大載荷長航時(shí)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王中祥，武 昊，朱 杰，王俊偉，張蓉暉

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830; 2. 四川測繪地理信息局測繪技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都 610081)

無人機(jī)技術(shù)起源于20世紀(jì)初[1]，長期應(yīng)用于軍用領(lǐng)域[2-3]。20世紀(jì)70年代末，文獻(xiàn)[4]利用長約3 m的固定翼無人機(jī)搭載光學(xué)相機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，開啟了人們對無人機(jī)航空攝影的認(rèn)知。近20年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長迅猛，無人機(jī)航空攝影技術(shù)也進(jìn)入高速發(fā)展期[5]。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，尤以應(yīng)急測繪領(lǐng)域的應(yīng)用成效較為顯著，無人機(jī)航空攝影已成為快速、高效獲取突發(fā)事件現(xiàn)場信息的主要手段[6-8]。

就氣動(dòng)布局特性而言，當(dāng)前用于應(yīng)急測繪系統(tǒng)的無人機(jī)主要包括4類：固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)[9]、旋翼無人機(jī)和固定翼旋翼復(fù)合式無人機(jī)[10]。其中，后3類無人機(jī)的產(chǎn)品分布較為集中，同類無人機(jī)產(chǎn)品之間在起降方式、載重能力、續(xù)航時(shí)間和通信能力等方面差別不是很大。而對于固定翼無人機(jī)而言，不同無人機(jī)產(chǎn)品之間的能力差異巨大，表1給出了一些固定翼無人機(jī)的主要性能參數(shù)。從表1可以發(fā)現(xiàn)，這些無人機(jī)的最大起飛重量從小于1 kg到3000 kg，續(xù)航時(shí)間從幾十分鐘到40 h，飛行半徑從3 km到1000 km，一些中大型無人機(jī)甚至已經(jīng)達(dá)到有人機(jī)的量級，需要通過機(jī)場起降。然而，一方面當(dāng)前無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)研究主要是針對輕小型或小型無人機(jī)[11]，較少涉及中大型無人機(jī)；另一方面中大型無人機(jī)在通信方式、控制手段等方面與有人機(jī)有較大差別，其設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的有人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)。

表1 不同類型固定翼無人機(jī)的主要性能參數(shù)

近年來，無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)研究正在向如何構(gòu)建規(guī)?；痆12]、協(xié)同化[13]的應(yīng)急測繪保障能力方向發(fā)展。如國家發(fā)改委2016年12月批復(fù)立項(xiàng)了“國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)”項(xiàng)目[14]，該項(xiàng)目將“建設(shè)覆蓋全國80%以上陸地國土和沿海各重點(diǎn)海域的國家航空應(yīng)急測繪保障能力”作為四大建設(shè)內(nèi)容之一。國家科技部2017年立項(xiàng)了“高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)”“重特大災(zāi)害空天地一體化協(xié)同監(jiān)測應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”等重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。在此背景下，如何針對應(yīng)急測繪需求和中大型無人機(jī)的特點(diǎn)，研究大載荷長航時(shí)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，對于充分發(fā)揮中大型無人機(jī)的能力優(yōu)勢，有效提升無人機(jī)航空應(yīng)急測繪保障的科技水平等具有重要意義。本文以國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)項(xiàng)目為依托，針對CH-4無人機(jī)提出了一種大載荷長航時(shí)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)、傳感器集成設(shè)計(jì)、軟件集成設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并介紹了利用該系統(tǒng)在廣元市某區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)的情況。

1 系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成分析

根據(jù)無人機(jī)航空攝影作業(yè)原理，無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)主要由3部分組成，包括無人機(jī)平臺、任務(wù)傳感器系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，無人機(jī)平臺又可以進(jìn)一步細(xì)分為3部分[1]：無人機(jī)、地面控制子系統(tǒng)和鏈路子系統(tǒng)。

