小型無人機測繪系統(tǒng)的問題分析及優(yōu)化改進

王文昭 劉朋飛

（天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津 300387）

在測繪作業(yè)中，無人機作為飛行平臺搭載遙感載荷因具有機動快速的響應能力、低使用成本、高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力等特點,適用于低空遙感數(shù)據(jù)的快速獲取。基于不同的作業(yè)區(qū)域及所需的數(shù)據(jù)類型，一般會選擇使用消費級無人機搭載相關載荷進行數(shù)據(jù)采集或購買大型無人機公司提供的數(shù)據(jù)獲取服務。這兩種飛行平臺，在實際的數(shù)據(jù)采集過程中都有自己的優(yōu)勢，可也會因為飛行平臺本身的原因影響數(shù)據(jù)質量（例如數(shù)據(jù)缺失或者無法提供后期提高數(shù)據(jù)解算精度所需要的飛行信息數(shù)據(jù)等）。其中，前者由于成本低廉使用簡單的特性被普遍推廣并廣泛應用于攝影測量[1-4]但飛行平臺和載荷系統(tǒng)幾乎完全獨立；而后者受限于飛行空域管制和成本原因難以普及但系統(tǒng)較為完備成熟, 常用于大面積的作業(yè)區(qū)域或應急測繪[5-6]。本文分析了測繪過程中小型無人機出現(xiàn)的問題，借鑒大型無人機在相同領域的系統(tǒng)優(yōu)勢和飛行經驗，結合小型無人機飛行平臺與載荷系統(tǒng)相互獨立的特性，從飛行平臺和載荷系統(tǒng)兩個方面提出優(yōu)化方式。

1 測繪作業(yè)中無人機的重分類

區(qū)別于專業(yè)的飛行團隊，在使用無人機作為測繪作業(yè)中低空遙感數(shù)據(jù)采集的飛行平臺時，是基于作業(yè)區(qū)域和所需要的數(shù)據(jù)類型來對飛行平臺進行選擇而非通過固定的飛行平臺來完成任務，因此對于從事測繪作業(yè)的無人機的分類，不應以空機重量、最大起飛重量、最大巡航速度等傳統(tǒng)分類參數(shù)[7]進行區(qū)分，而是以是否為完整的系統(tǒng)、最大航程、飛行高度、續(xù)航時間等來進行分類。

本文以無人機飛行平臺是否需要專業(yè)的飛行維護團隊為基礎，將測繪無人機劃分為為無人機飛行系統(tǒng)（后文簡稱大型無人機）和飛行器（后文簡稱小型無人機）兩大類。

1.1 無人機飛行系統(tǒng)

無人機飛行系統(tǒng)分類包含大型固定翼無人機及垂直起降固定翼無人機[8]，其特點是內部系統(tǒng)為獨立完整，包含飛行控制系統(tǒng)（能進行較為精確的飛行控制）、動力系統(tǒng)（一般以汽油發(fā)動機作為動力來源）、電氣系統(tǒng)（包含載荷系統(tǒng)，一般提供固定格式的電源和數(shù)據(jù)接口）、通信系統(tǒng)、結構系統(tǒng)等，此分類中可以根據(jù)使用的航空發(fā)動機的不同、是否需要起降場地、通信波段等進行再分類（前兩者涉及空域管制，后者涉及無線電管制）。

1.2 無人機飛行器

無人機飛行器是指以飛行系統(tǒng)高度集成并和載荷系統(tǒng)相對獨立的以電為動能驅動的飛行高度低于120m 且不需要起降場地和在此基礎上以提高續(xù)航能力為目的的加裝了汽油發(fā)電裝置的旋翼無人機。

2 測繪過程中小型無人機系統(tǒng)的問題分析

2.1 作業(yè)區(qū)域較小

2.1.1 續(xù)航時間有限

小型無人機在搭載測繪作業(yè)載荷和RTK 系統(tǒng)設備后在純電池驅動下航時一般不超過60 分鐘，無法滿足數(shù)據(jù)獲取的需求。在僅以增加續(xù)航時間為目的的前提下，出現(xiàn)了加裝汽油發(fā)電機和油電混合動力兩種類型[9-10]。加裝汽油發(fā)電機雖提升了續(xù)航時間，但是加裝的發(fā)電機變相的減少了可搭載載荷的質量，而且并沒有增加供電的輸出功率，沒有解決小型無人機在測繪過程中的系統(tǒng)問題；油電混合動力兩種類型采用油電混合動力進行驅動已經可以算是一個全新的飛行器架構了，在前面提出的無人機分類中應歸為無人機飛行系統(tǒng)，在此不予討論。

2.1.2 通信控制半徑較近

2.2 飛行模式存在安全隱患

目前的小型無人機依法在120m 以上真實高度飛行需要AOPA 資格證并申請對應空域得到批準。在AOPA 的課程中，對一些緊急情況進行了訓練，例如在GPS 失效下進行的地面站（控制手柄）盲飛訓練，但是這本質上還是小型無人機在航跡規(guī)劃和飛控機程序上的智能化不足所導致的，目前僅有少數(shù)型號加裝了低電量應急返航機制，與大型無人機相比，缺乏應急降落系統(tǒng)。

