王中祥，武 昊，朱 杰，王俊偉，張蓉暉

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

無人機技術起源于20世紀初[1]，長期應用于軍用領域[2-3]。20世紀70年代末，文獻[4]利用長約3 m的固定翼無人機搭載光學相機進行試驗，開啟了人們對無人機航空攝影的認知。近20年來，隨著無人機技術的飛速發(fā)展，我國民用無人機產業(yè)規(guī)模增長迅猛，無人機航空攝影技術也進入高速發(fā)展期[5]。在眾多應用領域中，尤以應急測繪領域的應用成效較為顯著，無人機航空攝影已成為快速、高效獲取突發(fā)事件現場信息的主要手段[6-8]。

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

表1 不同類型固定翼無人機的主要性能參數

近年來，無人機航空應急測繪系統(tǒng)研究正在向如何構建規(guī)?；痆12]、協同化[13]的應急測繪保障能力方向發(fā)展。如國家發(fā)改委2016年12月批復立項了“國家應急測繪保障能力建設”項目[14]，該項目將“建設覆蓋全國80%以上陸地國土和沿海各重點海域的國家航空應急測繪保障能力”作為四大建設內容之一。國家科技部2017年立項了“高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網遙感觀測技術”“重特大災害空天地一體化協同監(jiān)測應急響應關鍵技術研究及示范”等重點研發(fā)計劃項目。在此背景下，如何針對應急測繪需求和中大型無人機的特點，研究大載荷長航時無人機航空應急測繪系統(tǒng)的設計與實現方法，對于充分發(fā)揮中大型無人機的能力優(yōu)勢，有效提升無人機航空應急測繪保障的科技水平等具有重要意義。本文以國家應急測繪保障能力建設項目為依托，針對CH-4無人機提出了一種大載荷長航時無人機航空應急測繪系統(tǒng)的設計與實現方法，包括系統(tǒng)構成設計、傳感器集成設計、軟件集成設計等內容，并介紹了利用該系統(tǒng)在廣元市某區(qū)域進行試驗的情況。

1 系統(tǒng)構成設計

1.1 系統(tǒng)構成分析

根據無人機航空攝影作業(yè)原理，無人機航空應急測繪系統(tǒng)主要由3部分組成，包括無人機平臺、任務傳感器系統(tǒng)和遙感數據處理系統(tǒng)。其中，無人機平臺又可以進一步細分為3部分[1]：無人機、地面控制子系統(tǒng)和鏈路子系統(tǒng)。

對于無人機航空應急測繪系統(tǒng)而言，其主要作用為第一時間(通常為突發(fā)事件發(fā)生后4～8 h內)獲取現場信息，并對信息進行快速成圖處理，以滿足應急決策、應急救援的需要。在應急安置、災害評估、重建規(guī)劃等階段，需要獲取的影像面積較大，對響應速度的要求相對較低，可以綜合利用衛(wèi)星或有人機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)事件現場概貌的信息類型主要有視頻和光學影像兩種?？紤]到突發(fā)事件可能會發(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獲取可見光和紅外視頻。影像信息除了通過可見光相機直接獲取，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)作為補充。相應的，遙感數據處理系統(tǒng)應當能夠對獲取到的視頻信息和影像信息進行快速處理，以生成快拼影像圖和重點區(qū)域的正射影像數據，從而滿足應急測繪保障需要。通過上述分析，可設計大載荷長航時無人機航空應急測繪的系統(tǒng)構成，如圖1所示。

1.2 主要集成關系

無人機平臺本身的集成涉及無人機研制領域，不在本文討論范圍內。因此，對于無人機航空應急測繪系統(tǒng)設計而言，主要是實現無人機平臺與任務傳感器系統(tǒng)、遙感數據處理系統(tǒng)之間的集成。其集成關系包括3方面(如圖2所示)：一是各種任務傳感器需要通過無人機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)傳輸到地面控制子系統(tǒng)，同時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；三是遙感數據處理系統(tǒng)需要與地面控制子系統(tǒng)進行集成，實現航攝規(guī)劃，并對實時回傳的遙感信息進行快速處理。

