无人机遥感技术

前　言

由于无人机具有机动快速、使用成本低、维护操作简单等技术特点,因此被作为一种理想的飞行平台广泛应用于军事和民用各个领域。尤其是进入二十一世纪以后,许多国家将无人机系统的研究、开发、应用置于优先发展的地位,体积小、重量轻、探测精度高的新型传感器的不断问世,也使无人机系统的用途迅速拓展。

“ＵＡＶＲＳ Ⅱ型无人机低空遥感监测系统”于2003年9月通过专家组鉴定。该系统主要由遥感数据获取系统以及遥感数据后处理系统组成。其中遥感数据获取系统按结构划分成为无人机机体、动力系统、飞行控制系统、无线电遥测遥控系统、遥感设备及其控制系统、地面监控中心控制系统。在多次飞行中,无人机遥感数据获取系统成功获取了GF辨率航空遥感影像,实现了HS面积覆盖。

2，系统的技术优势

(1)机动快速的响应能力无人机系统运输便利、升空准备时间短、操作简单,可快速到达监测区域,机载高精度遥感设备可以在短时间内快速获取遥感监测结果。

(2)性能优异无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄,航线控制精度高,飞行姿态平稳。飞行高度从50m至4000m,高度控制精度10m;速度范围从70km/h至160km/h,均可平稳飞行,适应不同的遥感任务。

(3)操作简单可靠飞行操作自动化、智能化程度高,操作简单,并有故障自动诊断及显示功能,便于掌握和培训;一旦遥控失灵或其他故障,飞机自动返航到起飞点上空,盘旋等待。若故障解除,则按地面人员控制继续飞行,否则自动开伞回收。

(4)GF辨率遥感影像数据获取能力无人机搭载的高精度数码成像设备,具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力,获取图像的空间分辨率达到分米级,适于1∶1万或更大BLC遥感应用的需求。

(5)使用成本低无人机系统的运营成本较低,飞行操作员的培训时间短,系统的存放、维护简便,还可免去了调机和停机的费用。

这套系统主要应用领域

它以无人驾驶飞行器为飞行平台、以GF辨率数字遥感设备为机载传感器、以获取低空GF辨率遥感数据为应用目标，具有快速、实时对地观测、调查监测能力，因此在土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害调查、海洋资源与环境监测、DXT更新等领域都将有广泛应用。

主要优势

传统的卫星遥感和普通HKSY成本高、受天气等因素影响比较大。与此相比，无人驾驶飞行器遥感系统的机动灵活和经济便捷是它的主要优势。

这套遥感系统具有机动快速的响应能力，系统运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域，机载高精度遥感设备可以在短时间内快速获取遥感监测结果。因此，该系统非常适合进行应急遥感监测。打个比方，某地连降大雨，存在发生地质灾害的可能，这时利用无人机遥感系统进行地灾监测就非常有效。系统运输到该地当天就可以升空，马上就可以得到地灾隐患区的监测结果，便于政府采取措施应对地灾发生，减少损失。

系统的使用成本也很低。2003年，我们将无人飞行器低空遥感系统用于“数字威海”三维地理空间基础构架建立项目，完成全城61平方公里内两万多栋建筑的GF辨率影像获取和三维建模任务，不仅降低了成本，效率也大大提高。

更为重要的是，由于制造和飞行成本都很低，飞行操作员的培训时间短，系统存放、维护简便，用户完全可以自主拥有和应用，这样就可以免去运输过程，更加缩短了系统的响应速度。

性能和安全性

它的操作性能十分优异。它能按预定飞行航线自主飞行、拍摄，航线控制精度高，飞行姿态平稳。它的飞行高度从50米到4000米，高度控制精度 10米。系统飞行操作自动化、智能化程度高，操作简单，有故障自动诊断及显示功能，一旦遥控失灵或其他故障，飞机自动返航到起飞点上空，盘旋等待。若故障解除，则按地面人员控制继续飞行，否则自动开伞回收。

系统的组成

无人机低空遥感监测系统由遥感设备及其控制系统、无人驾驶飞行平台、飞行控制系统、无线电遥测遥控系统、遥感数据处理系统等几部份组成。

遥感设备及其控制系统

机载遥感设备及其控制系统用于获取遥感影像,是无人机低空遥感监测系统的重要组成部份,主要由机载遥感设备、稳定平台及任务设备控制计算机系统等组成,如图1所示。

根据不同遥感任务的需要,系统能够搭载的遥感设备包括面阵CCD数码相机、光学胶片相机、成像光谱仪、磁测仪、CCD摄录机等。

目前Ⅱ 型无人机遥感监测系统选用GF辨率面阵CCD数码相机作为主要遥感设备。数码相机获取的遥感影像可以直接输入到计算机中进行处理,不需要经过冲洗、印相等程序,无人机回收后可以在现场直接查看影像质量和飞行质量,可以大大提高工作效率,符合无人机低空遥感监测系统实时、快速的技术特点。同时,CCD数码相机体积小、重量轻,在感光度、色彩深度、载片量(存储量)方面具有技术优势,数码成像技术将成为摄影测量与未来遥感的主要技术手段。