2.3 載荷搭載能力不足

小型無人機在載荷的搭載能力上，主要受到載荷的功率、體積和重量三方面的制約，以攝影測量為例：在進行拍攝和數(shù)據(jù)獲取過程中，主要需要獲取拍攝圖像、拍攝時飛機的GPS 坐標數(shù)據(jù)、拍攝時飛機的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。在上述的這三類數(shù)據(jù)中，為了進行數(shù)據(jù)處理，拍攝的圖像要滿足足夠的重疊度，但是由于地形起伏容易導致一些照片的重疊度不夠，為此應當根據(jù)無線電測距（雷達高度）進行飛行，但實際上無論是在飛控機程序還是飛行器平臺本身的設計中都沒有搭載對地無線電測距的設備，因此為了滿足獲取影像重疊度要求，應額外搭載無線電測距載荷；飛機的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)主要來源于IMU，由于積分算法的發(fā)散誤差會隨著時間進行累加，需要定時的進行誤差修正[12]。在實際應用中，對INS 誤差修正的最好方式是通過垂直陀螺設備，為了獲得較為精確的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，應額外搭載垂直陀螺載荷[13]。但無論是無線電測距設備還是垂直陀螺儀，都受限于電池功率、飛行器體積以及起飛重量而無法搭載。

3 基于大型無人機飛行經驗的小型無人機測繪系統(tǒng)的改進

3.1 針對由于通信范圍限制導致的作業(yè)區(qū)域問題，引入無人機副地面站

大型無人機在設計之初，其目的主要是搭載光電載荷進行偵查任務，而往往需要偵查的區(qū)域距離起飛區(qū)域比較遠，超出視距通信距離（7000m 飛行高度的視距通信距離約為230-250km，而中大型無人機巡航速度平均為160-180km/h），當時衛(wèi)星通信應用無人機相關技術并不成熟，于是出現(xiàn)了前端地面數(shù)據(jù)終端的（Front Ground Data Terminal 簡稱FGDT）概念，該系統(tǒng)將無人機地面站分為指揮站和地面數(shù)據(jù)終端兩部分，通過光纖進行連接，使指揮站可以選擇和任意一個地面數(shù)據(jù)終端進行通信從而通過該地面控制終端的數(shù)據(jù)鏈設備來對無人機進行控制，前端地面數(shù)據(jù)終端的出現(xiàn)延長了無人機的視距通信距離。

對于小型無人機來說，通信控制終端的設計一般都是集成在一起便于攜帶且對于地面終端要求僅限于正常穩(wěn)定工作，因此降低了無人機副站的布設要求。而且小型無人機在進行飛行作業(yè)時，由于飛行通信和載荷系統(tǒng)相互獨立，所采集的數(shù)據(jù)均儲存于載荷之中無需實時下傳，因此借鑒并簡化大型無人機副地面站的結構，使用增益較小，系統(tǒng)結構最簡的數(shù)據(jù)鏈設備進行搭建。其最簡結構如圖1 所示。

圖1 無人機副地面站最簡結構

小型無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)并不包含載荷信息，因此可以取消該系統(tǒng)的圖形工作站部分。該結構為無人機地面控制站的最簡結構，由于飛行高度較低地面站天線增益無需太高因而使用全向天線即可，按照該結構搭建好無人機副地面后，可根據(jù)不同的無人機類型以及不同大小區(qū)域的測區(qū)來進行地面選址，見圖2。

圖2 無人機地面站選址方案

其中虛線區(qū)域為任務測區(qū)，里面為任務區(qū)域的航帶，其中兩個地面站的視距通信范圍必須有至少15%的重合用于接力。而對于小型無人機來說，副地面站的引入不僅可以增加通信控制范圍，而且允許無人機一條一條航帶進行單向飛行，到達另一端后進行充電，這樣也同時解決了電池功率導致的航時不足的問題，為后面增加飛行參數(shù)量算設備和載荷前端設備提供了條件。

3.2 針對飛行安全的需求提升和數(shù)據(jù)黑洞，引入雷達高度計設備

相比于氣壓高度和GPS 高度，雷達高度是最能夠直觀反映當前飛行器對地高度的量算設備，在大型無人機的飛行作業(yè)中，無論是起飛降落還是在任務區(qū)域中按照要求進行衛(wèi)星通信的超低空飛行，均使用雷達高度作為參考依據(jù)，而在應用于小型無人機的高精度雷達設備的研究中，已經有測距50m 以內的較為成熟的研究（小型無人機最大飛行高度120m），滿足使用需求[14]。在小型無人機上安裝雷達高度是基于非本場的應急降落的安全和避免數(shù)據(jù)黑洞兩個方面的原因。

