科技成果——高精度多框架光电吊舱

军民融合10大科技成果公布北斗导航系统位列其中
佚名
【期刊名称】《中国测绘》
【年(卷),期】2015(0)6
【摘要】“十二五”期间，我国充分依托和利用社会资源．提高国防实力和军事能力，大力推进军地资源开放共享和军民两用技术相互转移。

以下为中国军网梳理我国军民融合科技领域的十大成果。

【总页数】1页(P86-86)
【关键词】北斗导航系统;科技成果;军民两用技术;社会资源;军事能力;科技领域【正文语种】中文
【中图分类】F204
【相关文献】
1.北斗导航与精准农业跨界融合——北斗导航系统总设计师杨长风一行赴新疆石河子市调研 [J], 胡西平
2.营造良好环境促进军民融合深度发展首届民营企业高科技成果展览暨军民融合高层论坛在京举行 [J], 王舒颍
3.底气与王牌:r"北斗+"军民融合铸造核心竞争力r——"北斗天地"开创北斗产品新天地 [J],
4.航天科技成果亮相南通军民融合促企业转型r——2017军民融合项目洽谈暨中国航天(国防)科技成果首次发布会召开 [J],
5.中国卫星导航与位置服务第八届年会暨中国北斗应用大会在郑州开幕深入推动北斗卫星导航系统融合创新应用 [J], 乔思伟
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人 先锋 号 ” 、 “ 博园 区文 明场 馆 ” 、 世
要 设备 。 高 精 度 重 载堆 垛 机 项 目 的 实 施 ，可 以 有 效 提 高 堆 垛 机 运 行 速 度 、整 机 刚 度 、 “ 博 园区 服 务 保 障 先 进 集 体 ” 、 “ 博 隔 震减 震能力 ，有 利于打破工业发达 国家在重载堆垛机 方面的垄断地位 ，实现重型 自 世 世 绿 色 出行 低 碳 馆 ” 等 多 项 荣 誉 称 号 ，成 为 动 化 物 流 装 备 的 国 产 化 。 世 博 会 的 十大 热 门场 馆 之 一 。 （ 王娟 ）
频段转 发器通信和广播业 务服务之外 ，有 效载荷还包括Ｓ 段移动通信转发 频 江苏 乃至 长三 角地 区 的太 阳能 光伏 市场 频段及Ｋｕ 器 。卫星覆盖包括我 国全境、亚太及中东地区 。 （ 索阿娣 ） 的发展 ，具有重大意义 。 （ 沪杭 ）
太 空 探 索 ２ １ 年 第 １ 期 。５ ００ ２
验 、 童 真 童 趣 的 ３ 大 片 、 五 星 级 的 视 听 Ｄ 神 秘 的 太 空 世 界 、 神 奇 的 科 技 体 司 国际 竞争 力 的全 面提 升 。会议 同 时提 出 ，集 团公 司将 进 一步加 大推 进产 学研 合作 力度 。 “ 十二 五 ”期 间 ，集 团公司发 展将面 临 巨大的 任务压 力 、严 峻的挑 战和 复杂多
上 海 世 博 会 及 太 空 家 园 馆 圆满 落 幕
中国航天科技集团公司以科学规划引领 “ 十二五”发展
“ 十二五 ”期 间 ，中国航天科技集 团公司将全面实施载人 航天工程二期 、月球探
测 工 程 二 期 等 国 家 重 大 科 技 专 项 ，并 推 动火 星 探 测 等 新 的 重 大 专 项 工 程 立 项 。￣ ２ １ Ｕ０ ５

推动整体科技能力提升具有重要意义。 精确测量海水密度服务国防科技 记 ： 了这些应用， 除 还有哪些潜在应用？ 罗：所建立 的固体密度基准在国防科技领 域有着特殊 的应用。例
体系 ， 广泛应用在广播通信、教育 、农业 、国土资源、交通、防灾减灾 等领域，为国家和各级政府提供了大量科学的宏观辅助决策信息 ， 为改 善 民生发挥了重要作用。特别是北斗卫星导航系统 的应用，不仅能满足
天地信息—体化。
本届高交会上，航 天科技集团将通过多种方式 ， 展现其在节能减 排和生态环保领域取得的成果。在全球变暖 的背景下 ，中国作为负责任
确度就 必须实际测量。我们在国际上首次提出了理论算法与光阑滤波相 结合的技术方案 ， 将确定度控制在小于 ０ ５ ． 纳米的范围之 内。 ０ 其次 ， 信号去噪关键技术突破。干涉信号 的准确采集直接决定直 径测量准确度 ，我们实现了一种高效率噪声处理新方法，提高了信号测
量准确度，为国际首刨。第三 ， 精密绝热控温技术创新。利用 “ 温度补 偿效应”和 “ 相位叠加效应 ” 研制 出温度稳定性 显著优于 国际 同行的 ， 精密绝热控温系统。此项技术深得国际同行的肯定 ，基于此项技术还获 得了发明专利。 应用前景 ， 提高我国特种工业领域国际竞争力 记： 目 项 成果在推动乖技进步和 提高行业竞争力方面有哪些作用？ 斗 罗：首先，该项研究成果 ＰＥ我国 Ｎ ＿ ＿ Ｊ Ａ测量研究、国际合作研究、
引起的波动就会剧烈颠簸，甚至失去控制。只有充分掌握海洋环境 ， 特 别是水下密度场的分布和变化规律，了解它们对潜水艇活动 的影响 ，才
备制造、卫星运营服务这—卫星应用产业链上的独特优势 ， 通过空间信 息基础设施与地面相关信息基础设施的融合式发展 ， 促进物联网、 “ 智

