CN105947241B - 一种救灾无人机天基全球快速投送*** - Google Patents
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Abstract
一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于，包括：运载中继传输航天器(1)、自主再入投送舱(2)和无人机(3)；运载中继传输航天器(1)运行在卫星轨道上，自主再入投送舱(2)与运载中继传输航天器(1)连接，自主再入投送舱(2)搭载无人机(3)；综合利用了在轨航天器全球快速可达的特点与无人机可深入灾难核心区域近距离采集信息的特点，本发明将无人航空飞行器装载于航天器中在轨飞行，利用其全球覆盖特性，突破了传统航空器航程和航速限制，提高灾难应急响应速度，利用再入手段将无人航空飞行器投送至受灾区域上空进行抵近勘察，克服了卫星成像分辨率不足的问题，提高了灾难应急响应的效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机投送***。
背景技术
发生坠机、沉船、战争冲突、暴恐袭击、自然灾害等突发事件，在救援人员赴现场处置之前，需要对事发现场进行勘察，以制定合理的救援计划，现有的搜救勘查手段主要包括派遣人员进行现场勘察、利用飞机或无人机等进行抵近勘查、利用卫星进行遥感成像勘查。但现有的搜救勘查手段存在一定的局限性，特别是对于远海、偏远地区发生灾难的情况，可能导致救援时机延误。具体分析如下：
派遣人员进行现场勘察，主要依靠专业的搜救人员徒步，或搭乘车辆、船舶等工具深入灾难现场，对现场情况进行实地勘察、搜索幸存人员并提供及时的服务，但受地形、海况、运输工具性能的影响，人员的行动范围极其有限，且在充分了解事发地具体情况前，贸然派遣人员可能导致次生事故发生。
利用飞机或无人机等航空飞行器进行抵近搜救勘查，可以在不深入灾难腹地的情况下，近距离勘查现场，搜索幸存人员，并通过投放物资等方式实施救援。航空器飞行速度快，机动能力强，可对受灾区域进行大范围普查和抵近详查，但受航空飞行器航程及飞行速度所限，公海、岛屿、外国领地、荒漠地区等地区发生灾难时，即使以当前普遍装备的高亚音速飞机，也需要数小时时间到达现场作业，并需要在燃料耗尽前返航，虽然无人机可选择工作至燃料耗尽被丢弃，但受制于遥控距离的影响，也无法对远方地区实施作业。
利用卫星进行遥感成像勘查，主要指利用光学成像卫星，在卫星对灾难地点过顶期间，对现场进行成像，并将图像数据传输至地面***，搜救人员通过分析卫星图像，获取灾难现场的信息。卫星遥感的优势在于可以通过星座组网的方式，对全球任意区域实现快速重访，无地理条件制约，成像响应时间可缩短至小时级甚至分钟级，但其局限性在于成像分辨率受卫星轨道高度影响，目前最高只能达到米级至分米级，对人员等小尺度目标识别能力不足，且受云层等天气条件影响严重，阴雨天气无法实施作业。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，本发明提供了一种救灾无人机天基全球快速投送***，将无人航空飞行器装载于航天器中在轨飞行，利用其全球覆盖特性，突破了传统航空器航程和航速限制，提高灾难应急响应速度，利用再入手段将无人航空飞行器投送至受灾区域上空进行抵近勘察，克服了卫星成像分辨率不足的问题，提高了灾难应急响应的效能。
本发明的技术解决方案是：一种救灾无人机天基全球快速投送***，包括：运载中继传输航天器、自主再入投送舱和无人机；运载中继传输航天器运行在卫星轨道上，运载中继传输航天器通过星地通信链路接收外部发送的事发地位置、投送时间、无人机飞行高度、飞行路径信息，根据事发地位置、投送时间、无人机飞行高度、飞行路径信息确定自主再入投送舱飞行姿态、自主再入投送舱释放时间、自主再入投送舱推进单元开机时刻、自主再入投送舱点火时长、无人机释放高度和速度信息；运载中继传输航天器将自主再入投送舱飞行姿态、自主再入投送舱释放时间、自主再入投送舱推进单元开机时刻、自主再入投送舱点火时长、无人机释放高度和速度信息传输给自主再入投送舱并将无人机飞行高度、飞行路径信息传送给无人机；运载中继传输航天器与自主再入投送舱连接；
