我国将首次在南极应用无人机大范围观测海冰,

作者:科技时代

“目前南极破冰导航通常采用卫星遥感资料获取海冰冰情,然后根据冰情进行分析,指导船舶航行。”北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院副教授惠凤鸣告诉《中国科学报》记者。

  他表示,无人机在南极的大范围应用不仅可以为“雪龙”号规划破冰航线提供依据,也将为研究中山站附近海域的大气、海洋、海冰相互作用提供关键数据。

2016岁末,有些人在忙碌一年后想休息一下,但很多科研人员的工作却刚刚开始。记者从北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院院长程晓处获悉,北师大全球院无人机团队已经全程参与到第33次南极科考中,并屡获佳绩。全球院张宝钢工程师和研究生马驰于12月10日进驻中山站,将在中山站开展为期3个多月的度夏科学考察。

二是船舶能够获取卫星遥感资料的可行性。船舶应该在尽可能短的时间内获取海冰冰情分析数据与建议的航线。如果获取冰情信息太晚,海冰会发生变化,之前的冰情分析与建议航线均会失效。

  谢成荫说,舰载微型无人侦察机将通过其搭载的摄像头等仪器,把直观的海冰形态、密集度、冰间水道等信息,通过无线传输的方式实时发送回“雪龙”号。

综合各方面因素,考察队最终决定取消第一阶段海冰卸货。此次是我国南极考察首次使用无人机进行海冰探路工作,该项工作获得了考察队领导的高度评价,领队孙波认为:“我国在南极科考的种先进的科考设备,不应该仅仅应用于科学任务,还应该在各项业务管理、应急保障等工作中进行尝试和探索,后者能力的提升同时也会为科研提供更有力的支撑。此次无人机探冰就是无人机技术应用于极地科考业务工作中一个很好的实例。”

■本报记者 陆琦

  北京航空航天大学机器人研究所助理研究员谢成荫介绍说,此次实验用的无人机“雪燕”就属于民用无人机。它将搭载航拍相机、红外辐射计和红外探头等仪器,在中国南极中山站附近的普里兹湾海域上空开展海冰观测实验。

结合卫星数据和雪地摩托实地踏勘等资料,2名队员科学规划了无人机飞行任务,克服了南极地区低温、大风、低太阳高度角等种种困难,在直升机作业的间歇期完成了3个架次的无人机航拍作业,获取了雪龙船至平整冰区12km的高分辨率无人机正射影像。

《中国科学报》 (2016-01-14 第4版 综合)

  谢成荫表示,科研人员曾在中国第24次南极考察中开展了首次极地无人机应用验证实验,在中山站以北的150米超低空飞行了30公里。中国第26次南极考察期间,科研人员在此基础上对无人机进行大范围应用,“雪燕”将在中山站附近海冰分布广且形态丰富的1600平方公里区域内按照设计航线自主飞行。

北师大无人机团队助力第33次南极科考

无人机为破冰船导航靠谱吗

  此外,科研人员还计划利用舰载微型无人侦察机,对南极浮冰区进行冰情侦察。这架无人机的翼展为1.2米,起飞重量为5公斤,最高飞行速度可达每小时150公里。科研人员将通过手掷起飞、撞网着舰的方式,在“雪龙”号直升机甲板上实现这一无人机的起降。

这是目前中山站最高分辨率的正射遥感影像,其分辨率是目前最高分辨率的民用遥感卫星数据的十倍,可以轻易识别散落在站区、码头等地的建筑废品等垃圾,为环境整治提供规划依据和靶向目标。

“无人机作为新兴的低空航空遥感系统,轻便、快捷的数据获取优势在资源调查、突发事件应急管理等方面发挥了重要作用。”不过,惠凤鸣表示,无人机可以成为海冰导航重要的数据采集技术,但并不可靠。

  应用无人机作为人类“替身”进行辅助科学探测活动,是许多国家竞相研究的课题。谢成荫说,我国科研人员计划未来在南极应用具有定点悬停、姿态遥控导航以及自主导航等功能的无人直升机,为破冰船航行及南极科考提供更为先进的技术保障。

经过紧张的第一阶段卸货工作后,“雪龙”船于当地时间12月12日晚8点拔锚起航,开始环南极考察之行。两名队员正式开始中山站的工作。南极考察站站区环境和环保工作直接关系和影像我国在南极事务中的形象和地位。随着我国极地科考事业的不断发展,中山、长城两站如今均已颇具规模,各项设施完备、条件优良,有很高的国际声誉。然而伴随着发展所带来的环境问题也越来越突出,近年来度南极各站区环境的综合整治和治理均是每次考察队重要的工作内容之一,本次也不例外。2名队员到站后,受中山站赵勇站长所托,利用无人机对站区展开了航拍,第一时间获取了站区5cm分辨率的高分辨率无人机遥感影像。

惠凤鸣认为,难点主要有两个。一是卫星遥感资料数据的可用性。比如,卫星过境获取数据的时间与船舶经过海冰区域的时间应该接近,时间差一般小于一天。两者的时间间隔太长,海冰在天气系统的影响下发生了变化,卫星遥感数据获取的冰情就没有意义了。

