大载荷长航时无人机航空应急测绘系统设计与实现

王中祥，武 昊，朱 杰，王俊伟，张蓉晖

(1. 国家基础地理信息中心，北京 100830; 2. 四川测绘地理信息局测绘技术服务中心，四川 成都 610081)

无人机技术起源于20世纪初[1]，长期应用于军用领域[2-3]。20世纪70年代末，文献[4]利用长约3 m的固定翼无人机搭载光学相机进行试验，开启了人们对无人机航空摄影的认知。近20年来，随着无人机技术的飞速发展，我国民用无人机产业规模增长迅猛，无人机航空摄影技术也进入高速发展期[5]。在众多应用领域中，尤以应急测绘领域的应用成效较为显著，无人机航空摄影已成为快速、高效获取突发事件现场信息的主要手段[6-8]。

就气动布局特性而言，当前用于应急测绘系统的无人机主要包括4类：固定翼无人机、无人直升机[9]、旋翼无人机和固定翼旋翼复合式无人机[10]。其中，后3类无人机的产品分布较为集中，同类无人机产品之间在起降方式、载重能力、续航时间和通信能力等方面差别不是很大。而对于固定翼无人机而言，不同无人机产品之间的能力差异巨大，表1给出了一些固定翼无人机的主要性能参数。从表1可以发现，这些无人机的最大起飞重量从小于1 kg到3000 kg，续航时间从几十分钟到40 h，飞行半径从3 km到1000 km，一些中大型无人机甚至已经达到有人机的量级，需要通过机场起降。然而，一方面当前无人机航空应急测绘系统研究主要是针对轻小型或小型无人机[11]，较少涉及中大型无人机；另一方面中大型无人机在通信方式、控制手段等方面与有人机有较大差别，其设计方法不同于传统的有人机航空应急测绘系统。

表1 不同类型固定翼无人机的主要性能参数

近年来，无人机航空应急测绘系统研究正在向如何构建规模化[12]、协同化[13]的应急测绘保障能力方向发展。如国家发改委2016年12月批复立项了“国家应急测绘保障能力建设”项目[14]，该项目将“建设覆盖全国80%以上陆地国土和沿海各重点海域的国家航空应急测绘保障能力”作为四大建设内容之一。国家科技部2017年立项了“高频次迅捷无人航空器区域组网遥感观测技术”“重特大灾害空天地一体化协同监测应急响应关键技术研究及示范”等重点研发计划项目。在此背景下，如何针对应急测绘需求和中大型无人机的特点，研究大载荷长航时无人机航空应急测绘系统的设计与实现方法，对于充分发挥中大型无人机的能力优势，有效提升无人机航空应急测绘保障的科技水平等具有重要意义。本文以国家应急测绘保障能力建设项目为依托，针对CH-4无人机提出了一种大载荷长航时无人机航空应急测绘系统的设计与实现方法，包括系统构成设计、传感器集成设计、软件集成设计等内容，并介绍了利用该系统在广元市某区域进行试验的情况。

1 系统构成设计

1.1 系统构成分析

根据无人机航空摄影作业原理，无人机航空应急测绘系统主要由3部分组成，包括无人机平台、任务传感器系统和遥感数据处理系统。其中，无人机平台又可以进一步细分为3部分[1]：无人机、地面控制子系统和链路子系统。

对于无人机航空应急测绘系统而言，其主要作用为第一时间(通常为突发事件发生后4～8 h内)获取现场信息，并对信息进行快速成图处理，以满足应急决策、应急救援的需要。在应急安置、灾害评估、重建规划等阶段，需要获取的影像面积较大，对响应速度的要求相对较低，可以综合利用卫星或有人机手段获取所需的影像信息。目前能够快速获取且直观反映突发事件现场概貌的信息类型主要有视频和光学影像两种。考虑到突发事件可能会发生在夜间，或伴随阴雨天气，因此，视频信息需要通过光电吊舱同时获取可见光和红外视频。影像信息除了通过可见光相机直接获取，还需要通过SAR传感器作为备份获取手段。此外，为了提高无人机航空摄影的精度和稳定性，需要配备定位定姿系统和集成座架(三轴稳定云台)作为补充。相应的，遥感数据处理系统应当能够对获取到的视频信息和影像信息进行快速处理，以生成快拼影像图和重点区域的正射影像数据，从而满足应急测绘保障需要。通过上述分析，可设计大载荷长航时无人机航空应急测绘的系统构成，如图1所示。