大俯仰角度的两轴两框架平台稳定技术李红光;纪明;吴玉敬;郭新胜;彭侠【摘要】为了解决大俯仰角度方位平台稳定性能降低的问题,利用两轴两框架稳定平台稳定原理,分析在传统方位陀螺安装方式下,大俯仰角度时方位平台稳定性能降低的原因以及正割补偿带来的噪声等问题,提出在方位平台上安装2个正交的方位、横滚陀螺,解算出瞄准线方位惯性角速度,从而实现大俯仰角度下的方位稳定控制方法.仿真实验验证了该方法可以提升大俯仰角度下两轴两框架平台的方位稳定控制性能,减小陀螺噪声对控制性能的影响,在同等条件下,方位稳定误差峰峰值由450 urad减小为250 urad.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(036)006【总页数】6页(P823-828)【关键词】光电稳定平台;两轴平台;大俯仰角度;瞄准线角速度【作者】李红光;纪明;吴玉敬;郭新胜;彭侠【作者单位】西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065;西安应用光学研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN29目前，光电系统普遍采用的稳定平台是两轴结构，包括两轴两框架和两轴四框架，其中两轴两框架以其机构简单、成本低、体积小等特点，应用十分广泛。

两轴两框架稳定平台通常采用两只陀螺作为惯性速率传感器，均安装在俯仰平台上，且2个敏感轴和光轴均正交，陀螺数据分别通过方位、俯仰控制电路驱动方位、俯仰电机，形成速率闭环，从而实现光电系统的稳定。

从某些光电系统的战术指标来看，在稳定平台俯仰角度很大时仍需要正常瞄准跟踪目标，而此时两轴两框架稳定平台的方位轴的稳定性能降低，稳定指标已经无法满足系统要求[1-2]。

本文在分析两轴两框架稳定平台稳定原理的基础上，针对该问题，提出了利用两只陀螺分别测量方位转台的方位轴与横滚轴的扰动速率，通过解算代替原来方位陀螺，实现方位平台的速率闭环控制，实现在俯仰角度很大时方位平台稳定性能基本保持不变。

JIANGSU DIGITAL EAGLE TECHNOLOGY CO., LTD
管制距离 主机重量 使用环境温度 管制模式
尺寸 供电方式
1500m（通视环境） 工作时间
100-120min
≤4kg
扳机寿命
≥10万次
-25℃~60℃
便携式操作 单手或双手操作
一键切换功能键，可使无人机原地降落或返回起点
1600mm 15kg 6m/s
最大起飞重量 起降方式 巡航速度
40kg 垂直起降 5-10m/s
20m/s
最大续航时间
25min
>1000m 自主飞行模式
GPS导航
4-5级
动力系统
电动
光电吊舱/高清云台/喊话系统/抛投系统（可选）
垂直起降固定翼无人机
产品特点
飞行模 式控制
一键 返航
航点航 录像照 线规划 相控制
最大1300-1500W 18-24
可达50-70段 6.8AH 24V高容量锂电池
智能温控系统 驻波比，过电流，过电压保护系统
驾驶员集中控制 高增益全向天线 取力发电5800-7000W
-35℃-65℃ 最高80%
技术特点
1.探测5公里内（方位波束宽度15°）指定空 域内飞行的无人机目标 2.可与光电转塔联动 3.预留ATE接口，用于雷达整机检测
日作业300亩以上 使用安全：人机分离，远离毒害 节水省药：喷洒均匀，每亩地节水80%，省药30% 模块设计：便于携带，拎包即走，维修快捷
数字鹰 植保无人机
飞机轴距 1250mm 巡航速度
5-10m/s
空机重量
12kg
最大载荷
10kg
喷洒高度

科技成果——“天地一体”精准搜救系统技术开发单位中国电子科技集团有限公司第十五研究所技术概述“天地一体”精准搜救系统利用智能手持设备、智能穿戴设备、大数据、物联网、卫星服务平台等技术，结合局域窄带无线通信和广域卫星通信链路，解决常规通信网络不可用情况下的广域通信链路构建、应急服务问题。

该系统由卫星服务平台、安全可控智能终端系统、智能穿戴产品组成。

卫星服务平台实现指挥中心态势安全监控、前线应急通信、单兵指令指挥等功能。

智能终端系统实现前方现场安全监控、单兵应急SOS救援、现场应急救援指挥等功能。

单兵智能穿戴设备支持位置上报及SOS一键求救。

从而组成一套单兵、前线指挥中心、后方指挥中心多级指挥的应急救援体系，构建天地一体的信息链路，提供全时空信息支撑服务与应急保障服务。

智能终端系统与智能穿戴产品依托自主安全可控生态链上的相关资源与研究成果，形成系列安全可控智能穿戴与智能终端产品。

系统组成示意如下图所示：技术指标智能终端系统智能终端系统，由手持式智能终端、车载/固定网关、无人机载平台组成，手持式智能终端是一款工业级多功能手持终端设备，基于国产安全可控平台与操作系统，具有RFID识别、无线通信、北斗卫星通信、卫星定位导航等功能，具备身份识别认证、末端需求感知、全域信息采集和通信保障能力。

手持式智能终端主要特点：1、安全可控：国产平台与安全操作系统；2、军用等级：IP67防护等级、军用北斗、军用GIS；3、功能完备：具备无线通信、卫星通信、卫星定位、RFID识别、条码识别等通信与数据采集功能，集成RJ45、USB、电台等航空插头接口。

手持式智能终端主要功能：1、支持二维码扫描并进行处理；2、支持伤票扫描读取数据；3、支持WIFI无线局域网数据传输；4、支持符合ISO/IEC14443TYPEA和TYPEB的非接触CPU卡的操作；5、支持北斗二代RNSS定位和短消息功能；6、支持与北斗智能户外手表无线通信，满足其通信距离要求；7、支持军密安全模块。

年度航天科技行业工作总结航天科技创新成果丰硕航天任务圆满完成年度航天科技行业工作总结航天科技创新成果丰硕航天任务圆满完成近年来，随着人类对于探索宇宙的渴望与对科技的不断追求，航天科技行业在全球范围内取得了巨大的发展。