  形如蜻蜓的“雪燕”采用全玻璃钢蜂窝结构设计,翼展3.2米,机长2.8米,自身重量15公斤,能搭载10公斤重的科研仪器,最大续航时间为2小时,最大航程可达240公里。

据悉,北京师范大学极地无人机团队成立于2014年,截至目前已经连续三年在南北极科考中成功实施无人机航拍作业,作业地区覆盖了我国除南极内陆之外的所有科考站。下一个阶段,团队将充分发挥自身在极地遥感应用领域的优势,不断获取和积累包括卫星、无人机、地面观测的遥感数据,探索和挖掘遥感大数据应用潜力,服务于我国极地科考与国家战略。

在为期9天的时间里,该无人机一共执行了5次任务,被证明是有价值的海冰导航工具。

  无人机通常是指具有一定自主导航、自主驾驶能力的飞行器,按使用范围可分为军用型和民用型。军用无人机包括侦察机、电子干扰机、通讯机、无人战斗机等,民用无人机则主要用于测绘、航拍、遥感和灾害预警等。

根据卫星遥感数据,从“雪龙”船出发到中山站外围平整冰区的宽度约12km,共有4条主要的“乱冰”带,无人机正是要在这4条乱冰带中发现相对平整、结实的缺口,为考察队提供决策依据。

前不久,澳大利亚“南极光”号破冰船开始了一年一度的补给航行。这次航行中,科学家首次通过无人机提供的海冰情况的画面进行航行决策。

  新华社“雪龙”号12月1日电 (记者 崔静)新华社记者1日获悉,在第26次南极考察中,我国将首次在南极应用无人机进行大范围海冰观测实验。

自“雪龙”船进入冰区航行以来,全球院极地遥感团队凭借多年在海冰导航工作中的技术和经验积累,持续为考察队提供第一手海冰遥感资料和冰情分析报告,是“雪龙”的“天眼”。根据遥感卫星数据分析,本年度中山站外围固定冰距离站区最近距离超过30km,为历年之最。冰面上由冰脊、破碎带、融池所组成的“乱冰区”宽度超过10km,雪地车难以通过,十分不利于冰面卸货作业。

为此,北京师范大学极地研究中心在极区海冰快速变化遥感方面,发展了卫星遥感数据快速处理与分析技术,连续6次指导“雪龙”号破冰,2014年初成功协助“雪龙”号从南极海冰脱困,并在北极航道开发方面初步发挥重要作用。

2名队员还将于度夏工作结束前再次进行一期航拍工作,从而对本年度度夏期间的环境整治成效进行精确评估和展示。

卫星遥感技术实时、大范围、动态的优势,是其在海冰区域导航应用的关键。但实际应用起来并不那么简单。

考察队综合分析各种因素后,决定以直升机吊运作为主要卸货方式,同时组织各方力量展开探冰工作,一旦冰面条件允许则立即启动海冰卸货作业。我校两名科考队员携最新的”极鹰III”型固定翼无人机参与了探冰工作,对“乱冰区”展开无人机航拍作业,继“天眼”之后再为雪龙添上“鹰眼”,以期能在“乱冰从中”找到一条通道。

他表示,北京师范大学极地研究中心在2014年组建了无人机研究团队,成功获取了南极中山站所在区域的无人机航拍图以及北极黄河站周边冰川无人机航拍图。

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据了解,此前还未有其他国家的无人机参与海冰导航。

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惠凤鸣表示,南极海域导航技术从依靠肉眼、望远镜开始,到今天依靠卫星遥感技术,这一过程是科技发展的过程。

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原因是:在南北极海冰区域,天气变化迅速,气温低,无人机要成为可靠的海冰导航工具,必须要克服这些恶劣的自然条件带来的困难。但目前来看,尤其是风速与低温对无人机飞行影响巨大。

通过对高分辨率影像的分析,可以快速提取“乱冰”中相对平坦的缺口及宽度。对比影像中雪地摩托探路车辙可以发现,无人机影像视野开阔、分辨率高,在路线选择上具有明显的优势。然而冰面卸货不仅需要考虑平整的路面,还需要评估海冰行车的安全风险,无人机影像同样能提供很好的信息。从影像上可以看出,一处必经的乱冰带疑似由潮汐缝扩张、破碎、再冻结所形成,其间遍布尺寸较小的碎冰,雪地车在此行进存在较大的风险。

“这些试验的成功为将来海冰信息的获取提供了重要的经验,我们将尝试在‘雪龙’船上利用无人机获取实时的冰情信息,发展准实时的图像处理系统,为‘雪龙’船提供准确的冰情信息。”惠凤鸣说。

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“尽管现在的导航受某些技术的限制没有做到准实时,但随着技术的发展,无人机突破风与低温的技术瓶颈,实现中短期航程飞行后,将为海冰导航提供近实时的冰情信息。”惠凤鸣对此十分看好。

航船被困南极是常有的事,突围往往只能靠船长的经验。不过,这一状况有望得到改变。近日,澳大利亚首次在南极海域使用无人机导航技术,为“南极光”号破冰船成功导航。无人机能否成为可靠的导航工具?未来,航行于南极海域的船只将靠什么手段“找路”?

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