自主再入投送舱搭载无人机；自主再入投送舱按照预定的自主再入投送舱释放时间与运载中继传输航天器分离；自主再入投送舱按照运载中继传输航天器发送的飞行姿态信息调整自身姿态，并按照自主再入投送舱推进单元开机时刻和自主再入投送舱点火时长信息控制减速脉冲进入到达目标区域上空的再入走廊；自主再入投送舱在高度和速度到达指定无人机释放高度和速度时释放无人机；
无人机从自主再入投送舱脱离后，根据运载中继传输航天器发送的无人机飞行高度、飞行路径信息，进入自动驾驶飞行状态，搜索运载中继传输航天器发送的通信信号，搭建无人机到运载中继传输航天器再到指挥终端的通信链路；无人机向指挥终端发送无人机位置、速度、姿态信息，同时无人机获取指挥终端发送的飞行控制指令用于改变无人机的飞行路径；无人机根据运载中继传输航天器发送的无人机飞行高度、飞行路径信息或指挥终端发送的飞行控制指令，寻找目标区域并进行巡视飞行，采集目标区域信息或投放物资，并通过通信链路回传采集到的图像、影像数据至指挥终端。
所述运载中继传输航天器搭载通信中继数传分***、无人机再入舱操作分***；无人机再入舱操作分***将自主再入投送舱飞行姿态、自主再入投送舱释放时间、自主再入投送舱推进单元开机时刻、自主再入投送舱点火时长、无人机释放高度和速度信息传输给自主再入投送舱并将无人机飞行高度、飞行路径信息传送给无人机飞控单元；通信中继数传分***发送的通信信号至无人机，搭建通信链路。
所述自主再入投送舱包括控制单元、能源单元、推进单元、无人机释放舱；控制单元搭载姿态敏感设备用于自主再入投入舱的姿态确定，并搭载姿态控制机构用于自主再入投送舱的姿态调整，姿态控制机构包括推力器、飞轮，控制单元搭载高度计测量自身高度、加速度计和陀螺仪计算自主再入投送舱速度；推进单元按照推进单元开机时刻启动，按照设定的自主再入投送舱点火时长控制减速脉冲。
所述无人机搭载星机通信***、有效载荷，其中有效载荷包括机载成像设备、物资；星机通信***搜索运载中继传输航天器中的通信中继数传分***发送的通信信号，并传输机载成像设备采集的目标区域视频或音频信息至指挥终端。
所述运载中继传输航天器在近地轨道环绕地球运行，并形成星座组网对全球所有地区进行规律性覆盖。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由运载中继传输航天器、自主再入投送舱和无人机构成，由环绕地球飞行的运载中继传输航天器释放自主再入投送舱的方式向灾难地区投送无人机，进行灾难现场勘查，相对传统的航空勘察手段，本发明具有响应时间快，对全球任意区域均可到达的优势；相对航天遥感勘察手段，本发明图像视频获取角度灵活，能够提供卫星照片无法达到的清晰度，且不受云层等天气影响。
(2)本发明中无人机搭载了星机通信***，用于建立无人机—运载中继传输航天器—指挥终端的通信链路，相比现有无人机采用的直接接收指挥终端信号的方式，本发明对无人机的操作距离远大于无人机航程和现有遥控信号传输距离的限制，可实现对无人机进行超远程操作，用于完成跨洋、跨洲际灾难勘察任务。
(3)本发明中提出了具有空中自主展开释放功能的自主再入投送舱，能够根据自身高度和速度，自行展开，在空中释放无人机，无人机可借此直接进入飞行状态，免去起飞等动作，提高任务执行效率。
附图说明
图1为本发明的飞行器组成图；
图2为本发明运载中继传输航天器架构图；
图3为本发明自主再入投送舱架构图；
图4为本发明作业无人机架构图；
图5为本发明救灾无人机天基快速***示意图；
图6为本发明灾难响应任务流程图；
图7为本发明的天基无人机投送与作业***建设与运行图。
具体实施方式
如图1所示，一种救灾无人机天基全球快速投送***，包括运载中继传输航天器1、自主再入投送舱2和无人机3。