1.2 主要集成关系

无人机平台本身的集成涉及无人机研制领域，不在本文讨论范围内。因此，对于无人机航空应急测绘系统设计而言，主要是实现无人机平台与任务传感器系统、遥感数据处理系统之间的集成。其集成关系包括3方面(如图2所示)：一是各种任务传感器需要通过无人机为其提供承载空间和集中供电；二是部分传感器获取的遥感信息(如视频信息等)需要通过链路子系统传输到地面控制子系统，同时接收地面控制子系统通过链路子系统发送的控制指令；三是遥感数据处理系统需要与地面控制子系统进行集成，实现航摄规划，并对实时回传的遥感信息进行快速处理。

需要指出的是，航测控制器是任务传感器系统的“大脑”，既可以依据航摄规划自动控制任务传感器进行信息采集，也可实现位姿数据、影像数据的机上存储，并可通过链路子系统接收控制指令，实现影像数据的实时回传。

2 传感器集成设计

2.1 传感器选型

为提高设计方案的针对性，需要明确任务传感器系统各组成部分的型号和主要参数，具体见表2。

表2 任务传感器系统各组成部分的型号和主要参数

2.2 一体化集成设计方案

不同于传统无人机和有人机航空应急测绘系统，大载荷长航时无人机航空应急测绘系统的传感器集成设计需要解决3个方面的问题：

(1) 获取设备与集成座架的集成问题。传统无人机航空应急测绘系统由于载重能力有限，一般只搭载光学相机和低精度组合惯导，较少采用专业的集成座架。在应急作业过程中，容易受无人机震动和大气湍流影响，导致曝光点严重偏离预设航线，最终影响数据成果质量。

(2) 多种传感器的一体化集成问题。对于常规航空摄影作业而言，其获取任务非常明确，一般只搭载一种获取设备，如光学相机、SAR或LiDAR等。而对于应急测绘而言，需要根据突发事件现场突变的气象情况，选择适宜的传感器获取信息，因此需要解决光学相机、SAR等获取设备与定位定姿系统、集成座架的一体化集成问题。

(3) 耐低温设计问题。对于大多数传感器而言，其工作温度一般在-20℃以上。有人机由于具有较好的密封条件，能够保证舱内温度符合传感器的工作要求。而应急事件可能发生在冬季或高原高寒地带，且无人机机体的密封性较差，因此需要解决传感器设备的耐低温集成问题。

针对上述问题，本文分别从传感器设备的结构、电气、外部接口、内部通信等方面开展了针对性设计。具体设计思路如下：

(1) 结构设计。为了将光学相机、SAR、定位定姿系统统一安装在集成座架上，需要进行特殊的机械机构设计，将光学相机的镜头和SAR的收发天线固定于集成座架的滑环之下，同时将定位定姿系统固联于集成座架的滑环之上，确保所有测量单元的一体化、刚性捷联安装。这样既保障了设备之间的有效互联与无干扰，同时还可以根据需要将SAR天线更换为LiDAR，增强了集成方案的扩展性。具体结构设计如图3所示。

(2) 电气设计。任务传感器系统由无人机提供1个总的供电转接头，然后通过电源转接线分出四路供电给光学相机、SAR、定位定姿系统和集成座架。为保障传感器能够在低温环境下正常工作，采用了聚酰亚胺加热组件，将该组件帖覆在光学相机的表面，通过航测控制器读取当前环境温度和相机内部板卡温度，当环境温度低于光学相机正常工作温度时，启动加热组件对相机进行预热。

(3) 外部接口设计。航测控制器通过异步422接口实现任务传感器系统与无人机平台之间的数据传输，包括控制指令传输、影像数据传输、姿态数据传输等，从而实现地面控制子系统对传感器系统工作状态的监控及影像数据的实时回传。

