一種廣域協同精準遙感平臺及其遙感方法
【專利摘要】本發明涉及一種廣域協同精準遙感平臺及其遙感方法，包括近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備、近地面遙感無人機群；其中近空間遙感子平臺由長滯空浮空器攜帶探空儀通過脫鉤裝置與滑翔無人機連接升空進入20～30千米高空，近空間滑翔無人機通過攜帶的遙感與導航定位裝置，實現大范圍、長駐空定位遙感；地面數據存儲與處理設備實現對遙感、運動、氣象信息大數據的存儲、處理、網絡發布；近地面遙感無人機群攜帶不同的遙感、導航定位、氣象裝置接收地面監控站發布的控制指令，在離地面3千米高空范圍內協同完成遙感、導航定位等任務，實現精準協同遙感；平臺提供的遙感、運動、氣象信息大數據能提供給農業、氣象、水利等部門，更好的服務國計民生。
【專利說明】
一種廣域協同精準遙感平臺及其遙感方法
技術領域
[0001]本發明是一種近空間與近地面協同遙感平臺及方法，能廣泛應用于對地大范圍觀測的相關領域，實現廣域、多種精度、協同對地精準遙感探測。
【背景技術】
[0002]我國廣大城鎮區域屢屢遭受諸如旱澇災害、人口居住區遭遇火災、地震等突發性災害的威脅，缺乏有效的監測和預報手段，給國民經濟帶來巨大的損失;我國遭受嚴重的空氣污染，霧霾降低了大氣能見度，削弱了陽光對農作物的光合作用，可導致糧食減產;我國國土地形復雜，耕地面積有限，耕地的保護、農作物的種類缺乏統籌與監管;某些工業和農業活動如污水和廢氣排放、焚燒秸桿帶來環境污染，缺少監管這些違法行為的有效手段。因此，發展以提高精準信息獲取能力為目的的先進遙感技術，實現大范圍、快響應地實時對地監控，是目前解決上述問題最為有效的技術手段。已有的技術，例如無人機遙感平臺工作區域有限;單一的近空間浮空氣球平臺機動能力不足;衛星遙感實時性較差，均存在平臺固有的缺點。現有的申請號為201510312110.6的專利《一種近空間氣象平臺》僅是一種測量環境氣象信息的平臺，無法實現長時間滯空測量，而且一次作業實驗無法實現多個局部區域的精準測量，總之，現有的遙感平臺無法同時實現廣域、協同、精準遙感的任務需求。
【發明內容】
[0003]本發明技術解決問題:針對現有平臺技術的不足，提出一種既能同時實現廣域、協同、精準遙感任務，又能測量環境氣象信息的廣域協同精準遙感平臺及方法。
[0004]本發明的廣域協同精準遙感平臺，其技術方案包括:近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備、近地面遙感無人機群;其中，近空間遙感子平臺由長滯空浮空器攜帶探空儀通過脫鉤裝置與滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，近空間滑翔無人機通過攜帶的遙感與導航定位裝置，實現大范圍、長駐空定位遙感，獲取多源信息數據輸給地面數據存儲與處理設備，所述多源信息數據包括遙感信息、運動信息、氣象信息數據傳;地面數據存儲與處理設備實現對多源信息數據的存儲、處理和網絡發布;近地面遙感無人機群攜帶不同的遙感、導航定位、氣象裝置接收地面數據存儲與處理設備發布的控制指令，在離地面3千米高空范圍內協同完成遙感、導航定位任務，實現精準協同遙感。
[0005]所述近空間遙感子平臺包括長滯空浮空器、探空儀、脫鉤裝置、近空間滑翔無人機、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置、滑翔機端發射機和滑翔機端接收機;長滯空浮空器攜帶探空儀通過脫鉤裝置與近空間滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，實現近空間廣域長駐留對地遙感；當遙感任務完成后，近空間滑翔無人機通過脫鉤裝置脫鉤后，開始滑翔降落；同時近空間滑翔無人機通過滑翔機端遙感裝置和滑翔機端導航定位裝置實現對地遙感定位;探空儀、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置采集的多源信息數據通過滑翔機端發射機實時傳送地面數據存儲與處理設備;最后由滑翔機端接收機接收地面數據存儲與處理設備發送的控制指令使滑翔無人機滑翔飛行直到降落，實現機載設備回收。