對于無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)而言，其主要作用為第一時(shí)間(通常為突發(fā)事件發(fā)生后4～8 h內(nèi))獲取現(xiàn)場信息，并對信息進(jìn)行快速成圖處理，以滿足應(yīng)急決策、應(yīng)急救援的需要。在應(yīng)急安置、災(zāi)害評估、重建規(guī)劃等階段，需要獲取的影像面積較大，對響應(yīng)速度的要求相對較低，可以綜合利用衛(wèi)星或有人機(jī)手段獲取所需的影像信息。目前能夠快速獲取且直觀反映突發(fā)事件現(xiàn)場概貌的信息類型主要有視頻和光學(xué)影像兩種?？紤]到突發(fā)事件可能會(huì)發(fā)生在夜間，或伴隨陰雨天氣，因此，視頻信息需要通過光電吊艙同時(shí)獲取可見光和紅外視頻。影像信息除了通過可見光相機(jī)直接獲取，還需要通過SAR傳感器作為備份獲取手段。此外，為了提高無人機(jī)航空攝影的精度和穩(wěn)定性，需要配備定位定姿系統(tǒng)和集成座架(三軸穩(wěn)定云臺)作為補(bǔ)充。相應(yīng)的，遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Λ@取到的視頻信息和影像信息進(jìn)行快速處理，以生成快拼影像圖和重點(diǎn)區(qū)域的正射影像數(shù)據(jù)，從而滿足應(yīng)急測繪保障需要。通過上述分析，可設(shè)計(jì)大載荷長航時(shí)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪的系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

1.2 主要集成關(guān)系

無人機(jī)平臺本身的集成涉及無人機(jī)研制領(lǐng)域，不在本文討論范圍內(nèi)。因此，對于無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，主要是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)平臺與任務(wù)傳感器系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的集成。其集成關(guān)系包括3方面(如圖2所示)：一是各種任務(wù)傳感器需要通過無人機(jī)為其提供承載空間和集中供電；二是部分傳感器獲取的遙感信息(如視頻信息等)需要通過鏈路子系統(tǒng)傳輸?shù)降孛婵刂谱酉到y(tǒng)，同時(shí)接收地面控制子系統(tǒng)通過鏈路子系統(tǒng)發(fā)送的控制指令；三是遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要與地面控制子系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)航攝規(guī)劃，并對實(shí)時(shí)回傳的遙感信息進(jìn)行快速處理。

需要指出的是，航測控制器是任務(wù)傳感器系統(tǒng)的“大腦”，既可以依據(jù)航攝規(guī)劃自動(dòng)控制任務(wù)傳感器進(jìn)行信息采集，也可實(shí)現(xiàn)位姿數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的機(jī)上存儲，并可通過鏈路子系統(tǒng)接收控制指令，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

2 傳感器集成設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

為提高設(shè)計(jì)方案的針對性，需要明確任務(wù)傳感器系統(tǒng)各組成部分的型號和主要參數(shù)，具體見表2。

表2 任務(wù)傳感器系統(tǒng)各組成部分的型號和主要參數(shù)

2.2 一體化集成設(shè)計(jì)方案

不同于傳統(tǒng)無人機(jī)和有人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)，大載荷長航時(shí)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的傳感器集成設(shè)計(jì)需要解決3個(gè)方面的問題：

(1) 獲取設(shè)備與集成座架的集成問題。傳統(tǒng)無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)由于載重能力有限，一般只搭載光學(xué)相機(jī)和低精度組合慣導(dǎo)，較少采用專業(yè)的集成座架。在應(yīng)急作業(yè)過程中，容易受無人機(jī)震動(dòng)和大氣湍流影響，導(dǎo)致曝光點(diǎn)嚴(yán)重偏離預(yù)設(shè)航線，最終影響數(shù)據(jù)成果質(zhì)量。

(2) 多種傳感器的一體化集成問題。對于常規(guī)航空攝影作業(yè)而言，其獲取任務(wù)非常明確，一般只搭載一種獲取設(shè)備，如光學(xué)相機(jī)、SAR或LiDAR等。而對于應(yīng)急測繪而言，需要根據(jù)突發(fā)事件現(xiàn)場突變的氣象情況，選擇適宜的傳感器獲取信息，因此需要解決光學(xué)相機(jī)、SAR等獲取設(shè)備與定位定姿系統(tǒng)、集成座架的一體化集成問題。