机载稳定平台的主要功能是用于遥感设备的稳定和偏流角的修正,以确保获得高质量的遥感影像。稳定平台设计了三轴和单轴两种:三轴稳定平台可以使传感器保持水平稳定并修正偏流角,由平台、电机、陀螺仪、水平传感器、舵机、控制电路等组成;单轴稳定平台只修正偏流角,由平台、电机和控制电路组成。两种稳定平台可以根据不同精度的遥感监测任务选用。任务设备控制计算机能根据无人机的位置、地速、高度、航向、姿态角以及设定的HSBLC和重叠度等数据,自动计算并控制相机的曝光间隔和稳定平台的偏流角修正,具有程控和遥控两种控制方式。

无人驾驶飞行平台

气动布局合理、性能稳定的无人驾驶飞行平台是系统的基本保障。无人机主要采用玻璃钢和碳纤维复合材料加工而成,重量轻、强度大。机身为车厢形式,有较大的容积范围,便于设备的安装及使用维护,无人机的任务载荷和任务设备仓的尺寸根据遥感设备及其控制系统的重量和尺寸设定。无人机的后端安装有性能稳定的航空发动机和推力螺旋桨为动力装置。无人机的起降可以采用正常的滑行方式,同时还开发了性能先进的车载起飞、伞降回收机构,以适应不同地区和不同遥感任务的使用。

飞行控制系统

飞行控制系统完成无人机的飞行控制与飞行管理。飞行控制系统用于无人机的飞行控制与任务设备管理,包括传感器、执行机构和飞行控制计算机三个部份(如图2所示)。由姿态陀螺、气压高度表、磁航向传感器、GPS导航定位装置、飞控计算机、执行机构、电源管理系统等组成,可实现对飞机姿态、高度、速度、航向、航线的精确控制,具有遥控、程控和自主飞行三种飞行模态。在这个系统中,飞控计算机通过串行数据通讯接口接收高度/空速、三轴地磁向强度、ＧＰＳ卫星信息等传感器数据。通过模拟输入采集俯仰/横滚姿态角、三轴角速率等传感器模拟信号,根据这些信息,实时解算各飞行参数。

为了提高飞控系统的可靠性,系统采用网络和位总线结构。各传感器、舵机、通讯系统、飞控计算机之间的通讯以数字化方式实现。由于用数字通道代替模拟连接,提高了信号传输的精度,增加了抗干扰能力。该结构具有可扩展性和灵活配置的能力。系统可根据任务的需求增减一些典型的部件,这种结构还具有容易实现冗余技术和故障隔离等优点。

图2　飞行控制系统框图

无线电遥测遥控系统

无线电遥测系统是传送无人机和遥感设备的状态参数,可实现飞机姿态、高度、速度、航向、方位、距离及机上电源的测量和实时显示,具有数据和图形两种显示功能。供地面人员掌握无人机和遥感设备的有关信息,并存贮所有传送信息,以便随时调用复查。无线电遥控系统是用于传输地面操纵人员的指令,引导无人机按地面人员的旨意飞行。

机载遥感设备控制系统是由数字相机、单轴稳定平台、遥感设备控制系统等组成。ＵＡＶＲＳ-Ⅱ型无人机遥感监测系统采用ＣＣＤ面阵数码相机和ＣＣＤ摄录视频系统作为其主要遥感数据获取设备,在国内率先基于无人机平台以高精度GF辨率数码相机完成了试验区的HS面积覆盖。该系统对试验区摄影时所采用的数码相机的面阵大小为3008×2

000像元,可存储300幅以上高精度影像,感光度200～800,镜头焦距20～300ｍｍ。试验时采用的镜头焦距20ｍｍ。稳定平台的航偏修正精度小于等于1°,航偏修正范围±25°。(1)曝光间隔的控制曝光间隔的控制:遥感设备控制系统通过串口接收飞控计算机实时解算的飞行高度、地速。航向重叠度和像片的尺寸、物镜的焦距由键盘接口或者串口设定。设曝光间隔为ｔ,航高为ｈ,地速为ｖ,航向重叠度为ｐ,ｓ为面阵ＣＣＤ数码相机的大小(像素),焦距为ｆ(像素)。数码相机的曝光间隔满足ｔ=ｈｓ(1-ｐ)/(ｆｖ)[1]