运载中继传输航天器1，如图2所示，是天基无人机投送与作业***中长期在轨运行的部分，具有一般卫星平台的包括星务、结构、电源、控制、热控等全部分***，同时，搭载了通信中继数传分***和无人机再入舱操作分***，包括连接再入舱的机械/能源/信息接口，用于实现本发明中涉及的应急救灾任务实施。运载中继传输航天器1的主要功能分为两方面，一方面，为装有无人机3的自主再入投送舱2提供发射和值班运行阶段的搭载平台，同时保证自主再入投送舱2和无人机***的能源满足在轨运行期间的需求，并在投送任务实施前为自主再入投送舱2和无人机3装载初始数据；另一方面，在无人机3释放后，通过通信中继数传分***，建立无人机3-运载中继传输航天器1-指挥终端的通信连接，保证救灾指挥***的操作指令下达至无人机3，同时无人机3获取的图像视频等信息传输至指挥站。
自主再入投送舱2，如图3所示，是用于无人机3再入大气层投送的主要载体，其分为两个子舱段，其中服务舱中装载了能源、控制和推进单元，可在运载中继传输航天器1为其装订初始数据并释放后，自主进行姿态和轨道控制，按照一定的飞行路径进入大气层，无人机释放舱用于装载无人机3，并且可按指令程序在到达指定状态时自动展开，释放其内部的无人机3。同时，自主再入投送舱2装备了防护壳体，外表面采用烧蚀防热材料，可在保证一定飞行特性的基础上提供无人机3再入飞行期间的热环境，同时壳体也提供无人机3在轨长期飞行期间的空间环境防护功能。自主再入投送舱2为一次性装备，再入释放无人机3后，自主再入投送舱2即丢弃，一颗运载中继传输航天器1可同时搭载多枚自主再入投送舱2。
无人机3，如图4所示，是对灾难发生地区实施抵近勘察的主体，利用可折叠翼式机体提供升力，机上配置的能源单元、飞控单元和控制机构用于提供持续机动飞行能力，星机通信***可自主跟踪卫星并可建立无人机3与运载中继传输航天器1之间的通信链路，通过该链路接收指令或发送数据，此外，无人机3上搭载的有效载荷包括摄像、拍照设备用于灾难勘察，必要时也可搭载投放物、信标机等用于救援。无人机3也属于一次性设备，能源耗尽后，飞机可自主降落或丢弃。
如图5所示，为天基无人机投送与作业***的示意图，***以星座组网的方式，利用多颗运载中继传输航天器1携带自主再入投送舱2巡航整个地球周围，偏远地区突发灾难后，航天器接收任务指令，按照指令将控制参数发送给再入舱和无人机3，并在预定时刻释放再入舱，由自主再入投送舱携带无人机3进入大气层，在达指定释放高度后，无人机3从再入舱中分离，自主进入飞行状态，并通过航天器中继的方式与指挥***建立通信，开展作业。
如图6所示，为天基无人机投送与作业***的具体工作流程。首先，在灾难响应部门接到应急响应信息后，需要明确事发地位置等信息，确实需要天基无人机投送***提供支援时，结合当前时刻各个运载中继传输航天器1在轨运行状态，规划确定某一航天器执行投送任务，将相关指令通过星地通信链路上传至运载中继传输航天器1。
运载中继传输航天器1搭载通信中继数传分***，无人机再入舱操作分***；接收外部发送的事发地位置、投送时间、无人机3飞行高度、飞行路径信息，根据上述信息，确定自主再入投送舱2飞行姿态、自主再入投送舱2释放时间、自主再入投送舱2推进单元开机时刻、自主再入投送舱2点火时长、无人机3释放高度和速度信息，具体方法为：按照投送时间，结合运载中继传输航天器1当前飞行状态，推算投送时刻运载中继传输航天器1将要到达的空间位置和速度，然后利用经典再入体动力学模型，结合事发地位置、无人机飞行高度数据，计算一条自主再入投送舱2的再入飞行轨迹，该轨迹的起点位于投送时刻运载中继传输航天器1将要到达的空间位置，终点位于事发地上空无人机3预定飞行高度所在的位置。而自主再入投送舱2的再入飞行轨迹起始点对应的飞行速度与投送时刻运载中继传输航天器1的速度矢量之差，即为自主再入投送舱2进行变轨机动所需的速度脉冲矢量，该速度脉冲矢量的矢量方向决定了自主再入投送舱2释放后的飞行姿态，即轨控发动机推力方向应与速度脉冲矢量矢量方向一致，而速度脉冲大小结合轨控发动机推力、投送时间，根据经典发动机推力公式，计算自主再入投送舱2的推进单元开机时刻和点火时长。