北斗系統(tǒng)在航空護(hù)林中的應(yīng)用*

郭天峰周宇飛吳澤鵬

(1.廣東省航空護(hù)林站/廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州，510520；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州，510520)

北斗系統(tǒng)在航空護(hù)林中的應(yīng)用*

郭天峰1周宇飛2吳澤鵬2

(1.廣東省航空護(hù)林站/廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州，510520；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州，510520)

北斗系統(tǒng)在航空護(hù)林通信及導(dǎo)航中具備定位準(zhǔn)、安全可靠、可進(jìn)行短報(bào)文通信等優(yōu)勢(shì)，可以克服航空護(hù)林作業(yè)中出現(xiàn)的通信阻斷、偏離航線、數(shù)據(jù)滯后等問(wèn)題。文章從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)廣東省北斗終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)進(jìn)行說(shuō)明。北斗終端系統(tǒng)在航空護(hù)林中提供的定位服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、數(shù)據(jù)同步服務(wù)等有效解決了傳統(tǒng)航空護(hù)林中存在的問(wèn)題，表明北斗終端系統(tǒng)可以為廣東省航空護(hù)林工作提供技術(shù)保障。

北斗系統(tǒng)；航空護(hù)林；導(dǎo)航；數(shù)據(jù)同步

航空護(hù)林指利用飛機(jī)完成護(hù)林飛行、撲滅森林火災(zāi)等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)使用航空手段達(dá)到保護(hù)森林的目的，是森林防火的重要組成部分[1-2]。我國(guó)航空護(hù)林體系的發(fā)展已經(jīng)越來(lái)越成熟，航空護(hù)林站、雷達(dá)站、基站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也初具規(guī)模。但是航空護(hù)林山區(qū)作業(yè)存在以下幾點(diǎn)不利因素：（1）航空護(hù)林具有工作區(qū)域大、低空飛行、遇地理環(huán)境復(fù)雜或火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的能見度低等特點(diǎn)，容易造成護(hù)林飛機(jī)通信受山體遮擋而阻斷等現(xiàn)象，缺乏對(duì)護(hù)林飛機(jī)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）飛行人員獲取情報(bào)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)等具有滯后性、單一性，造成實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)的不同步，影響航空護(hù)林任務(wù)的準(zhǔn)確性，缺乏護(hù)林飛機(jī)與護(hù)林站數(shù)據(jù)的有效交換；（3）護(hù)林飛機(jī)在極端條件下，通信阻斷、能見度低，飛行人員如果缺乏有效的航空導(dǎo)航將難以完成護(hù)林任務(wù)，缺乏根據(jù)飛行計(jì)劃、航線計(jì)劃定制的航空導(dǎo)航。

為了解決以上問(wèn)題，以GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為航空護(hù)林導(dǎo)航的應(yīng)用在我國(guó)得到了嘗試與發(fā)展，最早在1994年春航，佳木斯航空護(hù)林站就使用了GPS為GA-200飛機(jī)巡護(hù)飛行輔助導(dǎo)航[3],其后GPS在我國(guó)航空巡護(hù)、偵查火情、勾繪火場(chǎng)、防火宣傳及灑水滅火等各方面均得到了應(yīng)用[4]，證明了衛(wèi)星定位系統(tǒng)在航空護(hù)林的各個(gè)環(huán)節(jié)都具有重要作用。北斗系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立自主建設(shè)和發(fā)展的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)提供免費(fèi)、持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的定位與導(dǎo)航服務(wù)[5]。同時(shí)，相較GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)在航空護(hù)林工作中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6-7]。首先，北斗系統(tǒng)是由我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的，國(guó)際環(huán)境的變化不會(huì)影響到北斗定位服務(wù)的可靠性和安全性，為我國(guó)森林防火工作帶來(lái)持續(xù)的安全保障。其次，北斗系統(tǒng)定位精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，抵抗極端環(huán)境的能力也十分突出[7-8]。再次，北斗系統(tǒng)是目前世界上唯一可提供短報(bào)文通信的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在航空護(hù)林工作中，北斗系統(tǒng)的報(bào)文通信可以有效促進(jìn)護(hù)林飛機(jī)和護(hù)林站之間的數(shù)據(jù)交互[8-9].。目前北斗系統(tǒng)已經(jīng)在亞太地區(qū)提供穩(wěn)定的服務(wù)[9]。早在2005年，在我國(guó)東北航空護(hù)林中心已經(jīng)利用北斗雙星定位系統(tǒng)來(lái)建立航線管理及飛機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[10]，隨著北斗系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，當(dāng)前已有15顆導(dǎo)航衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行，正進(jìn)入衛(wèi)星發(fā)射密集期[11]，利用北斗系統(tǒng)對(duì)航空護(hù)林飛機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航及提供相關(guān)服務(wù)已經(jīng)成為航空護(hù)林發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題[9]。