在过去的一年里，我国航天科技行业取得了丰硕的创新成果，并圆满完成了各项航天任务。

本文将对年度航天科技行业工作进行总结，同时回顾航天科技的成果与任务完成情况。

一、创新成果在过去的一年里，我国航天科技行业取得了许多创新成果，丰富了人类对宇宙的认知和探索。

以下是其中的部分成果：1.卫星技术创新我国成功发射了一系列高性能通信、地球观测和科学研究卫星，为国家提供了重要的数据支持。

这些卫星的发射和运行稳定，为提高我国的通信、气象预报和环境监测能力做出了重要贡献。

2.航天器研发和试验我国成功发射并返回了载人航天飞船，为未来的航天探索奠定了基础。

同时，我国还开展了在轨飞行器的关键技术试验，如空间实验室的组装与运行等，为我国航天技术的长远发展提供了宝贵经验。

3.探月与探火计划我国在探月与探火计划上取得了重要进展。

嫦娥四号成功实现月背着陆，并传回了珍贵的数据和图像。

与此同时，火星探测任务计划也在紧张进行中，为人类对火星的探索提供了新的契机。

二、航天任务完成情况在过去一年里，我国圆满完成了各项航天任务，展示出了我国航天科技的强大实力和良好的组织协调能力。

1.卫星发射任务我国成功发射了一批通信、导航、遥感、科学研究等多功能卫星，为国家提供了重要的技术支撑和数据保障。

这些卫星的发射和运行稳定，说明我国航天技术在国际舞台上具备了竞争力。

2.载人航天任务我国圆满完成了载人航天任务，成功将航天员送入太空并平安返回，展示了我国航天技术的成熟和可靠性。

这是我国航天事业发展的重要里程碑，也为以后的深空探索打下了坚实的基础。

3.探索任务我国探测器成功触达月球背面，并传回了大量的图像和数据。

这标志着我国月球探测计划的成功，为人类对月球的深入研究提供了重要的支持。

重大科技成果简介一、新一代运载火箭技术1.1概述新一代运载火箭是我国航天事业的重要发展方向，旨在提升我国运载火箭的运载能力、可靠性、适应性和经济性。

通过对运载火箭各系统进行技术创新和优化，新一代运载火箭具备了较强的市场竞争力和国际竞争力。

1.2技术创新1.2.1发动机技术新一代运载火箭采用了高性能的液氧煤油发动机，具有高推力、高比冲、低油耗等优点。

该发动机采用了分级燃烧循环，具有较高的可靠性和安全性。

1.2.2结构设计技术新一代运载火箭采用了模块化设计，可根据不同任务需求进行组合，提高了火箭的适应性和灵活性。

同时，采用了轻质高强度材料，降低了火箭的结构重量，提高了运载能力。

1.2.3电气系统技术新一代运载火箭采用了先进的电气系统，实现了全数字化设计和控制，提高了系统的可靠性和性能。

同时，采用了绿色环保的锂离子电池，降低了火箭的能耗和环境污染。

1.3应用前景新一代运载火箭将广泛应用于国内外卫星发射、载人航天、深空探测等领域，满足各类航天任务的需求。

其高性能、高可靠性等特点，将为我国航天事业的发展提供有力支撑。

二、卫星导航与定位技术2.1概述卫星导航与定位技术是我国航天领域的重要研究方向，具有广泛的应用前景。

通过对卫星导航与定位技术的研究和应用，我国已成功实现了全球卫星导航系统的建设和运行。

2.2技术创新2.2.1卫星导航系统技术我国自主研发的卫星导航系统，采用了先进的导航信号技术、抗干扰技术和精密测量技术，实现了高精度、高可靠的导航定位功能。

2.2.2定位算法与数据处理技术针对卫星导航信号的复杂特性，我国研究了一系列高性能的定位算法，实现了卫星导航信号的快速、高精度定位。

同时，采用了高效的数据处理技术，提高了卫星导航系统的抗干扰能力。

2.3应用前景卫星导航与定位技术在我国交通、气象、电力、公共安全等领域得到了广泛应用。

随着技术的不断发展和成熟，卫星导航与定位技术将在更多领域发挥重要作用，为我国经济社会发展提供有力支持。

航天盛年多盛事“四大工程”壮国威（上）——“十二五”国防科技成就系列报道之一作者：本刊编辑部来源：《中国军转民》 2015年第12期本刊编辑部“十二五”期间，中国航天集团公司军民融合水平得到进一步提升，民用产业市场份额已经超过半壁江山。

四大主业的齐头并进，有力地推动了航天强国建设的步伐。

同时，中国航天集团公司不断提升军民融合发展水平，“十二五”期间，清晰北京、天津、上海等主要产业基地项目布局，推进武汉、保定、固安等新的产业基地建设，继续深化产业基地重点项目建设，加强产业基地内部的组织协调和资源整合，形成产业发展合力和规模效应。

在2015年度《财富》世界500强排行榜上，中国航天集团公司以2014年271.904亿美元的营业收入位列第437位，跻身世界500强企业行列，在该年度上榜的106家中国企业中排名第98位，在上榜的46家国资委监管的非金融类中央企业中排名第43位。

“十二五”期间，以“北斗”、“高分”、“探月工程”、“载人航天”四大工程为代表的中国航天又迈上新的高度。

完成多次国际商业发射，航天外交已成为中国高科技“走出去”的一张名片。

航天“十二五”工程之一：北斗卫星导航系统建设取得突破性进展卫星导航产业发展取得长足进步国际上有一个“高大上”的俱乐部，它只有四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是GNSS（全球导航卫星系统），四个会员分别是美国GPS、欧洲“伽利略”（GALILEO）、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、中国“北斗”（COMPASS）。

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。

空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。

地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。

用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”(GLONASS)、欧盟“伽利略”(GALILEO)等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗卫星导航系统2011年12月27日起提供连续导航定位与授时服务。