[0006]所述地面數據存儲與處理設備包括地面端接收機、地面端發射機、數據存儲服務器、數據處理服務器、網絡發布服務器和地面監控裝置;地面端接收機接收近空間遙感子平臺或者近地面遙感無人機群的多源信息數據，由數據庫存儲服務器承擔多源信息數據的云端存儲，再由數據處理服務器對多源信息數據分析和計算，網絡發布服務器對處理后的多源信息數據通過無線網絡或者以太網絡傳送對外發布；最后，通過地面監控裝置實現對多源數據的可視化顯示，地面監控裝置能通過地面端發射機傳送控制指令給近空間遙感子平臺。
[0007]所述近地面遙感無人機群包括無人機群、機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置、氣象裝置、機群端發射機和機群端接收機;無人機群通過機群端接收機接收任務指令，攜帶機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置和氣象裝置中的一種或幾種載荷裝置，在離地面3千米高空范圍內完成多源信息數據采集，多源信息數據通過無人機端發射機發送信息數據給地面數據存儲與處理設備，完成近地面多機協同精準遙感任務。
[0008]一種廣域協同精準遙感平臺的遙感方法，實現為:近空間遙感子平臺將多源信息數據通過滑翔機端發射機傳輸給地面端接收機，地面端接收機將接收的數據存儲于數據存儲服務器中，并通過數據處理服務器對多源信息數據進行計算處理，計算處理后的多源信息數據傳至地面監控裝置實現對近空間遙感子平臺多源信息數據的監控;近空間滑翔無人機與長滯空浮空器連接部位的脫鉤裝置能與地面監控裝置實現信息交互，脫鉤裝置通過近空間滑翔無人機端接收機接收地面監控裝置發送的分離指令后，完成近空間滑翔無人機與長滯空浮空器的分離;近空間滑翔無人機與長滯空浮空器分離后，將滑翔過程中實時測量的多源信息數據通過滑翔機端發射機遠程傳送地面端接收機，數據存儲服務器對接收的多源信息數據存儲，經過數據處理服務器分析處理，處理后的多源信息數據傳至地面監控裝置，通過數字、圖片或視頻的可視化形式實現對多源信息數據的監視，同時地面監控裝置也能通過地面端發射機發送控制指令，將控制指令發送給近空間滑翔無人機端接收機，成為控制滑翔機機翼舵機運動的指令信號，控制滑翔機滑翔姿態;地面監控裝置通過地面端接收機接收近空間滑翔無人機對局部區域更精準遙感的需求指令后，地面監控裝置指令近地面遙感無人機群由地面起飛對局部重點區域協同遙感作業，在總滯空時間最短、能源消耗最少、目標覆蓋值最大約束條件下，完成觀測區域的協同精準遙感;近空間滑翔無人機與近地面遙感無人機群攜帶遙感載荷，實現對各種氣候條件下遙感信息的實時采集，近空間滑翔無人機與無人機群攜帶高精度輕小型導航定位裝置完成精準定姿、定位、定向，無人機群攜帶氣象裝置實現飛行環境的溫度、濕度、風速、風向在內的氣象信息的測量;地面數據存儲與處理設備負責對長滯空浮空器、近空間滑翔無人機、近地面遙感無人機群發送過來的遙感、運動、氣象信息數據的實時存儲、處理計算和網絡發布，實現近空間、近地面、地面一體化協同遙感，同時對數據分類后通過以太網絡傳送給農業、氣象、水利、國土部門參考利用，同時將處理后的信息傳送給地面監控裝置，實現信息的監視和控制。
[0009]本發明與現有的技術比優點在于:
[0010](I)與單一無人機平臺相比，無人機雖然機動性較強，但民用遙感應仍然有飛行高度有限、監測范圍小、空域駐留時間短等局限性。本發明的近空間遙感子平臺能在幾萬米高空對地遙感、近地面多無人機能定點協同工作，擴大了民用遙感監測范圍，長滯空浮空器與近空間滑翔無人機分離前能長時間駐空工作，彌補了常規無人機遙感范圍有限，駐空能力不足的缺陷，實現了廣域遙感的特點。
