李翔

摘 要 本文介紹了丹江口水庫行政執(zhí)法行動出現(xiàn)的問題。通過分析固定翼式及旋翼式無人機的優(yōu)缺點，結(jié)合丹江口庫區(qū)環(huán)境特點分析使用需求，認為使用微型多旋翼無人機系統(tǒng)是合適的；并針對微型多旋翼無人機系統(tǒng)缺點提出結(jié)合使用的方式。最后為避免使用不同型號的微型多旋翼無人機導致安全性問題，闡述了保證不同微型多旋翼無人機系統(tǒng)使用的典型流程。

關(guān)鍵詞 UAV監(jiān)測；微型多旋翼UAV；應用選型；作業(yè)流程

中圖分類號 X8

文獻標識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0073-02

1 概述

目前南水北調(diào)中線工程的主要任務(wù)由大壩加高及相關(guān)工作，轉(zhuǎn)向了水庫水域面積內(nèi)相關(guān)水源地的保護。2014年，水利部開展了丹江口水庫“打非治違”專項執(zhí)法行動，上述行動中暴露了衛(wèi)星遙感受觀測點周邊環(huán)境、空間分辨率影響，很難提供實時快速的監(jiān)測。

無人機是無人駕駛航空器的簡稱，英文的縮寫為UAV （Unmanned Aerial Vehicle）。具有受氣候的影響小，無衛(wèi)星運行的瞬時效應，高效快速、精細準確、升空準備時間短、操作控制容易等特點。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，經(jīng)濟性能高（一般無人機工作成本是有人飛機1/10左右），因此適用于小面積重點區(qū)域拍攝。無人機通過搭載不同類型的傳感器，可直觀、全面地掌握水域環(huán)境動態(tài)情況。

2 無人機系統(tǒng)的分類

2.1 無人機系統(tǒng)的分類

無人機目前更多的稱為無人機系統(tǒng)UAS （UnmannedAircraftSystems），一般由飛行平臺、有效載荷（日間相機或日間攝像機、紅外相機）、控制站、保障設(shè)備等組成。無人機系統(tǒng)的分類方法有多種，較為典型的有以下兩種方法。

2.1.1 按飛行質(zhì)量分類

2013年頒布的《民用無駕駛航空器系統(tǒng)》的規(guī)定如下。

微型無人機，是指空機質(zhì)量小于等于5，7kg的無人機。

輕型無人機，是指空機質(zhì)量大于7kg，但小于等于116kg的無人機，且全馬力平飛中，校正空速小于lOOkm/h（55海里/小時），升限小于3000m。

小型無人機，是指空機質(zhì)量小于等于5700kg的無人機，微型和輕型無人機除外。

2.1.2按起降飛行方式分類

依據(jù)應用廣泛程度及起飛和著陸方式可分為以下兩種：1）水平起降式。2）垂直起降式。水平起降式以固定翼式飛機為主，垂直起降式以旋翼式飛機為主。

（1） 水平起降式

優(yōu)點：飛行速度快，動力效率比高，飛行高度高，續(xù)航遠。

缺點：受低空紊流響應較大，無法在指定位置懸停，在復雜地形飛行需要以較高的高度維持運行。對目標只能進行“盤旋觀察”，微型固定翼無人機受限于比例效應，較易發(fā)生機身跟隨氣流的線運動和角運動，進而影響其獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像。起飛和降落場地要求相對較高，要求起飛及著陸航線上無障礙物，且要迎風發(fā)射或降落，使用限制相對較多。失控情況下有闖入其它飛行器所處空域高度的可能。

（2） 垂直起降式

優(yōu)點：對低空紊流響應較低，可在空中懸停?？梢詫χ付繕诉M行“懸停凝視”觀測，獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像，有利于發(fā)現(xiàn)小目標。具有垂直起降能力，其對場地及氣象條件要求低，應用范圍也較廣。