航天科技年度总结2022年是中国航天科技的历史性一年，我们在航天领域取得了许多重大成果和突破。

在这一年里，我们坚持科技创新、开拓进取，不断追求卓越，为国家的航天事业做出了积极贡献。

一、航天科技发展概况2022年，中国航天科技经历了许多关键性的发展。

首先，在载人航天方面，我国成功完成了天舟二号货运飞船的首次飞行任务，并成功完成了天舟二号与天和核心舱的自动交会对接。

同时，我国航天员也完成了两次载人飞行任务，并成功实施了我国首次航天员太空出舱任务，为未来建立中国空间站奠定了基础。

其次，在深空探测方面，我国的嫦娥五号任务圆满成功，实现了人类近40年来首次自行返回月球样品。

这一次的任务成功不仅展示了我国航天科技的卓越实力，也为未来的深空探测项目提供了宝贵经验。

此外，在卫星发射方面，中国航天科技公司圆满完成了一系列的卫星发射任务，包括北斗导航卫星、高分卫星等。

这些卫星的成功发射为我国的空间信息产业和遥感应用提供了有力支撑。

二、科技创新与突破2022年，中国航天科技在科技创新与突破方面取得了显著成果。

我们不断加大对核心技术的研发力度，推动了一系列重要技术的突破。

首先，载人航天方面，我国成功发射了新一代载人飞船。

这款飞船采用了一系列创新设计，提高了载人航天的安全性和可靠性。

同时，我国还成功开展了航天员太空出舱任务，在太空环境中进行了一系列科学实验，并圆满完成任务。

其次，深空探测方面，我国成功实施了嫦娥五号任务，取得了人类返回月球样品的重大突破。

我们利用高精度的着陆技术成功降落在月球表面，采集了大量宝贵的样品，并成功将其带回地球。

此外，在卫星技术方面，我国不断提升了卫星的设计、制造和发射能力。

我们成功发射了一系列高效、高分辨率的卫星，为我国的遥感应用和空间信息产业提供了有力支持。

三、国际合作与交流2022年，中国航天科技继续加强了与国际航天机构和科研机构的合作与交流。

我们与多个国家在载人航天、深空探测等领域展开了合作项目，取得了积极成果。

学习强国中国科学技术进步奖题1、我国第一颗返回式卫星发射成功，标志着我国在低轨卫星发射技术方面取得了重大突破。

2、中国第一颗由国产自主设计制造的商业卫星，标志着我国进入了大容量、高分辨率卫星发射领域。

3、我国第一颗返回式卫星成功发射标志着我国在遥感卫星领域已达到国际先进水平，在我国进入了卫星导航与通信领域主导国际的时代。

4、我国第一颗具有自主知识产权的通信卫星，实现了我国通信卫星技术与应用国产化和通信卫星产业的重大跨越。

5、我国第一颗返回式卫星——天宫一号与神舟八号交会对接任务圆满完成，标志着我国大空间平台和交会对接技术达到国际先进水平。

6、我国第一颗互联网站服务卫星——天舟一号入轨，标志着我国互联网技术已进入全球领先水平。

7、成功发射了我国第一枚高轨静止轨道遥感卫星——北斗三号组网卫星，导航信号覆盖范围达到全球90%以上，并完成了中远程通信卫星组网任务。

8、成功发射了第二座返回式卫星——“中星8”工程并进入轨道运行；第三座返回式卫星——“武斗1号”成功入轨。

9、成功研制了第三代载人航天飞行试验验证平台的多项关键技术指标达到国际先进水平，我国载人航天飞行技术已经跻身世界领先水准，成为全球航天员的摇篮。

1、我国第一艘远洋钻井平台“海洋石油981”于2014年11月25日开始试航，标志着我国在钻井作业技术方面取得了重要进展。

【科技进步奖二等奖】我国第一艘自主设计建造的深水半潜式钻井平台“海洋石油981”于2014年11月25日开始试航，这是继“海洋石油981”之后，我国第二艘在太平洋海域运行的半潜式钻井平台。