1 北斗終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是北斗終端系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖，護(hù)林飛機(jī)攜帶北斗終端系統(tǒng)，北斗終端通過(guò)北斗衛(wèi)星獲取定位信號(hào)，通過(guò)飛行計(jì)劃和離線地圖實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，同時(shí)將定位信號(hào)通過(guò)北斗衛(wèi)星的報(bào)文消息傳遞給護(hù)林工作站，也可與工作站進(jìn)行簡(jiǎn)短的語(yǔ)音通信，工作站根據(jù)實(shí)時(shí)的位置和任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，對(duì)護(hù)林飛機(jī)進(jìn)行調(diào)度和指揮。另外，北斗終端可以實(shí)現(xiàn)與護(hù)林工作站的數(shù)據(jù)同步，為護(hù)林任務(wù)提供保障。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

北斗終端系統(tǒng)主要提供的功能包括定位服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等。這些功能與服務(wù)將共同為航空護(hù)林工作帶來(lái)幫助。

圖1 北斗終端系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2.1 定位服務(wù) 北斗終端系統(tǒng)通過(guò)北斗衛(wèi)星獲取實(shí)時(shí)的定位數(shù)據(jù)。開啟定位功能后，在系統(tǒng)管理員設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)不斷獲取精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)。定位服務(wù)主要包括以下功能：（1）為飛行人員提供實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù)，在終端的地圖上顯示飛行的當(dāng)前位置和歷史軌跡線，更明確的計(jì)劃與實(shí)施護(hù)林任務(wù)；（2）為北斗終端的導(dǎo)航功能提供位置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)基于離線地圖、航線設(shè)定和實(shí)時(shí)位置進(jìn)行導(dǎo)航，其中實(shí)時(shí)位置的獲取對(duì)于導(dǎo)航功能至關(guān)重要；（3）定位信號(hào)會(huì)不斷傳遞給護(hù)林工作站，空管人員就可以在監(jiān)控設(shè)備上監(jiān)控不同護(hù)林飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置和飛行軌跡，更好的進(jìn)行任務(wù)的分配和調(diào)度。

1.2.2 導(dǎo)航服務(wù) 北斗終端設(shè)備通過(guò)衛(wèi)星定位、離線地圖、飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)飛行中的導(dǎo)航功能。離線地圖數(shù)據(jù)在使用設(shè)備前加載，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)的更新。飛行人員通過(guò)導(dǎo)航點(diǎn)經(jīng)緯度、位置代碼、名稱等檢索方式查詢導(dǎo)航點(diǎn)，檢索后以列表形式顯示導(dǎo)航點(diǎn)信息，點(diǎn)擊需要執(zhí)行任務(wù)的導(dǎo)航點(diǎn)位置，開始導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)與護(hù)林站提供的指揮服務(wù)相結(jié)合，協(xié)同配合完成航空護(hù)林任務(wù)。飛行人員可以根據(jù)護(hù)林任務(wù)設(shè)定航空護(hù)林路線，即便是在與護(hù)林工作站通信暫時(shí)阻斷的情況下，也可以有效繼續(xù)航空護(hù)林任務(wù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)同步服務(wù) 北斗設(shè)備終端軟件提供了與護(hù)林站之間的數(shù)據(jù)同步服務(wù)。主要包括情報(bào)服務(wù)數(shù)據(jù)同步、氣象服務(wù)數(shù)據(jù)同步、離線服務(wù)數(shù)據(jù)同步等。

（1）情報(bào)服務(wù)數(shù)據(jù)同步 可同步的情報(bào)數(shù)據(jù)包括護(hù)林站最新擬定的飛行計(jì)劃、航線代碼、航線高度、航線起止點(diǎn)、救援信息等相關(guān)的飛行計(jì)劃情報(bào)；機(jī)場(chǎng)狀態(tài)、位置、周圍障礙物等相關(guān)的機(jī)場(chǎng)信息情報(bào)；空域名稱、代碼、類型、范圍、狀態(tài)等相關(guān)的空域信息情報(bào)；飛行人員傳遞的實(shí)際起飛、落地、鳥情等飛行數(shù)據(jù)情報(bào)等。這些情報(bào)數(shù)據(jù)的同步，為飛行人員及時(shí)掌握飛行計(jì)劃變更、火情緊急任務(wù)、飛行安全等信息提供有力保障。

