CN116321054A - 一种基于5g无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，属于应急通信技术领域，包括：空中飞艇平台，机动保障车，所述机动保障车上安装有地面无线微波网桥、公共核心网；所述公共核心网通过光缆连接到地面无线微波网桥，艇载无线微波网桥与艇载5G通信基站通过光缆连接通信，通过地面无线微波网桥和艇载无线微波网桥实现点对点无线连接通信，将地面核心网络无线传输到空中飞艇平台，建立移动空中5G基站，为受灾区域中的通信终端提供无线网接入，实现受灾区域5G网络覆盖。本发明系统可以实现灾区长时应急通信覆盖和灾情态势长时感知，为灾害应急救援提供高速5G通信覆盖和长时灾情信息保障。

Description

一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统

技术领域

本发明属于应急通信技术领域，具体涉及一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统。

背景技术

自然灾害具有突发性特点，灾害发生时，快速恢复灾区通信、掌握灾区态势，摸清灾情信息对于及时制定救援策略，提高救援效率和质量起着至关重要的作用。在灾害应急通信保障方面目前主要是灾区通信基站抢修以及应急通信保障车，但由于灾害导致道路、电力中断，人员和车辆进入困难，通信恢复较慢；也有基于无人机和系留飞艇的应急通信保障探索研究，其中基于无人机的应急通信系统续航能力低，易受天气影响，基于系留飞艇的应急通信系统可实现长时通信覆盖，具有较高的实用价值。

在灾情信息监测方面主要有无人机航空遥感和卫星遥感2种技术手段。低空多旋翼无人机飞临灾区上空进行灾区信息采集，虽然具有实时性强、机动灵活、影像分辨率高、成本低的特性，但由于无人机航时较短，作业半径小，只适用于局部短时灾情信息获取；长航时固定翼无人机虽然作业范围广，但通常只能提供快速飞行航测服务，无法实现区域长时驻空监视服务，且频繁飞行费用较高。卫星遥感技术可实现大范围灾情普查，但受限于遥感影像原始数据共享机制缺乏，影像实时性难以保障。

以上灾害应急通信和灾情信息监测技术通常性能单一，现有专利CN109625235B公开了一种用于灾害现场应急通信的氦气系留飞艇系统，该专利提出一种基于系留飞艇的灾害应急通信系统，但其存在不足在于功能单一、不具有灾区态势感知功能，另外应急通信覆盖范围有限，只能定点驻空进行网络保障。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援保障系统，可以实现灾区长时应急通信覆盖和灾情态势长时感知，为灾害应急救援提供高速5G通信覆盖和长时灾情信息保障。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，包括：

空中飞艇平台，所述空中飞艇平台上安装有艇载5G通信基站、艇载无线微波网桥、艇载5G回传终端CPE；

机动保障车，所述机动保障车上安装有地面无线微波网桥、公共核心网；

所述公共核心网通过光缆连接到地面无线微波网桥，艇载无线微波网桥与艇载5G通信基站通过光缆连接通信，通过地面无线微波网桥和艇载无线微波网桥实现点对点无线连接通信，将地面核心网络无线传输到空中飞艇平台，建立移动空中5G基站，为受灾区域中的通信终端提供无线网接入，实现受灾区域5G网络覆盖；

通过艇载5G回传终端CPE接收艇载5G通信基站发出的5G信号，转换成Wi-Fi信号或有线网络信号，具有无线Wi-Fi或有线网络接口的探测载荷通过CPE路由接入公共5G网络，从而可实现受灾区域灾区态势的实时采集回传。

进一步，所述探测载荷包括可见光、热红外成像和雷达探测设备中的一种或多种，通过可见光探测设备实现灾区正射或倾斜影像拍摄，了解受灾区域分布，道路、房屋等基础设施受损程度及灾区动态变化情况，通过热红外成像探测设备实现火情探测及人员搜救，通过雷达探测设备实现灾区地形地貌三维扫描，上述灾情信息通过公共高速5G网络实时回传至地面灾害应急指挥中心供应急救援决策与调度。

进一步，所述空中飞艇平台还包括飞艇本体、囊体压力控制单元、主气囊、副气囊、尾翼、前部推进装置和后部推进装置，囊体压力控制单元电连接至充放气装置和压力检测装置，所述囊体压力控制单元控制进行充放气调节以使得飞艇囊体压力在安全值范围内，通过调节副气囊改变飞艇浮力，实现上升、驻空及下降等飞行状态调整；通过尾翼填充空气增加飞艇姿态平衡和航行稳定性。