[0011 ] (2)單一無人機遙感平臺帶載能力有限，出現故障將無法遙感作業，本發明中的近地面遙感無人機群協同遙感作業能分散風險，單架無人機出現故障，不影響其他無人機正常工作，能提升遙感平臺的容錯性和系統的可靠性。
【附圖說明】
[0012]圖1為此發明的功能模塊圖；
[0013]圖2為此發明網絡總體方案圖；
[0014]圖3為此發明廣域協同精準遙感方法工作過程圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，本發明廣域協同精準遙感平臺包括近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備、近地面遙感無人機群。長滯空浮空器用長滯空浮空氣球為例進行說明，整個方案由近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備、近地面遙感無人機群組成;其中近空間遙感子平臺由長滯空浮空氣球攜帶探空儀通過脫鉤裝置與滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，近空間滑翔無人機通過攜帶的遙感與導航定位裝置，實現大范圍、長駐空定位遙感;地面數據存儲與處理設備實現對遙感、運動、氣象信息大數據的存儲、處理、網絡發布;近地面遙感無人機群攜帶不同的遙感、導航定位、氣象裝置接收地面監控站發布的控制指令，在離地面3千米高空范圍內協同完成遙感、導航定位等任務，實現精準協同遙感;所述的近空間遙感子平臺由長滯空浮空氣球、探空儀、脫鉤裝置、近空間滑翔無人機、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置、滑翔機端發射機、滑翔機端接收機組成，首先，長滯空浮空氣球攜帶探空儀通過脫鉤裝置與近空間滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，實現近空間廣域長駐留對地遙感，其次，當遙感任務完成后，近空間滑翔無人機通過脫鉤裝置脫鉤后，開始滑翔降落，同時近空間滑翔無人機通過滑翔機端遙感裝置和滑翔機端導航定位裝置實現對地遙感定位，探空儀、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置采集的數據通過滑翔機端發射機實時傳送地面端接收機，最后，由滑翔機端接收機接收地面端發射機發送的控制指令滑翔飛行直到降落，實現機載設備回收;所述的地面數據存儲與處理設備包括地面端接收機、地面端發射機、數據存儲服務器、數據處理服務器、網絡發布服務器和地面監控裝置，首先，地面端接收機接收近空間遙感子平臺或者近地面遙感無人機群的遙感信息、運動信息、氣象信息等多源信息數據，其次，由數據庫存儲服務器承擔多源信息數據的云端存儲，然后，由數據處理服務器對多源信息數據分析和計算、接著網絡發布服務器對處理后的數據通過無線網絡或者以太網絡傳送農業、氣象、水利等民用部門，最后，通過地面監控裝置實現對各類數據的可視化顯示，地面監控裝置能通過地面端發射機傳送控制指令給脫鉤裝置、近空間滑翔無人機、近地面遙感無人機群;所述的近地面遙感無人機群由無人機群、機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置、氣象裝置、機群端發射機、機群端接收機組成，無人機群通過接收機接收任務指令，攜帶機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置和氣象裝置中的一種或幾種載荷裝置，在離地面3千米高空范圍內完成遙感、氣象、運動信息采集，遙感、氣象、運動信息通過無人機端發射機發送信息數據給地面端接收機，完成近地面多機協同精準遙感任務；