（2）氣象服務(wù)數(shù)據(jù)同步 同步的氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)、云、相對(duì)濕度、雷電、氣溫、降水等主要、特殊氣象項(xiàng)，護(hù)林站可以根據(jù)氣象部門提供的最新天氣情況，實(shí)時(shí)向飛行人員推送天氣信息，幫助飛行人員提前做好應(yīng)對(duì)工作。飛行人員可以根據(jù)地名和代碼查詢氣象，也可以根據(jù)出現(xiàn)的緊急氣象信息，向護(hù)林站報(bào)告，幫助護(hù)林站調(diào)整護(hù)林飛行任務(wù)。

（3）離線服務(wù)數(shù)據(jù)同步 離線服務(wù)數(shù)據(jù)包括服務(wù)區(qū)域離線地圖，機(jī)場(chǎng)、航線、空域等情報(bào)數(shù)據(jù)，短期、長(zhǎng)期的風(fēng)、云、相對(duì)濕度、雷電、氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行的飛行計(jì)劃數(shù)據(jù)。這些離線數(shù)據(jù)在執(zhí)行任務(wù)前加載到北斗終端設(shè)備上，在連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。這些離線數(shù)據(jù)都是飛行人員執(zhí)行飛行任務(wù)需要的重要數(shù)據(jù)，為完成航空護(hù)林任務(wù)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 北斗終端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

廣東省在航空護(hù)林飛機(jī)上安裝機(jī)載北斗終端系統(tǒng)，在護(hù)林站服務(wù)器上安裝地面數(shù)據(jù)應(yīng)答收發(fā)系統(tǒng)，并在現(xiàn)有的航空護(hù)林地理信息系統(tǒng)中做二次開發(fā)，將機(jī)載北斗終端系統(tǒng)傳回的飛機(jī)位置等信息集成顯示于電子地圖上，同時(shí)將地面收集的情報(bào)、氣象及航線等數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式反饋給航護(hù)飛機(jī)，使得飛機(jī)飛行人員可以使用北斗終端系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、了解飛行相關(guān)情報(bào)等。此外，通過(guò)北斗的短報(bào)文通信方式將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到護(hù)林站，護(hù)林站就可以根據(jù)飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置和其他數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)度。

3 結(jié)論和討論

本文研究了北斗終端系統(tǒng)在廣東航空護(hù)林中應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，研發(fā)的北斗終端系統(tǒng)主要功能包括定位服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、數(shù)據(jù)同步服務(wù)等，這幾項(xiàng)服務(wù)可以有效解決航空護(hù)林作業(yè)中出現(xiàn)的通信阻斷、偏離航線、數(shù)據(jù)滯后等問(wèn)題，確保航空護(hù)林作業(yè)的順利完成，為廣東省乃至我國(guó)航空護(hù)林工作提供可靠保障及有力支撐。

北斗終端系統(tǒng)在航空護(hù)林中應(yīng)用前景十分廣闊。北斗系統(tǒng)與GPS等其他全球定位系統(tǒng)相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)受到國(guó)際環(huán)境的影響，可以提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的服務(wù)，還是當(dāng)前世界上唯一可以提供短報(bào)文消息服務(wù)的定位系統(tǒng)。按照“三步走”的發(fā)展路線，北斗系統(tǒng)將遵循“先區(qū)域、后全球，先有源、后無(wú)源”的總體發(fā)展思路分步實(shí)施，形成突出區(qū)域、面向全球、富有特色的北斗系統(tǒng)發(fā)展道路[5]。隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善和發(fā)展，相信其在航空護(hù)林領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，在進(jìn)一步促進(jìn)現(xiàn)代化的航空護(hù)林中會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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Application Research of BeiDou Navigation Satellite System in Aviation Forest Protection

GUO Tianfeng1ZHOU Yufei2WU Zepeng2
(1. Guangdong Aerial Forest Fire Protection Station/ Guangdong Forest Fire Satellite Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510520,China; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture, Protection and Utilization/Guangdong Academy of Forestry, Guangzhou, Guangdong 510520,China)

BeiDou Navigation Satellite System has the advantage of accurate positioning, safety and reliability, and being able to take short message communication in the communication and navigation of aviation forest protection. And it could solve the problems of communication blocking, deviation from the route, data lag, etc. in the aviation forest protection. This paper describes the design, research and development of Guangdong BeiDou Terminal System from the aspects of system architecture design, function design and system realization, etc. Through the analysis of the advantages of BeiDou system in aviation forest protection, the positioning service, navigation service and data synchronization service provided by BeiDou terminal system could solve the problems in the traditional aviation forest protection, indicating that the BeiDou terminal system could provide technical support in Guangdong aviation forest protection.

BeiDou navigation satellite system; aviation forest protection; navigation; data synchronization

S762.6

：A

：2096-2053（2017）04-0043-04

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目“森林火災(zāi)地空高效配合撲救技術(shù)研究”（2013KJCX017，2015KJCX046）。

郭天峰（1979— ），男，工程師，主要從事森林防火研究，E-mail:guodaryl@163.com。