王子丞

（郑州市第一中学，郑州 450000）

1 研究背景

1.1 现阶段地震救援问题的概况

近年来，国内外发生了一系列的重大地震灾害，如2016年印尼的6.8级地震和2014年发生在我国新疆于田的7.3级地震[1]等等，都造成巨大的人民和财产损失。在救援设备较为完善的当下，如何迅速展开展高质量的搜救工作是减少人员及财产损失的重中之重，然而解决这个问题面临着一些困难。

1.2 国内外研究现状

目前，虽然无人机技术上已经比较成熟，民用无人机也发展迅速，但是国内无人机在地震救援中的应用还比较基础。主要是令无人机通过微型无人机遥感系统，依靠无线电遥控系统和GPS定位系统，进行直观、准确的图像和数据信息采集。微型无人机遥感系统就曾在“5.12”汶川大地震中得到了实践应用。而欧美等国由于近年来地震灾害很少发生，对地震救灾中无人机应用的研究不够重视。

为此，笔者基于北斗卫星定位导航系统尝试开发了无人机地震救援调度指挥系统，以实现地震时对无人机的有效快速的指挥调度，迅速高效地展开地震搜救工作，减少人员及财产损失。

2 北斗卫星系统

2.1 北斗卫星系统简介

北斗卫星系统是我国自主研发、独立运行的卫星定位与通信系统，是我国第一代区域卫星导航系统，也是世界上第三个卫星导航系统，可以提供全国范围内的卫星定位。北斗卫星导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已在个人位置服务、交通运输、气象和地质灾害、应急救援等民用领域得到广泛应用。就性能而言，北斗卫星系统目前在覆盖范围、定位和授时精度等方面与美国的GPS还存在差距。但北斗卫星具有定位和通信双重作用，其特有的短报文通信功能是GPS所不具备的。

2.2 北斗卫星通信的工作方式

北斗卫星定位导航系统主要包括空间卫星、地面站和用户终端三个部分，地面站则分为地面中心站和地面网管中心（图1）。北斗系统具有点对点双向数据传输功能，依靠数据包的形式来传输数据报告，一次最多可发送210个字节，即用户可以发送100bytes信息。发送信息首先依靠数传终端采用码分多址直接扩频序列调制（即CDMA方式），再依靠扩频伪码使用周期伪随机序列，实现以L波段的发送频率发送到卫星，然后经过北斗卫星转换为C波段，传送至地面中心站，经处理后发送给地面网管中心。地面网管中心经解密和再加密后，发回给地面中心站，之后经过处理再次发送回卫星，转换形成S波段广播传送给测站终端和指挥终端，解调解密出站电文，完成一次点对点通信。主要通信技术指标：人站信道（L波段）传输速率15.625 kbps，出站信道（S波段）传输速率31-25 kbps，系统误码率1×10-7。

3 无人机地震救援调度指挥系统构成与工作流程

该系统整体上由通信和定位卫星、地面调度指挥中心、无人机载用户终端、搜救中心四部分组成。见图1。

3.1 通信和定位卫星

（1）定位功能：获取无人机的实时位置信息；获取现场热成像图等图像信息；将可能存在幸存者的准确的经纬度位置坐标发送给地面中心。（2）导航功能：发送航线信息给无人机，确定并实时更新无人机巡行路线。（3）通信功能：可将信息在无人机终端和卫星地面站之间实现信息快速传递，特有的短报文通信可在震区无信号覆盖时进行信息传递。（4）授时功能：确定位置信息、图像信息的具体时间，及反馈无人机飞行时长。

图1 北斗卫星通信示意

3.2 地面调度指挥中心

3.2.1 卫星地面站

卫星地面站即卫星地面站网管中心，作为卫星通信的地面接续控制网关，主要负责建立起陆地上网络用户与北斗系统用户终端之间或北斗系统用户终端互相之间的通信链路；处理用户之间的双向通信数据，发送给调度控制台。提供多种接入方式与陆地公众电信网络相连接，如DDN、Internet、PSTN、GSM等。

3.2.2 调度控制台

调度指挥台是人工对无人机进行调度指挥、对搜救中心下达指令的控制台。

调度指挥台以百度地图API为地图引擎。电脑先将无人机通过北斗系统传输到数据库的位置信息、图像信息等结合到地图上。然后管理员对信息进行人工处理和分析，通过DNN、Internet等通信技术，下达具体搜救任务给搜救中心，并发送现场图像信息和幸存者位置坐标信息。并且管理员可以通过大屏幕观察到所有无人机的巡行路线和飞行状态，有权划定或更改无人机航线。