进一步，所述空中飞艇平台上还安装有艇载定向云台，艇载无线微波网桥固定安装到艇载定向云台上，根据地面无线微波网桥位置的经纬度参数进行云台目标指向设置，通过飞艇飞行位置、航向等姿态变化，所述艇载定向云台实时调节艇载无线微波网桥朝向，自动跟踪指向地面无线微波网桥方向。

进一步，所述空中飞艇平台上还安装有艇载任务计算机，通过将艇载任务计算机与所述艇载任务计算机电连接的艇载惯导单元、囊体压力控制单元、推进装置控制单元和艇载测控单元，实现飞艇姿态和飞行状态信息实时采集并通过艇载测控单元无线数据链发送到地面测控站，同时接收地面测控站发送的飞行控制指令并驱动囊体压力控制单元和推进装置控制单元实现飞艇飞行状态调整。

进一步，所述空中飞艇平台上还安装有燃油发电机、太阳能储能电池、艇载电源管理单元，所述燃油发电机为飞艇平台提供电力保障，并通过艇载电源管理单元进行电源转换后给各功能设备供电，太阳能储能电池作为艇载循环能源系统为航电吊舱提供备份电力保障。

进一步，所述机动保障车上还安装有飞艇发放装置，可实现艇氦气填充与回收，吊舱载荷挂载，辅助飞艇放飞与降落。

本发明的有益效果在于：

1、本发明一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，当灾情发生时，通过无人飞艇搭载5G基站快速飞抵灾区上空，可以及时建立应急通信通道，实现灾区终端用户与灾区外公共网的接入，结合网络优势，可实现广播信息发送、区域找人、救灾调度通信等。同时无人飞艇搭载高分辨率可见光、热红外、雷达等探测设备实现多目标持续跟踪定位和广播，及时监测灾情动态变化，并通过5G传输网络将现场的采集数据、视频信息、用户接入信息等连接至后方的应急指挥中心，进行统一的决策和调度。飞艇可巡航飞行，根据地面应急指挥中心规划路线进行飞行，在选定的热点区域可长时驻空服务。

2、无人飞艇以其浮空器特性具有较大的载运能力，本发明通过无人飞艇搭载5G移动通信设备和可见光、热红外成像、雷达等探测设备，同时实现灾区应急通信覆盖和灾情态势感知回传功能。相对于无人机来说，无人机完全靠动力飞行和悬停，载运能力有限，不具备同时搭载5G通信基站和多种探测载荷长时驻空服务能力，单套5G通信基站(BBU+AAU)就重达40kg以上。设计31m×17m×11m的无人飞艇可实现重达300kg以上的载重能力，现有技术通常只实现应急通信覆盖或者灾区态势感知一种功能，并未同时实现2项功能集成。

3、无人飞艇以其浮空器特性具有长时驻空特性，无人飞艇在驻空悬停和上升、下降等飞行状态可以不需要动力，靠浮力调节即可实现，可降低电力消耗，根据需要可在固定区域上空实现长时驻空通信和监测服务，有助于地面应急救援指挥中心实时掌握灾情动态变化情况。无人机平台则需要频繁起飞完成飞行服务，卫星遥感虽然具有长时驻空服务能力，但是存在过境问题，区域服务时间分辨率较低，目前商业遥感卫星最快10分钟覆盖一次，且费用昂贵。

4、无人飞艇具有无线巡航飞行功能，可实现较系留飞艇、系留无人机更大的通信和监测覆盖范围。无人飞艇采用点对多无线微波网桥实现空中5G基站和地面核心网络连接，避免光纤有线连接，可无线巡航飞行。相较于采用有线光纤连接的系留飞艇和系留无人机定点网络覆盖，无线巡航飞艇具有更大的通信覆盖范围和灾情监视范围，机动性较强，可根据地面应急指挥中心规划路线飞行路线，灵活调整通信覆盖和灾情监视区域。

5、无人飞艇可无线巡航飞行，在发放场地上更加灵活，可克服灾区地形影响，甚至不需要运抵灾区边沿放飞，在自然灾害频发区域可部署固定发放基地，当发生自然灾害，可第一时间从发放基地起飞，快速飞临灾区上空进行应急救援保障服务，具有更强的实用性。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统的结构示意图；

图2为本发明无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统的使用过程示意图。

具体实施方式

如图1～2所示，本发明一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援保障系统如附图所示，主要包括空空中飞艇平台和地面机动车载保障部分。