[0016]所述的近空間遙感子平臺將遙感信息、運動信息、氣象信息數據通過滑翔機端發射機傳輸給地面端接收機，接收的數據存儲于數據存儲服務器中，并通過數據處理服務器對數據進行計算處理，將處理后的數據傳至地面監控裝置實現對近空間遙感子平臺遙感、運動以及氣象信息的監控;所述的近空間滑翔無人機與長滯空浮空氣球連接部位的脫鉤裝置能與地面監控裝置實現信息交互，脫鉤裝置通過近空間滑翔無人機端接收機接收地面監控裝置發送的分離指令后，完成近空間滑翔無人機與長滯空浮空氣球的分離;所述的近空間滑翔無人機與長滯空浮空氣球分離后，將滑翔過程中實時測量的遙感信息、運動信息通過滑翔機端發射機遠程傳送地面端接收機，接收的信息通過數據存儲服務器存儲，經過數據處理服務器分析處理后，處理后的信息傳至地面監控裝置，通過數字、圖片或視頻的形式實現對信息的監視，同時地面監控裝置也能通過地面端發射機發送控制指令，將信號發送給近空間滑翔無人機端接收機，成為控制滑翔機機翼舵機運動的指令信號，控制滑翔機滑翔姿態;所述的地面監控裝置通過地面端接收機接收近空間滑翔無人機對局部區域更精準遙感的需求指令后，地面監控裝置指令近地面遙感無人機群由地面起飛對局部重點區域協同遙感作業，在總滯空時間最短、能源消耗最少、目標覆蓋值最大等約束條件下，完成觀測區域的協同精準遙感；
[0017]所述的近空間滑翔無人機與無人機群攜帶的遙感載荷，實現對各種氣候條件下遙感信息的實時采集;近空間滑翔無人機與無人機群攜帶的導航定位裝置完成精準定姿、定位、定向；氣象裝置實時測量飛行環境的溫度、濕度、風速、風向等氣象信息;通過無線網絡實現近空間遙感子平臺、近地面遙感無人機群、數據存儲與處理設備間的信息交互，實現近空間、近地面、地面一體化協同遙感;通過無線網絡或以太網絡將處理后的信息數據分類傳送農業、氣象、水利等民用部門。
[0018]如圖2，此發明搭建的網絡總體方案圖，廣域協同精準遙感平臺通過無線網絡實現近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備與近地面遙感無人機群間的信息交互，完成近空間、近地面、地面一體化協同遙感，通過無線網絡或者以太網絡技術將信息分類傳送給農業、林業、國土、氣象等部門的監控中心，針對突發情況，制定應對措施。
[0019]圖3描述的是廣域精準遙感平臺的工作過程，長滯空浮空氣球與近空間滑翔無人機在20千米?30千米高空大范圍遙感作業，遙感任務完成或遇突發狀況時，使近空間滑翔無人機與長滯空浮空氣球通過脫鉤裝置分離，近空間滑翔無人機開始滑翔飛行，同時緩慢下落，定時發送遙感導航定位信息給地面數據存儲與處理設備，需重點觀測的局部區域，地面站指揮近地面遙感無人機群飛至指定區域的3千米高度范圍內協同作業，采集并傳送更精準的遙感信息給地面監控裝置，最終近空間滑翔機和無人機群攜帶的電子設備實現回收，最終通過地面數據存儲與處理設備的地面監控裝置能確定受災位置和災情，迅速采取應對措施，減少經濟損失。
【主權項】
1.一種廣域協同精準遙感平臺，其特征在于:包括近空間遙感子平臺、地面數據存儲與處理設備、近地面遙感無人機群;其中，近空間遙感子平臺由長滯空浮空器攜帶探空儀通過脫鉤裝置與滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，近空間滑翔無人機通過攜帶的遙感與導航定位裝置，實現大范圍、長駐空定位遙感，獲取多源信息數據輸給地面數據存儲與處理設備，所述多源信息數據包括遙感信息、運動信息、氣象信息數據;地面數據存儲與處理設備實現對多源信息數據的存儲、處理和網絡發布;近地面遙感無人機群攜帶不同的遙感、導航定位、氣象裝置接收地面數據存儲與處理設備發布的控制指令，在離地面3千米高空范圍內協同完成遙感、導航定位等任務，實現精準協同遙感。2.根據權利要求1所述的一種廣域協同精準遙感平臺，其特征在于:所述近空間遙感子平臺包括長滯空浮空器、探空儀、脫鉤裝置、近空間滑翔無人機、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置、滑翔機端發射機和滑翔機端接收機;長滯空浮空器攜帶探空儀通過脫鉤裝置與近空間滑翔無人機連接升空進入20?30千米高空，實現近空間廣域長駐留對地遙感；當遙感任務完成后，近空間滑翔無人機通過脫鉤裝置脫鉤后，開始滑翔降落；同時近空間滑翔無人機通過滑翔機端遙感裝置和滑翔機端導航定位裝置實現對地遙感定位;探空儀、滑翔機端遙感裝置、滑翔機端導航定位裝置采集的多源信息數據通過滑翔機端發射機實時傳送地面數據存儲與處理設備;最后由滑翔機端接收機接收地面數據存儲與處理設備發送的控制指令使滑翔無人機滑翔飛行直到降落，實現機載設備的回收。