(3) 耐低溫設(shè)計(jì)問題。對于大多數(shù)傳感器而言，其工作溫度一般在-20℃以上。有人機(jī)由于具有較好的密封條件，能夠保證艙內(nèi)溫度符合傳感器的工作要求。而應(yīng)急事件可能發(fā)生在冬季或高原高寒地帶，且無人機(jī)機(jī)體的密封性較差，因此需要解決傳感器設(shè)備的耐低溫集成問題。

針對上述問題，本文分別從傳感器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、電氣、外部接口、內(nèi)部通信等方面開展了針對性設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)思路如下：

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了將光學(xué)相機(jī)、SAR、定位定姿系統(tǒng)統(tǒng)一安裝在集成座架上，需要進(jìn)行特殊的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將光學(xué)相機(jī)的鏡頭和SAR的收發(fā)天線固定于集成座架的滑環(huán)之下，同時(shí)將定位定姿系統(tǒng)固聯(lián)于集成座架的滑環(huán)之上，確保所有測量單元的一體化、剛性捷聯(lián)安裝。這樣既保障了設(shè)備之間的有效互聯(lián)與無干擾，同時(shí)還可以根據(jù)需要將SAR天線更換為LiDAR，增強(qiáng)了集成方案的擴(kuò)展性。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

(2) 電氣設(shè)計(jì)。任務(wù)傳感器系統(tǒng)由無人機(jī)提供1個(gè)總的供電轉(zhuǎn)接頭，然后通過電源轉(zhuǎn)接線分出四路供電給光學(xué)相機(jī)、SAR、定位定姿系統(tǒng)和集成座架。為保障傳感器能夠在低溫環(huán)境下正常工作，采用了聚酰亞胺加熱組件，將該組件帖覆在光學(xué)相機(jī)的表面，通過航測控制器讀取當(dāng)前環(huán)境溫度和相機(jī)內(nèi)部板卡溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于光學(xué)相機(jī)正常工作溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱組件對相機(jī)進(jìn)行預(yù)熱。

(3) 外部接口設(shè)計(jì)。航測控制器通過異步422接口實(shí)現(xiàn)任務(wù)傳感器系統(tǒng)與無人機(jī)平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括控制指令傳輸、影像數(shù)據(jù)傳輸、姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，從而?shí)現(xiàn)地面控制子系統(tǒng)對傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控及影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

(4) 內(nèi)部通信設(shè)計(jì)。定位定姿系統(tǒng)通過RS232接口向航測控制器發(fā)送實(shí)時(shí)采集的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，航測控制器負(fù)責(zé)完成原始位姿數(shù)據(jù)的存儲，同時(shí)對實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、重組后，再把實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)發(fā)送給集成座架和SAR解算器；集成座架接收到實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)后，自動(dòng)進(jìn)行平臺姿態(tài)的調(diào)整，最大限度地保持傳感器系統(tǒng)處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，從而避免因無人機(jī)飛行抖動(dòng)而對光學(xué)相機(jī)、SAR獲取信息造成影響；SAR解算器接收到實(shí)時(shí)位姿信息后，將該信息與采集到的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行空中聯(lián)合解算處理。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)連接如圖4所示。

3 軟件集成設(shè)計(jì)

遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的軟件需要與無人機(jī)平臺進(jìn)行集成，一方面在物理上需要將這些軟件部署在地面控制子系統(tǒng)的硬件設(shè)備中；另一方面在邏輯上需要實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)與無人機(jī)平臺的信息流集成，如圖5所示。根據(jù)作業(yè)流程，在信息流集成方面主要有以下三種方式：

(1) 飛行前。接收到應(yīng)急測繪指令后，根據(jù)突發(fā)事件類型，快速搜集目標(biāo)區(qū)域已有測繪資料，嚴(yán)格依據(jù)航攝設(shè)計(jì)規(guī)范要求采用航攝設(shè)計(jì)模塊快速開展航攝規(guī)劃工作，導(dǎo)出滿足光電吊艙、光學(xué)相機(jī)、SAR等多源傳感器數(shù)據(jù)獲取需求的航線設(shè)計(jì)文件。