缺點：翼載荷較高，動力效率比低，續(xù)航力低，控制系統(tǒng)較為復雜，發(fā)生故障后墜毀率高，故障墜毀對地面危害較大。

3 無人機系統(tǒng)類型的選擇

3.1 無人機系統(tǒng)使用環(huán)境分析及目標設(shè)定

3.1.1使用環(huán)境分析

無人機系統(tǒng)的使用環(huán)境因素主要由自然環(huán)境（氣象、地形、無線電），政策環(huán)境（法律法規(guī)、空域環(huán)境）組成：

3.1.2自然環(huán)境

丹江口庫區(qū)所處鄂西北地區(qū)，地形上屬于四類困難地區(qū)，對普通航空觀測系統(tǒng)而言全年有效作業(yè)時間短，且易受氣候、天氣、起降場等因素影響。庫區(qū)四季明顯，春季多大風天氣，秋季涼爽雨水減少，受山區(qū)地形等因素影響，局地小氣候明顯。近年來人類活動加劇，導致庫區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了破壞，災害性天氣及霧霾天氣時間日益增多。由于地形原因較適合中等頻率的頻帶（低于1GHz）的無線電工作。

3.1.3政策環(huán)境

1）法律法規(guī)

中國民用航空局飛行標準司于2013年11月18日頒布的《民用無駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》AC61-FS-2013-20其中下列情況下，無人機系統(tǒng)駕駛員自行負責，無須證照管理自行負責。

（1） 在室內(nèi)運行的無人機。

（2） 在視距內(nèi)運行的微型無人機。

（3） 在人煙稀少、空曠的非人口稠密區(qū)進行試驗的無人機。

其相關(guān)術(shù)語定義如下：視距內(nèi)運行（VLOS：VisualLine of Sight operations），無人機駕駛員或無人機觀測員與無人機保持直接目視視覺接觸的操作方式，航空器處于駕駛員或觀測員目視視距內(nèi)半徑500m，相對高度低于120m的區(qū)域內(nèi)。

超出上述情況的，無人機系統(tǒng)駕駛員需要相關(guān)證照，飛行任務(wù)需要執(zhí)行空域申報手續(xù)。

2） 空域環(huán)境

在丹江口庫區(qū)上空，有來自庫區(qū)周邊地區(qū)的空軍及航校進行飛行訓練。而庫區(qū)核心區(qū)域附近正在建設(shè)十堰武當山機場，其定位為支線機場，以國內(nèi)旅游為主，兼顧通用航空服務(wù)。機場為核心的區(qū)域周邊20km內(nèi)，禁止任何未經(jīng)批準的無人機飛入。

3.2 無人機系統(tǒng)的選擇要點

1） 飛行平臺及傳感器——水平起降式無人機對場地要求高，雖可通過傾斜彈射、定點傘降等方式獲得垂直起降能力，但維護保障難度將加大，限制了水平起降式無人機的使用便利性。平臺需要考慮到攜行問題，全系統(tǒng)體積重量不能太大。平臺可攜帶三軸穩(wěn)定器，在低空紊亂氣流下中保持視場穩(wěn)定，并能保證傳感器視場始終對準目標區(qū)域，生成清晰的高分辨率影像。

2） 安全性——在飛行平臺發(fā)生失控及故障時，應能保證在指定區(qū)域盤旋或懸停，飛行平臺不能隨氣流飄飛。無人機自身安全性受各系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)制約，目前國內(nèi)缺乏統(tǒng)一的適航標準及質(zhì)量標準，安全性與無人機的制造成本直接相關(guān)。但過高的價格又會限制使用，需在各個方面有一個折衷。

3） 數(shù)據(jù)鏈路——數(shù)據(jù)鏈路應具有較好的抗干擾性，同時可傳輸高清高分辨率畫面。高清高分辨率實時畫面可以在第一時間幫助發(fā)現(xiàn)疑點目標，而不用等數(shù)據(jù)采集后分析，同時地面站應擁有數(shù)據(jù)接口，借助通信設(shè)備連接衛(wèi)星轉(zhuǎn)播系統(tǒng)或移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將其采集到的圖像信息實時轉(zhuǎn)發(fā)。