需要指出的是，航測控制器是任務傳感器系統(tǒng)的“大腦”，既可以依據航攝規(guī)劃自動控制任務傳感器進行信息采集，也可實現位姿數據、影像數據的機上存儲，并可通過鏈路子系統(tǒng)接收控制指令，實現影像數據的實時回傳。

2 傳感器集成設計

2.1 傳感器選型

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

表2 任務傳感器系統(tǒng)各組成部分的型號和主要參數

2.2 一體化集成設計方案

不同于傳統(tǒng)無人機和有人機航空應急測繪系統(tǒng)，大載荷長航時無人機航空應急測繪系統(tǒng)的傳感器集成設計需要解決3個方面的問題：

(1) 獲取設備與集成座架的集成問題。傳統(tǒng)無人機航空應急測繪系統(tǒng)由于載重能力有限，一般只搭載光學相機和低精度組合慣導，較少采用專業(yè)的集成座架。在應急作業(yè)過程中，容易受無人機震動和大氣湍流影響，導致曝光點嚴重偏離預設航線，最終影響數據成果質量。

(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，其獲取任務非常明確，一般只搭載一種獲取設備，如光學相機、SAR或LiDAR等。而對于應急測繪而言，需要根據突發(fā)事件現場突變的氣象情況，選擇適宜的傳感器獲取信息，因此需要解決光學相機、SAR等獲取設備與定位定姿系統(tǒng)、集成座架的一體化集成問題。

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

針對上述問題，本文分別從傳感器設備的結構、電氣、外部接口、內部通信等方面開展了針對性設計。具體設計思路如下：

(1) 結構設計。為了將光學相機、SAR、定位定姿系統(tǒng)統(tǒng)一安裝在集成座架上，需要進行特殊的機械機構設計，將光學相機的鏡頭和SAR的收發(fā)天線固定于集成座架的滑環(huán)之下，同時將定位定姿系統(tǒng)固聯于集成座架的滑環(huán)之上，確保所有測量單元的一體化、剛性捷聯安裝。這樣既保障了設備之間的有效互聯與無干擾，同時還可以根據需要將SAR天線更換為LiDAR，增強了集成方案的擴展性。具體結構設計如圖3所示。

(2) 電氣設計。任務傳感器系統(tǒng)由無人機提供1個總的供電轉接頭，然后通過電源轉接線分出四路供電給光學相機、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相機的表面，通過航測控制器讀取當前環(huán)境溫度和相機內部板卡溫度，當環(huán)境溫度低于光學相機正常工作溫度時，啟動加熱組件對相機進行預熱。

(3) 外部接口設計。航測控制器通過異步422接口實現任務傳感器系統(tǒng)與無人機平臺之間的數據傳輸，包括控制指令傳輸、影像數據傳輸、姿態(tài)數據傳輸等，從而實現地面控制子系統(tǒng)對傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控及影像數據的實時回傳。

(4) 內部通信設計。定位定姿系統(tǒng)通過RS232接口向航測控制器發(fā)送實時采集的位置和姿態(tài)數據，航測控制器負責完成原始位姿數據的存儲，同時對實時位姿數據進行解析、重組后，再把實時位姿數據發(fā)送給集成座架和SAR解算器；集成座架接收到實時位置數據后，自動進行平臺姿態(tài)的調整，最大限度地保持傳感器系統(tǒng)處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，從而避免因無人機飛行抖動而對光學相機、SAR獲取信息造成影響；SAR解算器接收到實時位姿信息后，將該信息與采集到的SAR數據進行空中聯合解算處理。系統(tǒng)內部數據連接如圖4所示。