3.2.1 應急降落

大型無人機在進行降落時，有時會由于距離地面站較近而導致主鏈路天線跟蹤失效，此時會為了保證飛行降落安全，切換備用鏈路來上傳接收實時的飛行信息來保證飛機的降落安全，此時飛行操作人員在操作降落時不一定會有清晰的圖像作為參考，主要依靠對實時飛行數(shù)據(jù)信息的解讀和調整，而對于小型無人機來說，進行應急降落需要考慮的主要是降落區(qū)域選擇以及之后的安全降落，在選定降落區(qū)域之后，可以根據(jù)雷達高度提供的信息，慢慢調整到合適的降落速度，最后在可能由于飛行高度過低導致的通信丟失的情況下進行安全降落。

3.2.2 避免數(shù)據(jù)黑洞

為了滿足測圖的需求，在同一條航線上，相鄰相片需要有一定范圍的影像重疊（即航向重疊），相鄰航線也應有足夠的影像重疊（即旁向重疊）[15]。大型無人機在自主飛行模式過程中（一般在切入任務航跡之后）默認按照設定航跡點根據(jù)氣壓高度進行飛行，雖然可以手動在切入任務航跡之前改為按照GPS 高度進行飛行，但由于飛機的自主返航機制設定在幾分鐘內收不到上行數(shù)據(jù)幀（沒有控制信號會發(fā)只有幀頭幀尾中間都是0 的空幀）就自動切入自主返航模式，這會直接切出任務航跡并且默認按照返航航跡的氣壓高度進行飛行，無論是航跡的改編還是坐標高度的改編都會導致數(shù)據(jù)的無效化。而小型無人機在作業(yè)區(qū)域內進行飛行時，一般會按照預先規(guī)劃好的航跡按照固定的高度進行飛行和數(shù)據(jù)采集，不會根據(jù)地形起伏即時調整飛行高度。當?shù)匦纹鸱^大時為了保證相片的立體量測和拼接需要增大重疊度，但由于實際飛行中沒有實時調整飛行高度，不僅會降低重疊度，還會由于遮擋和陰影造成數(shù)據(jù)缺失，最終造成解析失敗形成數(shù)據(jù)黑洞。

小型無人機不適用于地形較為復雜的測區(qū)，飛行高度也較低，但由建筑物起伏可能造成的重疊度下降和數(shù)據(jù)缺失仍應當重視。由于小型無人機飛行和載荷系統(tǒng)獨立，雷達高度無法直接作用于飛行系統(tǒng)而是提供參數(shù)支持，因此可以在飛行前根據(jù)像幅尺寸、比例尺、預期的重疊度的參數(shù)計算出合適的飛行高度范圍，在實際飛行中，根據(jù)雷達高度提供的無線電高度數(shù)據(jù)（對地高度非絕對高度）來實時調整飛行高度避免在解算中出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的狀況。

3.3 針對缺少用于輔助解算的姿態(tài)元素，增加載荷前端裝置

大型無人機會為所搭載的載荷預留固定的電源及數(shù)據(jù)接口。在飛行過程中，為了保證飛機的安全，飛行信息（包含攝影測量在進行POS 輔助空中三角測量中使用的DPS/IMU 提供的空間坐標和角元素信息）與載荷下行數(shù)據(jù)傳輸是互相獨立的（飛行信息和載荷數(shù)據(jù)組幀從主鏈路傳輸，飛行信息單獨從備用鏈路進行傳輸），因此攝影測量中從光電載荷的下行信息數(shù)據(jù)中只能獲區(qū)DPGS 信息，缺少飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。而飛控機使用的是內部時間，即從上電開始進行計時，所以無法從飛行結束后的鏈路數(shù)據(jù)信息中解算出每個相片拍攝時準確的飛行姿態(tài)信息。小型無人機的飛行系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)相互獨立，攝影測量的載荷數(shù)據(jù)存儲于載荷內部無需實時下傳，因此可以增加一個接收相機控制信號來獲取當前飛行姿態(tài)并擁有獨立通信能力的載荷前端模塊，如圖3 所示。

圖3 載荷前端模塊

4 結論

本文對于應用于測繪作業(yè)中的無人機飛行平臺進行了重新分類，并以攝影測量作業(yè)為例，分析了小型無人機飛行系統(tǒng)在該領域應用中存在的問題，結合大型無人機飛行系統(tǒng)相關的飛行經驗，提出了改進方案，以增加作業(yè)范圍、提高安全性能和提高數(shù)據(jù)解算精度。

其中，以最簡結構構建無人機副地面站，滿足同一片區(qū)域長時間反復的測繪需求；為載荷增加前端裝置，一方面能夠保證相機控制電路對于相機的曝光的控制，另一方面同時傳至IMU 的控制信號可以獲取即時的飛行姿態(tài)，通過RS485 串口傳至DTU 設備最后通過無線通信或LTE 模塊傳送到指定的服務器端口上。引入雷達高度計，不僅可以在為緊急情況下輔助人工降落提供輔助參數(shù)從而增加安全系數(shù)；也可以通過在飛行中對該參數(shù)的實時監(jiān)控控制對地飛行高度來保證影響重疊度，避免數(shù)據(jù)缺失。