该平台的建成标志着我国成为世界上少数几个掌握深海钻井平台设计建造技术的国家之一。

【科技进步奖三等奖】我国首座海洋钻井平台“海洋石油981”于2014年11月25日开始试航，到2015年2月27日完成各项试验，各项性能指标均达到合同要求。

据介绍，“海洋石油981”主要用于深水、超深水油气田开采和深海油气勘探作业。

空天车地一体化重载铁路安全保障技术框架高一凡1,王楠楠2,吴迪迪3,陈小英1(1．北京锦鸿希电信息技术股份有限公司,北京100070;2．中国航天系统科学与工程研究院,北京100044;3．中车长春轨道客车股份有限公司,长春130062)采用日期:20200901基金项目:十三五国家重点研发计划项目先进轨道交通专项 基于空天车地信息协同的轨道交通运营与安全综合保障技术项目(2016YFB1200100)第一作者:高一凡(1978 ㊀),男,工程师,主要从事通信工程方向的研究工作㊂摘㊀要:通过分析重载铁路基础设施㊁机车及其运行环境监测的现状和迫切需求,研究建立了基于空天车地一体化的重载铁路运营与安全保障监测系统,包括静态空基监测平台㊁动态空基监测平台㊁车载监测平台及地面轨旁监测平台,详细阐述了系统的组成及其功能㊂根据重载铁路现场的典型监测需求,提出了空天车地一体化监测系统的架构设计及其各部分详细功能分析,为重载铁路系统的监测㊁重载铁路系统运行状态监测和预警服务的进一步理论和应用研究提供参考㊂关键词:空天车地;重载铁路;安全监测;技术框架中图分类号:U285．5+5㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:16729889(2021)01008407Technical Framework of Heavy-Haul Railway Operation and Safety Guarantee Using theSpace-Air-Train-Ground Integration NetworkGAO Yifan 1,WANG Nannan 2,WU Didi 3,CHEN Xiaoying 1(1．Beijing Jinhong Xi-Dian Information Technology Corp．,Beijing 100070,China;2．China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering,Beijing 100044,China;3．CRRC Changchun Railway Vehicles Co．,Ltd．,Changchun 130062,China)Abstract :By analyzing the current status and urgent needs of heavy-haul railway infrastructure,locomotives and their operat-ing environment monitoring,the research established a heavy-haul railway operation and safety assurance monitoring system based on the space-air-train-ground system,including static air-based monitoring platform,dynamic air-based monitoring plat-form,vehicle-mounted monitoring platform and ground track monitoring platform elaborated the system composition and func-tions in detail.Finally,according to the typical monitoring needs of the heavy-duty railway site,the architecture design and detailed functional analysis of each part of the integrated monitoring system of the sky,and the ground are proposed,which provides a reference program for the monitoring of the heavy-haul railway system.The theory and application research of pro-posed system will provide a good guide for the operation status monitoring and early warning of the railway system.Key words :space-air-train-ground;heavy-haul railway;safety monitoring;technical framework㊀㊀高效运营与安全保障是轨道交通永恒的主题㊂长期以来,我国轨道交通的高效安全运行面临着多重的压力[13],而重载铁路的快速发展更是使其在运营安全㊁运输效率㊁基础设备建设㊁维护等方面面临巨大挑战㊂重载铁路日常维护包括每日人工巡查维护㊁天窗时间内维修㊁要点维修和大修等;各专业针对运营㊁安全㊁设备维护等进行各种检测㊁监测,产生了海量的㊁结构多样的数据㊂如何有效地采集㊁管理和应用这些数据,是重载铁路高效运营和管理的基础和关键[46]㊂我国高速铁路装备的运营与安全保障系统主要有列控系统和铁路自然灾害及异物侵限监测系统㊂列控系统根据地面设备提供信号动态信息㊁线第1期高一凡,等．