无人机再入舱操作分***将自主再入投送舱2飞行姿态、自主再入投送舱2释放时间、自主再入投送舱2推进单元开机时刻、自主再入投送舱2点火时长、无人机3释放高度和速度信息传输给自主再入投送舱2并将无人机3飞行高度、飞行路径信息传送给无人机3飞控单元；运载中继传输航天器1按照预定的自主再入投送舱2的释放时间，使连接运载中继传输航天器1和自主再入投送舱2的接口脱开，自主再入投送舱2与运载中继传输航天器1分离，进入自主飞行状态。
自主再入投送舱2包括控制单元、能源单元、推进单元、无人机释放舱；自主再入投送舱2利用控制单元的姿态敏感设备进行姿态确定，按照无人机再入舱操作分***发送的飞行姿态信息，利用控制单元中的姿态控制机构推力器、飞轮调整自身姿态，然后按照推进单元开机时刻启动推进单元，通过设定的点火时长控制推力单元提供的减速脉冲，使自主再入投送舱2进入到达目标区域上空的再入走廊。减速后，自主再入投送舱2进一步调整自身姿态，以防热结构头部朝向飞行方向，防止气动加热效应对舱体造成损伤，利用自身气动外形稳定自身姿态，通过黑障区并降低速度后，利用控制单元中的高度计测量自身高度、加速度计和陀螺仪计算自身速度，当自主再入投送舱2的高度和速度到达指定无人机释放高度和速度时，引爆火工品使得自主再入投送舱2展开释放无人机3，无人机3随即被释放至空中，展开折叠翼，启动航空发动机进入飞行状态，而自主再入投送舱2则被丢弃。
无人机3从自主再入投送舱2脱离后，可自行启动发动机、展开机翼、尾翼，根据运载中继传输航天器1发送的无人机飞行高度、飞行路径信息，进入自动驾驶飞行状态，启动星机通信***，搜索运载中继传输航天器1中的通信中继数传分***发送的通信信号，搭建无人机3到运载中继传输航天器1再到指挥终端的通信链路。完成通信链路的联通后，无人机3向指挥终端发送无人机飞行状态信息(位置、速度、姿态信息)，同时指挥终端也可以通过向无人机3发送飞行控制指令改变无人机3的飞行路径使得无人机3进入半自主或有控飞行模式。无人机3根据运载中继传输航天器1发送的无人机飞行高度、飞行路径信息或指挥终端发送的飞行控制指令，寻找目标区域并进行巡视飞行，同时启动机载成像设备等有效载荷，对灾难现场进行近距离多角度信息采集，同时利用通信链路回传采集到的图像、影像数据至指挥终端。若无人机3上搭载了投放装置，则按需求向指定地点投放信标等救援物品。无人机3上能源消耗殆尽之际，无人机3自主迫降，启动自身信标机等待搜救人员拾取回收，或直接丢弃，完成整个任务使命。
一轮投放任务实施后，若仍不满足灾难现场勘查的需求，也可再次规划新的投送策略，重复上述过程。
如图7所示，为天基无人机3投送与作业***的大***建设流程，***建立初期，利用运载火箭，将若干运载中继传输航天器1送入近地轨道环绕地球运行，并形成星座组网以完成对全球所有地区的规律性覆盖；组网完成后，***进入值班运行阶段，在此阶段，运载中继传输航天器1***一方面对来自地面的灾难响应信息保持待命状态，另一方面，充分利用星上的通信/中继传输设备，为地面提供数据服务；***在接到灾难响应指令后，即可执行图6所示的任务流程，并消耗所携带的自主再入投送舱2和无人机3，在某颗运载中继传输航天器1搭载的所有自主再入投送舱2全部释放后，可进入空载运行状态，此时航天器可继续为地面提供通信/中继传输服务。对于空载运行的航天器，可按照灾难响应任务的需要，重新发射新的运载中继传输航天器1，对***星座进行补网，保证对地覆盖性能，也可通过在轨装配的方式，为航天器补充自主再入投送舱2，使其重新进入值班运行状态。