3.根據權利要求1所述的一種廣域協同精準遙感平臺，其特征在于:所述地面數據存儲與處理設備包括地面端接收機、地面端發射機、數據存儲服務器、數據處理服務器、網絡發布服務器和地面監控裝置;地面端接收機接收近空間遙感子平臺或者近地面遙感無人機群的多源信息數據，由數據庫存儲服務器承擔多源信息數據的云端存儲，再由數據處理服務器對多源信息數據分析和計算，網絡發布服務器對處理后的多源信息數據通過無線網絡或者以太網絡傳送對外發布;最后，通過地面監控裝置實現對多源數據的可視化顯示，地面監控裝置能通過地面端發射機傳送控制指令給近空間遙感子平臺。4.根據權利要求1所述的一種廣域協同精準遙感平臺，其特征在于:所述近地面遙感無人機群包括無人機群、機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置、氣象裝置、機群端發射機和機群端接收機;無人機群通過機群端接收機接收任務指令，攜帶機群端遙感裝置、機群端導航定位裝置和氣象裝置中的一種或幾種載荷裝置，在離地面3千米高空范圍內完成多源信息數據采集，多源信息數據通過無人機端發射機發送信息數據給地面數據存儲與處理設備，完成近地面多機協同精準遙感任務。5.—種利用權利要求1-4任意之一所述的一種廣域協同精準遙感平臺的遙感方法，其特征在于實現為:近空間遙感子平臺將多源信息數據通過滑翔機端發射機傳輸給地面端接收機，地面端接收機將接收的數據存儲于數據存儲服務器中，并通過數據處理服務器對多源信息數據進行計算處理，計算處理后的多源信息數據傳至地面監控裝置實現對近空間遙感子平臺多源信息數據的監控;近空間滑翔無人機與長滯空浮空器連接部位的脫鉤裝置能與地面監控裝置實現信息交互，脫鉤裝置通過近空間滑翔無人機端接收機接收地面監控裝置發送的分離指令后，完成近空間滑翔無人機與長滯空浮空器的分離;近空間滑翔無人機與長滯空浮空器分離后，將滑翔過程中實時測量的多源信息數據通過滑翔無人機端發射機遠程傳送地面端接收機，數據存儲服務器對接收的多源信息數據存儲，經過數據處理服務器分析處理，處理后的多源信息數據傳至地面監控裝置，通過數字、圖片或視頻的可視化形式實現對多源信息數據的監視，同時地面監控裝置也能通過地面端發射機發送控制指令，將控制指令發送給近空間滑翔無人機端接收機，成為控制滑翔機機翼舵機運動的指令信號，控制滑翔機滑翔姿態;地面監控裝置通過地面端接收機接收近空間滑翔無人機對局部區域更精準遙感的需求指令后，地面監控裝置指令近地面遙感無人機群由地面起飛對局部重點區域協同遙感作業，在總滯空時間最短、能源消耗最少、目標覆蓋值最大約束條件下，完成觀測區域的協同精準遙感;近空間滑翔無人機與近地面遙感無人機群攜帶遙感載荷，實現對各種氣候條件下遙感信息的實時采集，近空間滑翔無人機與無人機群攜帶高精度輕小型導航定位裝置完成精準定姿、定位、定向，無人機群攜帶氣象裝置實現飛行環境的溫度、濕度、風速、風向在內的氣象信息的測量;地面數據存儲與處理設備負責對長滯空浮空器、近空間滑翔無人機、近地面遙感無人機群發送過來的遙感、運動、氣象信息數據的實時存儲、處理計算和網絡發布，實現近空間、近地面、地面一體化協同遙感，同時對數據分類后通過以太網絡傳送給農業、氣象、水利、國土部門參考利用，同時將處理后的信息傳送給地面監控裝置，實現信息的監視和控制。
【文檔編號】G01W1/02GK105915275SQ201610367568
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】郭雷, 吳克堅, 張霄, 李孟桃
【申請人】北京航空航天大學