4） 用戶數(shù)量——民用無人機系統(tǒng)中用戶數(shù)量多，則代表該機型生產(chǎn)總量大，應用領(lǐng)域廣?？娠@著降低采購價格和全壽命期內(nèi)的維護價格，還可以通過交流觀察這種機型在不同的用戶及不同環(huán)境下的實際運行情況。

較大型、航程較遠的無人機，使用成本相對較高且不易獲批，這種類型的無人機更適合較長時間內(nèi)定期的巡查。而日常隨機巡查，應對突發(fā)事件微型無人機是較好的選擇；微型固定翼無人機一般采用較大的展弦比，機翼載荷普遍較小，使用受到風的限制；使用中發(fā)生故障有飛入機場區(qū)域、禁止飛行器進入的其它區(qū)域或其它飛機運行空域的可能；而由于實時傳輸高清圖像的要求，無人機的工作距離限定在了近距離使用。結(jié)合市場的發(fā)展以及實際應用成效，較為適合的微型無人機系統(tǒng)是具有高清數(shù)據(jù)鏈路的電動多旋翼式無人機系統(tǒng)。這種無人機系統(tǒng)的運用可通過多次發(fā)射 回收轉(zhuǎn)移的方式彌補監(jiān)測范圍和航程的不足。

3.3 微型多旋翼無人機系統(tǒng)使用目標設(shè)定及定位

針對衛(wèi)星及傳統(tǒng)航空器、其它類型無人機的不足，對復雜水域、面積相對小且污染類型多樣的區(qū)域，制作高分圖像進行監(jiān)測。使用時要求飛行平臺能在6級風力情況下使用，受場地等外界制約小，能靈活使用、攜行方便、安全高效、操作簡單、價格適中的特點，能在陰云、霧霾能見度不良天氣下低空快速簡便的獲取水域環(huán)境的高清晰圖像。

實時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境事件的發(fā)展。為彌補航程上的不足，可采用多次發(fā)射飛行器方式，到達指定高度和地點后，進行懸停并凝視動作；同時利用機載數(shù)據(jù)鏈路高清實時的特性，借助地面站外部通信設(shè)備連接移動通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，實時轉(zhuǎn)播飛行巡查地點的情況至上級機構(gòu)。

4 微型多旋冀無人機的使用方式

微型多旋翼無人機的使用方式：

1） 在疑似地點附近起飛，以起飛點為中心120m以下，500m范圍內(nèi)飛行或已申請并批準的超低空隔離空域內(nèi)飛行。

2） 利用多旋翼飛行器可以垂直起降的特點，在庫區(qū)內(nèi)機動的船舶上起飛，飛往疑似地點或者興趣地點，在飛行中保持與起飛點（機動中的船舶）500m距離，飛行器在以船舶為中心的500m范圍內(nèi)；或申請的超低空隔離空域范圍內(nèi)與船只保持一定安全距離飛行，而船舶則保持安全航線，在不同高度，角度，距離上觀測船舶運行航線周圍的疑似地點區(qū)域。采用此種方式需考慮到船體金屬材料對飛行器導航系統(tǒng)的影響，應優(yōu)先考慮非金屬結(jié)構(gòu)的船舶。由于航線變化相對動態(tài)，因此對任務(wù)規(guī)劃、飛行器操作者都有非常高的要求。

需要注意的是若一次性出動一架以上的微型多旋翼無人機時，應在各機組之間設(shè)立總的指揮員，協(xié)調(diào)各機組運行的高度層和范圍，禁止在同一高度層上運行多架無人機，在改變高度飛出規(guī)定范圍時應通報總指揮員，保證任務(wù)的安全順利。