空中飞艇平台主要包括主气囊1、副气囊2、倒Y形尾翼3、太阳能电池阵列4、前部推进装置5(左右侧各一个)，后部推进装置6(左右侧各一个)，航电吊舱9、移动通信吊舱8、光电吊舱7、能源吊舱10。其中航电吊舱9中又包括艇载任务计算机、艇载惯导单元、囊体压力控制单元、推进装置控制单元、艇载测控单元以及与测控单元电连接的测控天线；移动通信吊舱8又包括艇载5G通信基站(BBU+AAU)、艇载无线微波网桥，艇载定向云台，艇载5G回传终端CPE；光电吊舱7主要包括可见光、热红外成像和雷达探测设备；能源吊舱10又包括燃油发电机、太阳能储能电池、艇载电源管理单元。

地面机动车载保障部分主要包括机动保障车11，地面测控站12，地面无线微波网桥13、发电机16，光缆14，电缆17，车载飞艇发放装置18，地面公共核心网15，受灾区域19。

空中无人飞艇主要作为空中载运平台将5G移动通信设备和可见光、热红外成像、雷达探测设备运抵灾区上空进行应急通信覆盖和灾情实时监测并回传地面指挥中心。

无人飞艇囊体材料采用复合高强度蒙皮材料，主气囊1填充氦气为飞艇提供升空浮力，在地面需完成全部氦气充填；副气囊2填充空气，空中飞艇平台上还安装有充放气装置和压力检测装置，充放气装置和压力检测装置通过电连接到航电吊舱的囊体压力控制单元，由囊体压力控制单元控制进行充放气调节以应对环境温度、高度变化下囊体压力变化，保障飞艇囊体压力在安全值范围内，同时通过副气囊充放气调节可改变飞艇浮力，实现上升、驻空及下降等飞行状态调整；倒Y形尾翼囊体3填充空气，增加飞艇姿态平衡和航行稳定性。

燃油发电机为飞艇平台提供电力保障，并通过艇载电源管理单元进行电源转换后给各功能设备供电，太阳能电池阵列4和太阳能储能电池作为艇载循环能源系统为航电吊舱7提供备份电力保障，在燃油发电机无法供电情况下保障飞艇平台各航电单元正常工作，保障飞艇平台的飞行安全，太阳能电池阵列采用半柔性太阳能电池，储能电池采用锂电池，由锂电池堆并联组成。

无人飞艇通过两侧前后共4个前部推进装置5和后部推进装置6实现巡航飞行，飞行任务及状态由艇载任务计算机控制推进装置控制单元实现；艇载任务计算机作为飞艇平台主控设备，分别与艇载惯导单元、囊体压力控制单元、推进装置控制单元和艇载测控单元电连接通信，实现飞艇姿态和飞行状态信息实时采集并通过艇载测控单元无线数据链发送到地面测控站，同时接收地面测控站发送的飞行控制指令并驱动囊体压力控制单元和推进装置控制单元实现飞艇飞行状态调整。

地面接入的公共核心网15通过光缆14连接到地面无线微波网桥13，地面无线微波网桥13与无人飞艇平台上的艇载无线微波网桥点对点无线连接通信，艇载无线微波网桥与艇载通信基站通过光缆连接通信，通过地面和艇载的点对点无线微波网桥将地面核心网络无线传输到空中飞艇平台，建立移动空中5G基站，为受灾区域19中的通信终端提供无线网接入，实现受灾区域19高速5G网络覆盖。

5G无人飞艇平台具有无线巡航功能，可根据地面应急救援指挥中心规划路线巡航飞行，为确保飞艇平台运动过程中艇载无线微波网桥和地面无线微波网桥13点对点稳定可靠连接，需要艇载无线微波网桥天线实时指向地面无线微波网桥13方向，在飞艇平台移动通信吊舱8中装有艇载定向云台，艇载无线微波网桥固定安装到艇载定向云台上，根据地面无线微波网桥13位置的经纬度参数进行云台目标指向设置，艇载定向云台可根据飞艇飞行位置、航向等姿态变化，实时调节艇载无线微波网桥朝向，自动跟踪指向地面无线微波网桥方向，不受飞艇飞行位置和姿态变化影响，保障移动通信网络的稳定性；

基于实际灾情需求，可选择搭载光电吊舱中的可见光、热红外成像和雷达探测设备中的一种或多种探测载荷，可见光探测设备可实现灾区正射或倾斜影像拍摄，及时摸清受灾区域分布，道路、房屋等基础设施受损程度及灾区动态变化情况，热红外成像探测设备可进行火情探测及人员搜救等应用，雷达探测设备可进行灾区地形地貌3维扫描，以上探测的灾情信息可通过公共高速5G网络实时回传至地面灾害应急指挥中心供应急救援决策与调度。