空天车地一体化重载铁路安全保障技术框架路参数㊁临时限速信息和动车组参数,按照目标距离连续速度控制模式监控列车运行,保证列车的运行安全[78];自然灾害及异物侵限监测系统能对铁路沿线风㊁雨㊁雪㊁地震及异物侵限等状况进行实时监测㊁预警㊁报警,并对异物和地震进行联动安全控制等[911]㊂现有关于列控信息和自然灾害信息的监测都是通过在地面布设传感器,然后将感知信息通过铁路专网或者公网传输到路网数据中心,数据中心进行数据处理和分析后,将预警信号发送给车辆段或者列车乘务员㊂该监测方式是对一个区域局部信息的感知和处理,难以实现大范围㊁全天候的实时监测,缺乏全局和宏观的决策能力[1213]㊂因此,迫切需要建设一套监测系统,突破现有铁路地面监测㊁预警㊁网络信息交换现状,实现基于空天车地信息一体化的重载铁路系统运行状态全息化感知与信息集成应用技术,满足重载铁路列车安全运行大范围㊁全天候㊁全覆盖㊁全方位实时监测需求㊂基于空天地一体化的监测系统在地球观测㊁环境监测等领域已经有初步的应用[1416],在高速铁路的熔岩勘测和山区地形测绘方面也有一定的应用基础[1719],但是尚未形成完整的㊁面向重载铁路安全监测和预警的空天车地一体化监测系统㊂本文建立的基于空天车地一体化的监测系统框架及其典型示范应用,将为未来重载铁路的安全监测提供良好的理论㊁技术和应用指导㊂1㊀系统总体方案与功能设计本文针对典型重载铁路的特点,以系统功能和指标体系为主要依据,提出重载铁路运营与安全综合保障系统综合集成体系结构㊁组成,以及各组成部分的功能㊁配置㊁外部接口等内容㊂1．1㊀系统总体功能分析目前重载铁路的日常维护工作存在两个主要问题:①一线维护人员数量较少,维护线路长,承担责任大;②行车密度大,维修时间严重不足,只能进行小修小补,线路长期处在超负荷运营之中㊂因此在综合考虑经济成本的情况下,应实现广域大范围的低成本覆盖,通过静态滞空平台(飞艇)进行覆盖的方式具备显著优势,可以解决维护线路长㊁难以全天候定区域安全监测导致的诸多难题㊂本课题要求静态滞空平台具备大载荷㊁长航时㊁高精度定区域驻空㊁立体多维态势感知㊁低成本运维等能力㊂由于一般情况下很难到达重载铁路的现场,因此动态滞空平台(无人机)的应用是解决这一问题的有效途径㊂结合重载铁路的特点,本文提出专用动态滞空平台快速部署㊁实时监测㊁操作简易㊁长航时滞空㊁远程作业㊁可靠性高等特点㊂同时,重载铁路的多源联合观测数据在空间㊁时间㊁尺度等方面呈现出多粒度形态,并存在严重的不一致性;多源传感器获得的感知数据具有歧义性和缺失性,监测对象与环境具有多态性㊁非结构性,因此,需要研究反映多尺度㊁多域状态信息的关联认知模型,提出状态信息的时空表征,获取关联融合方法,为列车本体安全状态㊁基础设施和列车运行环境的监测㊁线路等状况的快速巡检等监视应用需求奠定理论方法基础㊂另外,重载铁路的多平台监测信息存在时空维度不同㊁多元异构等特性,需要进行数据的关联融合㊂同时,轨道交通状态的生成与演化具有不确定性和跨尺度特性,需要探索不同局部运行状态的耦合机制及演化机理,建立态势的跨尺度时空映射关系模型,解决状态态势跨尺度时空演化涌现这一关键科学问题㊂重点面向轨道交通系统状态信息的融合处理方法㊁安全态势的跨尺度演化㊁多源立体监测系统状态评价与能力涌现展开研究,实现对轨道交通系统的多元㊁多维㊁多粒度的实时全息化评估,综合保障轨道交通系统安全运行;同时要求系统在突发事件㊁突发数据请求等情况下,具备应急保障能力㊂综上所述,针对重载铁路大范围实时运营与安全保障对广域立体监测㊁多尺度监测信息深度融合等的迫切需求,本文将构建空天车地一体化的状态监测与处理技术体系和标准规范,实现系统全方位㊁全息化的运营与安全综合保障能力㊂通过引入临近空间飞艇㊁低空无人机㊁列车及地面轨旁系统互联互通的专用网络系统,有效整合网络系统中空间和地面两个部分,通过专用网络将原本分散的感知监测能力连接成一体化的专用网络㊂首次通过空天车地综合组网,实现对轨道交通广域线路㊁基础设施㊁在途列车群状态的立体信息获取(看得全)㊁可信传输(传得好)与精准运管(判得准),从而满足未来轨道交通系统全息化安全保障和运营支持的需求㊂1．2㊀系统整体架构重载铁路运营与安全综合保障系统按照节点空间分布分为临近空间㊁空中㊁车载㊁地面四个层面,主要包括临近空间平台(专用静态滞空平台)㊁㊃58㊃现代交通技术2021年空基平台(专用动态滞空平台,包括翼型无人机㊁多旋翼无人机等)㊁车载监测㊁地面监测节点以及地面数据中心㊂重载铁路运营与安全综合保障系统利用分布于临近空间㊁空中㊁车载及地面的专用静态滞空平台㊁专用动态滞空平台㊁列车以及轨旁监测节点上加装的监测系统装置,结合地面既有监测系统,共同构成了系统的监测部分,提供列车本体㊁基础设施(路基㊁桥梁㊁隧道等)及运行环境监测,实现轨道交通多尺度多域状态信息的时空一致获取与关联㊂针对铁路大范围实时运营与安全综合保障对按需动态组网㊁任务应急重构㊁可靠传输等方面的需求,构建空天车地轨道交通专用网络体系构架,实现覆盖列车㊁地面基础设施及运行环境的空天车地一体化协同组网,支持面向轨道交通运营业务以及应急业务等条件下的快速组网和动态重构,具备大范围轨道交通安全监控大带宽㊁实时㊁高可靠的长距离通信传输能力㊂系统的数据分析部分通过构建大数据处理平台,运用多维度轨道交通状态信息融合和互操作技术,对多源立体感知数据进行智能分析和挖掘,实现对多元时空大样本数据的有效处理和分析利用,达到安全状态信息深度融合与整体行为的跨尺度演化涌现,从而实现轨道交通状态辨识评价㊁预测预警与风险分析㊂重载铁路运营与安全综合保障系统通过空天车地轨道交通专用网络实现各监测节点立体感知信息的可靠传输与无缝共享,结合轨道交通系统状态信息融合与处理系统对多源数据的智能分析,支撑列车运营安全全方位监控信息的实时传输与预警处理㊂2㊀系统组成部分重载铁路运营与安全综合保障系统主要由监测子系统㊁通信子系统和数据处理子系统三部分组成,其中监测和通信子系统的节点包括专用静态滞空平台节点㊁专用动态滞空平台节点㊁列车节点㊁轨旁监测节点及地面通信节点等;数据处理子系统主要是以地面数据处理中心为核心的数据处理和预测预警平台㊂各子系统通过通信设备和通信链路进行连接,共同完成空天车地一体化轨道交通系统安全保障的功能㊂重载铁路运营与安全综合保障系统主要由专用静态滞空平台㊁专用动态滞空平台㊁轨道交通系统状态信息实时获取与监测子系统㊁应急通信子系统㊁空天车地轨道交通专用网络㊁轨道交通系统状态信息融合预处理子系统以及既有监测系统组成㊂2．