3 軟件集成設計

遙感數據處理系統(tǒng)中的軟件需要與無人機平臺進行集成，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)的硬件設備中；另一方面在邏輯上需要實現軟件系統(tǒng)與無人機平臺的信息流集成，如圖5所示。根據作業(yè)流程，在信息流集成方面主要有以下三種方式：

(1) 飛行前。接收到應急測繪指令后，根據突發(fā)事件類型，快速搜集目標區(qū)域已有測繪資料，嚴格依據航攝設計規(guī)范要求采用航攝設計模塊快速開展航攝規(guī)劃工作，導出滿足光電吊艙、光學相機、SAR等多源傳感器數據獲取需求的航線設計文件。

(2) 飛行中。在無人機飛行過程中，軟件系統(tǒng)的視頻信息快拼模塊要能夠實時接收光電吊艙獲取的可見光和紅外視頻數據及其定位定姿數據，自動提取滿足重疊度要求的視頻關鍵幀并完成地理編碼功能，將編碼后的視頻關鍵幀與三維地理信息平臺實時融合，同時能夠實時處理下傳的光學面陣影像，接收到完整現場視頻數據后，快速制作現場鑲嵌圖。

(3) 落地后。飛機降落后，從機載存儲設備導出光學相機或SAR獲取的數據：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；二是進行精細化處理，獲取滿足大比例尺基礎測繪產品精度要求的DOM、DEM等數字產品。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 系統(tǒng)集成結果

利用本文設計方法，實現了表2中相關任務傳感器系統(tǒng)、遙感數據處理系統(tǒng)與CH-4無人機平臺的集成。其中，任務傳感器系統(tǒng)安裝結構與CH-4無人機航空應急測繪系統(tǒng)的整體圖分別如圖6、圖7所示。

4.2 系統(tǒng)試驗成果

利用集成后的應急測繪系統(tǒng)在四川廣元某區(qū)域進行試驗。試驗區(qū)域面積約380 km2，無人機相對飛行高度約980 m，絕對飛行高度約1580 m。按照獲取0.1 m分辨率光學影像進行設計，共計飛行了51條航線。試驗區(qū)域的航線設計情況如圖8所示。對獲取到的視頻數據、光學影像和SAR數據進行處理，相關成果如圖9—圖11所示。

4.3 成果精度檢驗

分別利用獲取的光學影像、SAR數據制作了數字正射影像和SAR影像圖，通過采集同名點和外業(yè)檢查點對空三加密結果的相對、絕對精度進行檢測，通過像控點并結合外業(yè)檢查點對其平面精度進行檢測，精度檢驗流程如圖12所示。結果表明，數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 語

以往人們對于民用無人機航空應急測繪系統(tǒng)的研究以輕小型無人機為主。隨著無人機應用的不斷深入，無人機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用于軍事領域的大載荷長航時無人機也逐步進入民用領域。這些無人機的載荷能力、通信手段較輕小型無人機和有人機有較大差別，迫切需要針對其特點研制與其能力相匹配的新型航空應急測繪系統(tǒng)。

本文以CH-4為例，從無人機平臺、任務傳感器、遙感數據處理系統(tǒng)三者的集成關系入手，提出了集光學相機、SAR、定位定姿系統(tǒng)、集成座架于一體的傳感器集成設計方案，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無人機具有衛(wèi)星通信能力的特點，設計了滿足航攝規(guī)劃、實時處理、精細化處理等不同需求的軟件集成方案。試驗表明，設計的系統(tǒng)可以同時獲取視頻、光學影像和SAR數據，不僅可以滿足應急測繪現場視頻信息實時回傳、實時處理的需求，而且能夠滿足生產高精度正射影像產品的質量需求。本文研究內容可為多載荷一體化集成設計研究，以及面向其他領域的無人機航空攝影系統(tǒng)研究提供參考和借鑒，有助于相關研究人員了解大載荷長航時無人機的市場現狀和應用情況。