(2) 飛行中。在無人機(jī)飛行過程中，軟件系統(tǒng)的視頻信息快拼模塊要能夠?qū)崟r(shí)接收光電吊艙獲取的可見光和紅外視頻數(shù)據(jù)及其定位定姿數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取滿足重疊度要求的視頻關(guān)鍵幀并完成地理編碼功能，將編碼后的視頻關(guān)鍵幀與三維地理信息平臺實(shí)時(shí)融合，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)處理下傳的光學(xué)面陣影像，接收到完整現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)后，快速制作現(xiàn)場鑲嵌圖。

(3) 落地后。飛機(jī)降落后，從機(jī)載存儲設(shè)備導(dǎo)出光學(xué)相機(jī)或SAR獲取的數(shù)據(jù)：一是快速解算定位定姿系統(tǒng)獲取的信息，制作影像快拼圖；二是進(jìn)行精細(xì)化處理，獲取滿足大比例尺基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品精度要求的DOM、DEM等數(shù)字產(chǎn)品。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)集成結(jié)果

利用本文設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了表2中相關(guān)任務(wù)傳感器系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與CH-4無人機(jī)平臺的集成。其中，任務(wù)傳感器系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)與CH-4無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的整體圖分別如圖6、圖7所示。

4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)成果

利用集成后的應(yīng)急測繪系統(tǒng)在四川廣元某區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域面積約380 km2，無人機(jī)相對飛行高度約980 m，絕對飛行高度約1580 m。按照獲取0.1 m分辨率光學(xué)影像進(jìn)行設(shè)計(jì)，共計(jì)飛行了51條航線。試驗(yàn)區(qū)域的航線設(shè)計(jì)情況如圖8所示。對獲取到的視頻數(shù)據(jù)、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，相關(guān)成果如圖9—圖11所示。

4.3 成果精度檢驗(yàn)

分別利用獲取的光學(xué)影像、SAR數(shù)據(jù)制作了數(shù)字正射影像和SAR影像圖，通過采集同名點(diǎn)和外業(yè)檢查點(diǎn)對空三加密結(jié)果的相對、絕對精度進(jìn)行檢測，通過像控點(diǎn)并結(jié)合外業(yè)檢查點(diǎn)對其平面精度進(jìn)行檢測，精度檢驗(yàn)流程如圖12所示。結(jié)果表明，數(shù)字正射影像的平面精度符合1∶1000 DLG、DOM平地要求，高程精度符合1∶1000 DLG丘陵地要求；SAR影像圖的無控成果的平面精度優(yōu)于7.5 m。

5 結(jié) 語

以往人們對于民用無人機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)的研究以輕小型無人機(jī)為主。隨著無人機(jī)應(yīng)用的不斷深入，無人機(jī)平臺和傳感器的裝備水平也逐步朝著高性能、工業(yè)級的方向發(fā)展，尤其是一系列以往應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的大載荷長航時(shí)無人機(jī)也逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域。這些無人機(jī)的載荷能力、通信手段較輕小型無人機(jī)和有人機(jī)有較大差別，迫切需要針對其特點(diǎn)研制與其能力相匹配的新型航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)。

本文以CH-4為例，從無人機(jī)平臺、任務(wù)傳感器、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三者的集成關(guān)系入手，提出了集光學(xué)相機(jī)、SAR、定位定姿系統(tǒng)、集成座架于一體的傳感器集成設(shè)計(jì)方案，并研制了專門用于控制各種傳感器的航測控制器。此外，還針對CH-4無人機(jī)具有衛(wèi)星通信能力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足航攝規(guī)劃、實(shí)時(shí)處理、精細(xì)化處理等不同需求的軟件集成方案。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以同時(shí)獲取視頻、光學(xué)影像和SAR數(shù)據(jù)，不僅可以滿足應(yīng)急測繪現(xiàn)場視頻信息實(shí)時(shí)回傳、實(shí)時(shí)處理的需求，而且能夠滿足生產(chǎn)高精度正射影像產(chǎn)品的質(zhì)量需求。本文研究內(nèi)容可為多載荷一體化集成設(shè)計(jì)研究，以及面向其他領(lǐng)域的無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)研究提供參考和借鑒，有助于相關(guān)研究人員了解大載荷長航時(shí)無人機(jī)的市場現(xiàn)狀和應(yīng)用情況。