在震区信号畅通时，管理员通过DNN、Internet等通信技术，发送无人机调度指令到机库端。

3.2.3 数据库

数据库负责记录、更新和存储信息。

数据库能实时记录、更新和储存所有位置信息和图像信息。调度指挥信息，并且在其他日常通信信息在上行发往卫星地面站网管中心的同时，也被服务器自动记录存储在相应的日志中。数据库可响应调度指挥台对无人机位数据和现场图像信息的查询，并显示在地图上，同时支持外部用户（其它分中心）对信息的请求响应。

数据库为指令下达提供了信息数据参考，为地震救援提供了数据支持，增强了指令的正确性和调度指挥的实时性。

3.2.4 通信服务器

通信服务器负责对通信数据交换处理和对通信链路的建立和维护。

通信服务器可以对网管中心之间的上行、下行通信数据进行交换和处理，对由网管中心下行的无人机位数据、幸存者位置信息、现场图像信息、报警信息以及其它常规信息进行分发处理，将数据转换为调度控制台内部服务器可以交换处理的数据形式；并将调度指挥台要上行发送到网管中心的通信数据转换成卫星通信系统可处理的数据信号格式。

3.2.5 机库端

机库端是无人机的停放平台和无人机操控中心站。

机库端负责闲时停放无人机和救灾时对无人机的操控，直接听从调度指挥中心的指令。机库端由机库管理员所控制，通过DNN、Internet等通信技术接受指挥调度台的调度指令，根据调度指令对无人机进行选项配置后，通过DNN、Internet、GSM等通信技术手段发出无人机调度指令，确定或更改无人机航线，或控制无人机起飞执行任务。

3.3 无人机载用户终端

无人机载用户终端主要起到通信作用和定位作用。

无人机执行巡行任务，搜查地震受灾现场，通过机载红外热成像仪获取现场热成像图等图像信息，并获取可能存在幸存者的准确的经纬度位置坐标。无人机配备定位终端后，可以发出警报，通过北斗卫星回传可能存在幸存者的位置信息到网管中心。

机载终端可以接收到北斗卫星通信信号，获得来自调度指挥台的指令，确定或更新巡行线路。并且机载终端还可以接收DNN、Internet、GSM等通信信号，获得来自机库端的指令，在震区信号畅通时，也可以根据需要随时改变航线。

3.4 搜救中心

搜救中心是负责直接指挥搜救人员开展救援工作的中心站。

搜救中心直接接收指挥调度台发送的现场图像信息和幸存者位置坐标信息，并下达具体的搜救命令。搜救中心接收到信息和指令后，传达给已派遣的搜救人员。搜救人员到达指定地点展开搜救工作，并将搜救情况、场地状况和幸存者状态等信息反馈给搜救中心，搜救中心再反馈给地面调度中心，完成信息的互通。

有调度指挥台给搜救中心传输信息和下达指令，可以提高搜救工作的进行的系统性和高效性。

4 系统功能设计

（1）无人机航线实时更新。地面指挥调度中心可以通过北斗卫星通信系统和DNN、Internet、GSM等其它通信方式，下达确定或更改无人机航线指令，实现了无人机航线实时更新，有效防止了震区信号中断而导致的无人机失联，提高搜索效率。

（2）信息通信和数据管理。无人机安设有机载用户终端，对无人机进行定位，同时无人机通过北斗卫星获取热成像图等图像信息、可能存在幸存者的位置坐标信息等信息。这些信息通过北斗卫星通信系统传输到卫星地面站，经过处理后储存到数据库中。数据库实现了对数据的记录、更新和存储，并且可响应调度指挥台及其它中心对无人机位数据和现场图像信息的查询。

（3）搜救工作高效展开。调度指挥台对信息进行人工分析处理后，下达指令到搜救中心，搜救人员得到较为准确的幸存者位置信息，到达现场后立即可以展开救援工作，可以大大提升救援效率。

（4）无人机工作可视化管理。调度指挥台以百度地图API为地图引擎，将无人机搜索过程中各种信息，根据位置关系，简洁直观地结合到地图上，在地图上显示无人机实时位置、无人机高度、无人机航线、信息联系的位置及时间、幸存者位置等信息。

5 结束语

本文给出了将无人机应用于地震救援工作的解决方案，无人机地震救援调度指挥系统系统利用北斗卫星定位导航系统作为通信工具，以百度地图API为地图引擎，可以满足地震救援的无人机管理控制需要，提高无人机调度指挥的实时性和可靠性，实现地面中心、无人机、救援人员之间信息的快速传输，可以为提升救援人力利用效率和降低人员与财产损失做出贡献。