1）定位功能：獲取無人機的實時位置信息；獲取現(xiàn)場熱成像圖等圖像信息；將可能存在幸存者的準確的經(jīng)緯度位置坐標發(fā)送給地面中心。（2）導航功能：發(fā)送航線信息給無人機，確定并實時更新無人機巡行路線。（3）通信功能：可將信息在無人機終端和衛(wèi)星地面站之間實現(xiàn)信息快速傳遞，特有的短報文通信可在震區(qū)無信號覆蓋時進行信息傳遞。（4）授時功能：確定位置信息、圖像信息的具體時間，及反饋無人機飛行時長。

圖1 北斗衛(wèi)星通信示意

3.2 地面調(diào)度指揮中心

3.2.1 衛(wèi)星地面站

衛(wèi)星地面站即衛(wèi)星地面站網(wǎng)管中心，作為衛(wèi)星通信的地面接續(xù)控制網(wǎng)關，主要負責建立起陸地上網(wǎng)絡用戶與北斗系統(tǒng)用戶終端之間或北斗系統(tǒng)用戶終端互相之間的通信鏈路；處理用戶之間的雙向通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給調(diào)度控制臺。提供多種接入方式與陸地公眾電信網(wǎng)絡相連接，如DDN、Internet、PSTN、GSM等。

3.2.2 調(diào)度控制臺

調(diào)度指揮臺是人工對無人機進行調(diào)度指揮、對搜救中心下達指令的控制臺。

調(diào)度指揮臺以百度地圖API為地圖引擎。電腦先將無人機通過北斗系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的位置信息、圖像信息等結(jié)合到地圖上。然后管理員對信息進行人工處理和分析，通過DNN、Internet等通信技術(shù)，下達具體搜救任務給搜救中心，并發(fā)送現(xiàn)場圖像信息和幸存者位置坐標信息。并且管理員可以通過大屏幕觀察到所有無人機的巡行路線和飛行狀態(tài)，有權(quán)劃定或更改無人機航線。

在震區(qū)信號暢通時，管理員通過DNN、Internet等通信技術(shù)，發(fā)送無人機調(diào)度指令到機庫端。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫負責記錄、更新和存儲信息。

數(shù)據(jù)庫能實時記錄、更新和儲存所有位置信息和圖像信息。調(diào)度指揮信息，并且在其他日常通信信息在上行發(fā)往衛(wèi)星地面站網(wǎng)管中心的同時，也被服務器自動記錄存儲在相應的日志中。數(shù)據(jù)庫可響應調(diào)度指揮臺對無人機位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像信息的查詢，并顯示在地圖上，同時支持外部用戶（其它分中心）對信息的請求響應。

數(shù)據(jù)庫為指令下達提供了信息數(shù)據(jù)參考，為地震救援提供了數(shù)據(jù)支持，增強了指令的正確性和調(diào)度指揮的實時性。

3.2.4 通信服務器

通信服務器負責對通信數(shù)據(jù)交換處理和對通信鏈路的建立和維護。

通信服務器可以對網(wǎng)管中心之間的上行、下行通信數(shù)據(jù)進行交換和處理，對由網(wǎng)管中心下行的無人機位數(shù)據(jù)、幸存者位置信息、現(xiàn)場圖像信息、報警信息以及其它常規(guī)信息進行分發(fā)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為調(diào)度控制臺內(nèi)部服務器可以交換處理的數(shù)據(jù)形式；并將調(diào)度指揮臺要上行發(fā)送到網(wǎng)管中心的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星通信系統(tǒng)可處理的數(shù)據(jù)信號格式。

3.2.5 機庫端

機庫端是無人機的停放平臺和無人機操控中心站。

機庫端負責閑時停放無人機和救災時對無人機的操控，直接聽從調(diào)度指揮中心的指令。機庫端由機庫管理員所控制，通過DNN、Internet等通信技術(shù)接受指揮調(diào)度臺的調(diào)度指令，根據(jù)調(diào)度指令對無人機進行選項配置后，通過DNN、Internet、GSM等通信技術(shù)手段發(fā)出無人機調(diào)度指令，確定或更改無人機航線，或控制無人機起飛執(zhí)行任務。

3.3 無人機載用戶終端

無人機載用戶終端主要起到通信作用和定位作用。

無人機執(zhí)行巡行任務，搜查地震受災現(xiàn)場，通過機載紅外熱成像儀獲取現(xiàn)場熱成像圖等圖像信息，并獲取可能存在幸存者的準確的經(jīng)緯度位置坐標。無人機配備定位終端后，可以發(fā)出警報，通過北斗衛(wèi)星回傳可能存在幸存者的位置信息到網(wǎng)管中心。

機載終端可以接收到北斗衛(wèi)星通信信號，獲得來自調(diào)度指揮臺的指令，確定或更新巡行線路。并且機載終端還可以接收DNN、Internet、GSM等通信信號，獲得來自機庫端的指令，在震區(qū)信號暢通時，也可以根據(jù)需要隨時改變航線。

3.4 搜救中心

搜救中心是負責直接指揮搜救人員開展救援工作的中心站。

搜救中心直接接收指揮調(diào)度臺發(fā)送的現(xiàn)場圖像信息和幸存者位置坐標信息，并下達具體的搜救命令。搜救中心接收到信息和指令后，傳達給已派遣的搜救人員。搜救人員到達指定地點展開搜救工作，并將搜救情況、場地狀況和幸存者狀態(tài)等信息反饋給搜救中心，搜救中心再反饋給地面調(diào)度中心，完成信息的互通。

有調(diào)度指揮臺給搜救中心傳輸信息和下達指令，可以提高搜救工作的進行的系統(tǒng)性和高效性。

4 系統(tǒng)功能設計

（1）無人機航線實時更新。地面指揮調(diào)度中心可以通過北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和DNN、Internet、GSM等其它通信方式，下達確定或更改無人機航線指令，實現(xiàn)了無人機航線實時更新，有效防止了震區(qū)信號中斷而導致的無人機失聯(lián)，提高搜索效率。

（2）信息通信和數(shù)據(jù)管理。無人機安設有機載用戶終端，對無人機進行定位，同時無人機通過北斗衛(wèi)星獲取熱成像圖等圖像信息、可能存在幸存者的位置坐標信息等信息。這些信息通過北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸?shù)叫l(wèi)星地面站，經(jīng)過處理后儲存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的記錄、更新和存儲，并且可響應調(diào)度指揮臺及其它中心對無人機位數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像信息的查詢。

（3）搜救工作高效展開。調(diào)度指揮臺對信息進行人工分析處理后，下達指令到搜救中心，搜救人員得到較為準確的幸存者位置信息，到達現(xiàn)場后立即可以展開救援工作，可以大大提升救援效率。

（4）無人機工作可視化管理。調(diào)度指揮臺以百度地圖API為地圖引擎，將無人機搜索過程中各種信息，根據(jù)位置關系，簡潔直觀地結(jié)合到地圖上，在地圖上顯示無人機實時位置、無人機高度、無人機航線、信息聯(lián)系的位置及時間、幸存者位置等信息。

5 結(jié)束語

本文給出了將無人機應用于地震救援工作的解決方案，無人機地震救援調(diào)度指揮系統(tǒng)系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)作為通信工具，以百度地圖API為地圖引擎，可以滿足地震救援的無人機管理控制需要，提高無人機調(diào)度指揮的實時性和可靠性，實現(xiàn)地面中心、無人機、救援人員之間信息的快速傳輸，可以為提升救援人力利用效率和降低人員與財產(chǎn)損失做出貢獻。