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于，包括：运载中继传输航天器(1)、自主再入投送舱(2)和无人机(3)；运载中继传输航天器(1)运行在卫星轨道上，运载中继传输航天器(1)通过星地通信链路接收外部发送的事发地位置、投送时间、无人机(3)飞行高度、飞行路径信息，根据事发地位置、投送时间、无人机(3)飞行高度、飞行路径信息确定自主再入投送舱(2)飞行姿态、自主再入投送舱(2)释放时间、自主再入投送舱(2)推进单元开机时刻、自主再入投送舱(2)点火时长、无人机(3)释放高度和速度信息；运载中继传输航天器(1)将自主再入投送舱(2)飞行姿态、自主再入投送舱(2)释放时间、自主再入投送舱(2)推进单元开机时刻、自主再入投送舱(2)点火时长、无人机(3)释放高度和速度信息传输给自主再入投送舱(2)并将无人机(3)飞行高度、飞行路径信息传送给无人机(3)；运载中继传输航天器(1)与自主再入投送舱(2)连接；
自主再入投送舱(2)搭载无人机(3)；自主再入投送舱(2)按照预定的自主再入投送舱(2)释放时间与运载中继传输航天器(1)分离；自主再入投送舱(2)按照运载中继传输航天器(1)发送的飞行姿态信息调整自身姿态，并按照自主再入投送舱(2)推进单元开机时刻和自主再入投送舱(2)点火时长信息控制减速脉冲进入到达目标区域上空的再入走廊；自主再入投送舱(2)在高度和速度到达指定无人机(3)释放高度和速度时释放无人机(3)；
无人机(3)从自主再入投送舱(2)脱离后，根据运载中继传输航天器(1)发送的无人机(3)飞行高度、飞行路径信息，进入自动驾驶飞行状态，搜索运载中继传输航天器(1)发送的通信信号，搭建无人机(3)到运载中继传输航天器(1)再到指挥终端的通信链路；无人机(3)向指挥终端发送无人机位置、速度、姿态信息，同时无人机(3)获取指挥终端发送的飞行控制指令用于改变无人机(3)的飞行路径；无人机(3)根据运载中继传输航天器(1)发送的无人机飞行高度、飞行路径信息或指挥终端发送的飞行控制指令，寻找目标区域并进行巡视飞行，采集目标区域信息或投放物资，并通过通信链路回传采集到的图像、影像数据至指挥终端。
2.根据权利要求1所述的一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于：所述运载中继传输航天器(1)搭载通信中继数传分***、无人机再入舱操作分***；无人机再入舱操作分***将自主再入投送舱飞行姿态、自主再入投送舱释放时间、自主再入投送舱推进单元开机时刻、自主再入投送舱点火时长、无人机释放高度和速度信息传输给自主再入投送舱(2)并将无人机飞行高度、飞行路径信息传送给无人机飞控单元；通信中继数传分***发送通信信号至无人机(3)，搭建通信链路。
3.根据权利要求1或2所述的一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于：所述自主再入投送舱(2)包括控制单元、能源单元、推进单元、无人机释放舱；控制单元搭载姿态敏感设备用于自主再入投送舱(2)的姿态确定，并搭载姿态控制机构用于自主再入投送舱(2)的姿态调整，姿态控制机构包括推力器、飞轮，控制单元搭载高度计测量自身高度、加速度计和陀螺仪计算自主再入投送舱(2)速度；推进单元按照推进单元开机时刻启动，按照设定的自主再入投送舱(2)点火时长控制减速脉冲。
4.根据权利要求3所述的一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于：所述无人机(3)搭载星机通信***、有效载荷，其中有效载荷包括机载成像设备、物资；星机通信***搜索运载中继传输航天器(1)中的通信中继数传分***发送的通信信号，并传输机载成像设备采集的目标区域视频或音频信息至指挥终端。
5.根据权利要求1或2所述的一种救灾无人机天基全球快速投送***，其特征在于：所述运载中继传输航天器(1)在近地轨道环绕地球运行，并形成星座组网对全球所有地区进行规律性覆盖。
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