1㊀专用静态滞空平台本文提出的专用静态滞空平台是针对轨道交通大范围实时运营与安全综合保障系统的要求研制,具有大载荷㊁长航时㊁高精度定区域驻空三项核心能力,支持全天候定点广域覆盖,能够解决广域稀疏路网难以全天候定区域安全监测的难题,实现系统全方位㊁全息化的运营与安全综合保障能力,提供空中平台保障㊂专用静态滞空平台主要通过在飞艇平台上安装光电吊舱等遥感遥测设备,对轨道交通基础设施及运行环境的状态进行实时监测,然后将监测数据发送到地面数据中心,对基础设施及运行环境的状态进行实时诊断及预测㊂应用场景及监测对象主要包括:列车位置㊁基础设施状态(线路㊁桥梁㊁隧道的状态)㊁运行环境状态(山体滑坡㊁塌方㊁泥石流㊁水位暴涨等自然灾害;风㊁沙㊁雨㊁雪等自然环境)及异物侵限(落石㊁动物㊁车辆㊁设施㊁遗留物等)㊂2．2㊀专用动态滞空平台本文设计的专用动态滞空平台满足快速部署㊁实时监测㊁操作简易㊁长航时滞空㊁远程作业㊁可靠性高等要求,支持实现局部增强监视的业务要求㊂结合动态滞空平台的高机动性,在无人机上搭载激光雷达和视频监测系统,对轨道现场动静态异物侵限进行识别和预警;对线㊁桥㊁隧及轨旁设施等基础设施进行高机动性和高分辨率的状态获取和识别;对线㊁桥㊁隧的完整度进行实时检测和分析;对突发事故进行近距离㊁高精度探测㊂翼型无人机所搭载的遥感遥测设备的部分监控数据通过艇载基站实时转发至地面中心;隧道无人机自主飞行完成巡检任务,巡检所得数据使用专用U盘等介质通过专用网络传送或直接拷贝至地面中心;通过无人机搭载的高像素照相设备㊁红外摄像设备㊁激光雷达设备等,获取实现远距离㊁高速度和高分辨率的拍摄,并通过机载的GPS(全球定位系统)和具备实时传图功能的数据链路,将各信息采集状态的视频数据回传到地面站㊂2．3㊀车载监测辅助平台位置监测辅助平台主要通过卫星导航和惯性㊃68㊃第1期高一凡,等．空天车地一体化重载铁路安全保障技术框架导航传感器组合定位方式,实时监测列车的运行位置,其列车定位精度基本满足列车定位需求㊂轨道交通车载监测平台监测对象复杂多样,应用的场景非常丰富,本系统选择有代表性的监测对象进行分析㊂(1)列车位置监测㊂为实现空天车地环境下列车高精度连续无缝定位,采用基于卫星定位的多传感器信息融合组合技术实现列车位置的实时获取与行车监测,突破多传感器紧耦合组合定位核心算法,实现面向线桥隧等多个典型应用场景的测试示范和验证㊂(2)列车关键部件监测㊂其包括轴箱状态监测㊁齿轮箱状态监测㊁牵引电机状态监测㊁制动系统状态监测㊁辅助逆变系统状态监测㊂(3)人员状态监测(包括司机状态监测)㊂2．4㊀地面轨旁监测平台基于地面平台的轨道交通基础设施及环境监测的总体方案如图1所示㊂图1㊀基于地面平台的轨道交通基础设施及环境监测的总体方案①在轨旁安装视频监控对铁路周边移动物体进行监控与识别分析,对移动物体的类型㊁距离铁路的距离㊁分布态势㊁威胁程度进行实时分析与预警;②在重点位置安装风力风向传感设备,对可能发生大风威胁的区域进行实时监测;③在容易发生沙尘暴的地区安装沙尘覆盖监测系统进行实时监测;④在沿线重点位置安装雨量传感器;⑤在沿线重点位置安装雪深传感器,如条件允许也可和沙尘覆盖监测系统共用一套系统;⑥在桥梁㊁隧道等基础设施的重点部位安装应力传感系统㊂各传感监测系统采集原始数据,在本地进行分析预处理后,再由轨旁数据采集㊁存储与处理设备统一进行编码与集成,通过轨旁路由网关㊁无线通信终端㊁艇载无线通信基站等通信通路将数据传递至地面中心再做深入的分析处理与应用㊂2．5㊀多维度轨道交通状态信息的融合和互操作平台㊀㊀针对空天车地信息协同的轨道交通运营与安全综合保障系统所涉及的轨道交通列车车体㊁基础设施以及运行环境等设施设备种类多样㊁测量数据复杂等问题,研究这些测量数据的接入㊁归类㊁筛选㊁存储方法及数据融合㊁互操作技术,根据不同应用建立起合理的存储机制和管理办法,建立轨道交通一体化检测监测数据管理平台,多维度轨道交通状态信息的融合和互操作平台,主要包括多源信息的接入㊁存储㊁融合处理㊁交互和安全管理等多个子系统和子功能模块㊂2．6㊀基于大数据的轨道交通状态辨识评价㊁预测预警与风险分析平台㊀㊀轨道交通空天车地一体化监测系统数据格式多样,包括报表㊁文本㊁图像㊁视频㊁音频等非结构化数据㊂为了综合运用㊁挖掘分析这些潜在的数据金矿,必须将其按照特定的规则集成存储到数据库,并根据应用方式不同,构建不同的子系统,包括基于大数据的轨道交通状态辨识评价㊁预测预警与风险分析及平台研制㊂研究列车关键部件㊁列车运行状态㊁线桥隧等基础设施以及列车运行环境等故障或危险趋势分析及预测模型㊁运维辅助决策与应急处置方法,建立安全风险综合评价体系㊂其包括:①列车车体实时监测与告警平台;②基础设施实时监测与告警平台;③运行环境实时监测与告警平台;④系统自身状态实时监测与告警平台;⑤故障趋势分析及预测系统;⑥安全风险综合评估系统㊂3㊀典型应用场景本章结合朔黄铁路对于空天车地一体化系统监测的需求,使用本系统研究的技术及研制平台,对验证的场景及验证方案进行详细介绍㊂验证场景主要分为:①基于飞艇的基础设施和列车运行环境监测;②基于无人机的基础设施和列车运行环境监测;③基于轨旁设施的基础设施和列车运行环境监测;④机车运行状态监测;⑤基于地面传感器和卫星的列车位置实时监测;⑥轨道交通系统状态信息获取㊁融合与决策支持平台;⑦运营与安全综合保障的空天车地信息协同技术平台㊂空天车地一体化监测系统在朔黄铁路进行示范应用时,需要满足以下监测和预测的标准:覆盖隧道㊁桥梁㊁长大干线等典型应用场景的监测;基础设施监测有效覆盖半径ȡ300km;周边环境的典型自然灾害具有大范围监测能力ȡ100km;移动体目㊃78㊃现代交通技术2021年标的地面位置检测精度ɤ1m;巡航监测特定区域与突发事件现场监测预警分辨率ɤ20cm㊂3．