基于空中基站的5G网络覆盖，艇载5G回传终端CPE可接收空中基站发出的5G信号，然后转换成Wi-Fi信号或有线网络信号，具有无线Wi-Fi或有线网络接口的可见光、热红外成像和雷达探测设备可通过CPE路由接入公共5G网络，从而可实现受灾区域19高清视频和图像信息实时采集回传。

地面机动保障车11作为5G无人飞艇运输及发放平台，作为运输工具，机动保障车机动性强，可快速将飞艇运抵受灾区域周边，机动保障车车载有飞艇发放装置18，可实现自动化收缩和展开，运输过程中飞艇发放装置收缩以节省空间，执行飞艇发放任务时，可迅速展开便于操作人员完成飞艇氦气填充与回收，吊舱载荷挂载，辅助飞艇放飞与降落。机动保障车同时搭载有车载燃油发电机16，燃油发电机16为包括地面测控站12、地面无线微波网桥13和飞艇发放装置18提供电力保障，地面测控站12、地面无线微波网桥13和飞艇发放装置18均通过电缆17连接到发电机16，飞艇发放装置18采用现有技术，不在本发明装置的保护范围当中，本领域技术人员应当可以理解。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，包括：

空中飞艇平台，所述空中飞艇平台上安装有艇载5G通信基站、艇载无线微波网桥、艇载5G回传终端CPE；

机动保障车，所述机动保障车上安装有地面无线微波网桥、公共核心网；

所述公共核心网通过光缆连接到地面无线微波网桥，艇载无线微波网桥与艇载5G通信基站通过光缆连接通信，通过地面无线微波网桥和艇载无线微波网桥实现点对点无线连接通信，将地面核心网络无线传输到空中飞艇平台，建立移动空中5G基站，为受灾区域中的通信终端提供无线网接入，实现受灾区域5G网络覆盖；

通过艇载5G回传终端CPE接收艇载5G通信基站发出的5G信号，转换成Wi-Fi信号或有线网络信号，具有无线Wi-Fi或有线网络接口的探测载荷通过CPE路由接入公共5G网络，从而可实现受灾区域灾区态势的实时采集回传。

2.根据权利要求1所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述探测载荷包括可见光、热红外成像和雷达探测设备中的一种或多种，通过可见光探测设备实现灾区正射或倾斜影像拍摄，了解受灾区域分布，道路、房屋等基础设施受损程度及灾区动态变化情况，通过热红外成像探测设备实现火情探测及人员搜救，通过雷达探测设备实现灾区地形地貌三维扫描，上述灾情信息通过公共高速5G网络实时回传至地面灾害应急指挥中心供应急救援决策与调度。

3.根据权利要求1所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述空中飞艇平台还包括飞艇本体、囊体压力控制单元、主气囊、副气囊、尾翼、前部推进装置和后部推进装置，囊体压力控制单元电连接至充放气装置和压力检测装置，所述囊体压力控制单元控制进行充放气调节以使得飞艇囊体压力在安全值范围内，通过调节副气囊改变飞艇浮力，实现上升、驻空及下降等飞行状态调整；通过尾翼填充空气增加飞艇姿态平衡和航行稳定性。

4.根据权利要求3所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述空中飞艇平台上还安装有艇载定向云台，艇载无线微波网桥固定安装到艇载定向云台上，根据地面无线微波网桥位置的经纬度参数进行云台目标指向设置，通过飞艇飞行位置、航向等姿态变化，所述艇载定向云台实时调节艇载无线微波网桥朝向，自动跟踪指向地面无线微波网桥方向。

5.根据权利要求4所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述空中飞艇平台上还安装有艇载任务计算机，通过将艇载任务计算机与所述艇载任务计算机电连接的艇载惯导单元、囊体压力控制单元、推进装置控制单元和艇载测控单元，实现飞艇姿态和飞行状态信息实时采集并通过艇载测控单元无线数据链发送到地面测控站，同时接收地面测控站发送的飞行控制指令并驱动囊体压力控制单元和推进装置控制单元实现飞艇飞行状态调整。

6.根据权利要求1所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述空中飞艇平台上还安装有燃油发电机、太阳能储能电池、艇载电源管理单元，所述燃油发电机为飞艇平台提供电力保障，并通过艇载电源管理单元进行电源转换后给各功能设备供电，太阳能储能电池作为艇载循环能源系统为航电吊舱提供备份电力保障。

7.根据权利要求1所述的一种基于5G无人飞艇的灾害应急救援态势感知系统，其特征在于，所述机动保障车上还安装有飞艇发放装置，可实现艇氦气填充与回收，吊舱载荷挂载，辅助飞艇放飞与降落。

Images