(4) 内部通信设计。定位定姿系统通过RS232接口向航测控制器发送实时采集的位置和姿态数据，航测控制器负责完成原始位姿数据的存储，同时对实时位姿数据进行解析、重组后，再把实时位姿数据发送给集成座架和SAR解算器；集成座架接收到实时位置数据后，自动进行平台姿态的调整，最大限度地保持传感器系统处于相对平稳的状态，从而避免因无人机飞行抖动而对光学相机、SAR获取信息造成影响；SAR解算器接收到实时位姿信息后，将该信息与采集到的SAR数据进行空中联合解算处理。系统内部数据连接如图4所示。

3 软件集成设计

遥感数据处理系统中的软件需要与无人机平台进行集成，一方面在物理上需要将这些软件部署在地面控制子系统的硬件设备中；另一方面在逻辑上需要实现软件系统与无人机平台的信息流集成，如图5所示。根据作业流程，在信息流集成方面主要有以下三种方式：

(1) 飞行前。接收到应急测绘指令后，根据突发事件类型，快速搜集目标区域已有测绘资料，严格依据航摄设计规范要求采用航摄设计模块快速开展航摄规划工作，导出满足光电吊舱、光学相机、SAR等多源传感器数据获取需求的航线设计文件。

(2) 飞行中。在无人机飞行过程中，软件系统的视频信息快拼模块要能够实时接收光电吊舱获取的可见光和红外视频数据及其定位定姿数据，自动提取满足重叠度要求的视频关键帧并完成地理编码功能，将编码后的视频关键帧与三维地理信息平台实时融合，同时能够实时处理下传的光学面阵影像，接收到完整现场视频数据后，快速制作现场镶嵌图。

(3) 落地后。飞机降落后，从机载存储设备导出光学相机或SAR获取的数据：一是快速解算定位定姿系统获取的信息，制作影像快拼图；二是进行精细化处理，获取满足大比例尺基础测绘产品精度要求的DOM、DEM等数字产品。

4 系统试验

4.1 系统集成结果

利用本文设计方法，实现了表2中相关任务传感器系统、遥感数据处理系统与CH-4无人机平台的集成。其中，任务传感器系统安装结构与CH-4无人机航空应急测绘系统的整体图分别如图6、图7所示。

4.2 系统试验成果

利用集成后的应急测绘系统在四川广元某区域进行试验。试验区域面积约380 km2，无人机相对飞行高度约980 m，绝对飞行高度约1580 m。按照获取0.1 m分辨率光学影像进行设计，共计飞行了51条航线。试验区域的航线设计情况如图8所示。对获取到的视频数据、光学影像和SAR数据进行处理，相关成果如图9—图11所示。

4.3 成果精度检验

分别利用获取的光学影像、SAR数据制作了数字正射影像和SAR影像图，通过采集同名点和外业检查点对空三加密结果的相对、绝对精度进行检测，通过像控点并结合外业检查点对其平面精度进行检测，精度检验流程如图12所示。结果表明，数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影像图的无控成果的平面精度优于7.5 m。

5 结 语

以往人们对于民用无人机航空应急测绘系统的研究以轻小型无人机为主。随着无人机应用的不断深入，无人机平台和传感器的装备水平也逐步朝着高性能、工业级的方向发展，尤其是一系列以往应用于军事领域的大载荷长航时无人机也逐步进入民用领域。这些无人机的载荷能力、通信手段较轻小型无人机和有人机有较大差别，迫切需要针对其特点研制与其能力相匹配的新型航空应急测绘系统。

本文以CH-4为例，从无人机平台、任务传感器、遥感数据处理系统三者的集成关系入手，提出了集光学相机、SAR、定位定姿系统、集成座架于一体的传感器集成设计方案，并研制了专门用于控制各种传感器的航测控制器。此外，还针对CH-4无人机具有卫星通信能力的特点，设计了满足航摄规划、实时处理、精细化处理等不同需求的软件集成方案。试验表明，设计的系统可以同时获取视频、光学影像和SAR数据，不仅可以满足应急测绘现场视频信息实时回传、实时处理的需求，而且能够满足生产高精度正射影像产品的质量需求。本文研究内容可为多载荷一体化集成设计研究，以及面向其他领域的无人机航空摄影系统研究提供参考和借鉴，有助于相关研究人员了解大载荷长航时无人机的市场现状和应用情况。