1㊀基于飞艇的基础设施和列车运行环境监测基于飞艇的基础设施和列车运行环境监测总体方案如图2所示,安装在飞艇平台上的光电吊舱等遥感遥测设备对监控区域进行实时监控,并将原始数据实时发送至地面中心,由地面中心从原始数据中分析可能影响铁路运营安全的因素㊂图2㊀基于飞艇的基础设施和列车运行环境监测总体方案其主要监测对象包括:①落石㊁动物㊁车辆㊁设施㊁遗留物品等引起的侵限事件;②地形地貌;③水文;④桥梁垮塌等较大形变;⑤隧道塌陷㊂为了保证对监测对象的覆盖能力和飞艇的持续工作能力,该飞艇的工作环境及指标参数设置如下:飞艇驻留在20km 高空;舱内设备(网关和通信设备)温度-45ħ~50ħ,气压3kPa 环境下可靠工作;舱外设备(天线)温度-60ħ,气压3kPa 环境下可靠工作㊂在实际使用过程中可能会存在飞艇在高度和水平位置的驻留稳定性问题,可以通过飞艇的动力和控制系统进行位置调整,保持监测范围的稳定性㊂3．2㊀基于无人机的基础设施和列车运行环境监测地面中心制定巡检任务交由翼型无人机巡检,翼型无人机巡检方案如图3所示㊂巡检时由翼型无人机控制指挥设备进行控制指挥,并实时将无人机状态信息转发至地面中心㊂翼型无人机所搭载的遥感遥测设备的部分监控数据通过艇载基站实时转发至地面中心㊂其主要监测对象包括:①落石㊁动物㊁车辆㊁设施㊁遗留物品等引起的侵限事件;②地形地貌;③水文;④线路扣件丢失;⑤桥梁垮塌等较大形变;⑥隧道塌陷;⑦接触网异物㊂为了保障监测对象覆盖能力和无人机的持续工作能力,该无人机的工作环境及指标参数设置如下:无人机在铁路沿线进行常规或应急巡航飞行,进行巡航监测特定区域与突发事件现场监测;温度-25ħ~70ħ环境下可靠工作㊂在实际使用过程中可能会存在无人机滞留在线路上,与列车㊁接触网发生接触或干涉,在隧道内或山区巡航时因通信中断而导致失联,风力较大时无人机不能稳定飞行等问题,需要无人机操作人员对监测时间㊁环境及操作方法有很好的判断能力㊂图3㊀翼型无人机巡检方案3．3㊀基于轨旁设施的基础设施和运行环境监测基于轨旁设施的基础设施和运行环境监测系统由地面传感器进行状态感知,并将数据通过现场采集服务器进行收集,最后通过无线网络发送至后台数据处理服务器㊂其主要监测对象包括:①气象环境;②线路路基沉降;③线路钢轨状态;④桥梁应力;⑤落石㊁动物㊁车辆㊁设施㊁遗留物品等引起的侵限事件㊂为了保障轨旁监测设备的可靠性和稳定性,其工作环境及指标参数设置如下:温度-25ħ~70ħ环境下可靠工作㊂在实际使用过程中可能会存在线路周边安装设备不牢固,造成对线路限界侵限等风险,需要加强设备安装牢固性㊂3．4㊀机车运行状态监测在车载监测节点内部,车载数据采集㊁存储与处理设备接收所有车载传感监测系统输出接口以及既有监测系统数据总线的数据并进行存储㊁预处理㊁统一编码与集成,然后经空间路由网关㊁车载移动通信终端发送出去,通过空天车地轨道交通专用网络发送至地面中心节点㊂列车监测节点向地面中心节点发送本列车的状态监测数据,在地面中心的显示终端上显示列车状态信息㊂机车状态监测数据采集㊁分析㊁转发和显示流程如图4所示㊂㊃88㊃第1期高一凡,等．空天车地一体化重载铁路安全保障技术框架其主要监测对象包括:①轴箱状态;②齿轮箱状态;③牵引电机状态;④制动系统状态;⑤辅助逆变系统状态;⑥司机状态㊂为了保障车载监测设备的可靠性和稳定性,其工作环境及指标参数设置如下:温度-25ħ~70ħ环境下可靠工作;满足‘轨道交通机车车辆电子装置“(GB /T 25119 2010)要求㊂在实际使用过程中可能会存在车外安装的设备松脱等风险,需要车外设备满足振动冲击要求并采取相应防松㊁防脱措施㊂图4㊀机车状态监测数据采集㊁分析㊁转发和显示流程3．5㊀基于地面传感器和卫星的列车位置实时监测基于卫星定位的多传感器信息融合组合定位如图5所示,在列首放置一套列车定位单元,采用GNSS /INS(全球导航卫星系统/惯性导航系统)松耦合组合定位算法,结合差分定位技术,随着场景的变化,系统自动切换定位方法,实现列车高精度无缝定位㊂图5㊀基于卫星定位的多传感器信息融合组合定位针对重载铁路高密度㊁大轴重及长大编组列车的运行特点,结合列车高精度连续无缝定位技术,实现列车面向线㊁桥㊁隧等多种复杂运行场景实现高精度连续无缝定位㊂3．6㊀轨道交通系统状态信息获取㊁融合与决策支持平台㊀㊀通过空天车地信息深度融合方法和复杂环境下列车与基础设施运营安全状态的综合分析技术㊁多平台监测信息的时空关联关系与融合模型㊁多维度监测信息大数据接入和存储管理技术㊁基于数据云和计算云的监测信息大数据挖掘技术,实现对多元时空大样本数据的有效处理和分析利用,构建信息共享交互大数据处理平台㊂其实现的功能包括:①重载铁路应急信息获取;②重载铁路突发事件分类分级;③重载铁路应急预案编制管理;④重载铁路应急预案模板管理;⑤重载铁路应急资源管理;⑥重载铁路应急预案命令下达;⑦应急条件下重载铁路应急运输径路遴选;⑧应急条件下重载铁路列车开行方案编制;⑨应急条件下重载铁路列车编组计划编制;⑩重载铁路应急预案评估;◈1应急条件下重载列车开行方案与编组计划评价;◈12重载铁路列车运行径路评价㊂3．7㊀运营与安全综合保障的空天车地信息协同技术平台㊀㊀空天车地轨道交通专用网由浮空器节点㊁无人机节点㊁列车节点㊁地面移动节点和地面中心节点㊁地面站节点组成,空天车地轨道交通专用网拓扑结构图如图6所示㊂图6㊀空天车地轨道交通专用网拓扑结构图为了保障监测信息的稳定可靠传输,空天车地专用网络系统的指标参数设置如下:高速接入带宽ȡ2Mbps;临空地骨干链路通信带宽ȡ100Mbps;转发速率ȡ300Mbps;地面监测节点带宽ȡ100Mbps;车-空-车㊁车-空-地信息无缝互联,业务信息传输速率ȡ1Mbps㊂㊃98㊃。