为了使无线电遥测系统和遥控系统(简称无线电遥测遥控系统)设备轻便易携、架设方便,地面站的设备平台设计成一体化,主要由指令编码器、调制器、发射机、接收机、天线、微型计算机、显示器、电源等组成。无线电遥测遥控地面站的组成见图3。

　　　图4　遥测遥控地面站组成框图

2.5 稳定平台的控制

无人机平台采用垂直陀螺测量飞机的俯仰/横滚姿态角,同时垂直陀螺与微处理技术的结合,使飞机可以在飞行的条件下保持与地面垂直。在自动驾驶飞行时,如不加其他控制信号,垂直陀螺仪将使无人机的俯仰角和倾斜角稳定在近似零的状态,或者可以粗略说稳定在“水平状态”。当无人机在飞行中受到干扰时就会产生倾斜和俯仰,这样垂直陀螺的倾斜电位计和俯仰电位计就有γθ电压输出。γθ电信号经过Ａ/Ｄ进入飞控器微处理机,并通过Ｄ/Ａ转换再经过运算放大器输送给舵机,升降机舵和副翼舵机,使舵面产生一个偏移,使无人机很快恢复到“水平状态”。此时无人机将由垂直陀螺稳定在“水平状态”上飞行。多次的地面和飞行试验证明此方法可行。我们对无人机试验飞行时的姿态数据进行了详细分析,验证了在侧风小于4级情况下,飞行控制系统可以控制无人机沿测线直线飞行时的横滚角、俯仰角一般不大于3°的事实。　

遥感数据处理系统

为保证无人机遥感监测系统具有对地实时调查监测能力,在目前现有的遥感数据处理软件的基础上,还根据无人机机载遥感设备的技术特点研制、开发了专用的数据处理系统,以实现无人机遥感监测数据的快速处理,满足各种遥感监测任务的需要。

3　系统的主要技术指标和参数

3.1　无人机系统机长:2.8m;翼展:3.6m;起飞速度:70km/h;最大起飞重量:50kg;任务仓尺寸:宽300mm×长500mm×高300mm;任务载荷:大于8kg;飞行速度:70～160km/h;续航时间:3～4h;控制半径:50km;飞行高度:100m～4000m;导航精度:≤80m;控制方式:程控、遥控、自主三种方式;环境温度:-10°C～+40°C;相对湿度:95±3%;风力风向:风力小于或等于4级,风向不限。

3.2　面阵CCD数码相机像元素:大于3008×2000像元;存储量:大于1G;感光度:50～800;镜头焦距:20～300mm,可选。3.3　稳定平台水平稳定精度:2度;调整范围:±20度;偏流修正精度:2度;偏流修正范围:±30度。

5　无人机低空遥感监测系统的应用前景

无人机低空遥感监测系统是一种高机动性、低成本的小型化、专用化遥感监测系统。它以无人驾驶飞行器为飞行平台、以GF辨率遥感设备为机载传感器、以获取低空GF辨率遥感数据为应用目标,具有对地快速实时调查监测能力。随着系统功能的不断完善,可广泛应用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾情监测、DXT更新与地籍测量、海洋资源与环境监测以及农业、林业、水利、交通等部门,尤其对车船无法到达地带的环境监测、有毒地区的污染监测、灾情监测及救援指挥,无人机低空遥感监测系统更具有其独特的优势。本系统的推广应用,可以增强我国对地观测的综合技术能力,并将在国土资源信息获取与管理等领域的技术服务中产生重大的社会和经济效益。

无人机应用现状：

2005年8月8日上午11时24分，由北京大学与一航贵州集团共同研制的我国第一个高端多用途无人机遥感系统，在安顺黄果树机场首飞实验成功，此举标志着我国无人机对地观测技术已跨入世界先进行列。无人机航空遥感技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充，在国外已得到广泛应用。北京大学遥感与地理信息系统研究所是我国最早从事遥感技术与应用研究的单位之一，多年来承担了国家和地方一系列重大科研项目，取得了重大进展。无人机航空遥感系统，是其承担的国家"985"计划中的重点项目之一。系统研制中，采用了中国科学院遥感所研制的先进GF辨率数码相机系统。无人机遥感尽管在我国起步较晚，但发展迅猛。近年来，北京大学与一航贵州集团采取强强联合、优势互补的方式，在此领域进行了广泛合作，并在机载遥感设备敏感度、图像识别与处理系统、图像分辨率和减小设备体积重量研究等多方面，取得了突破性进展。北京大学与一航贵州集团联合研制的多用途无人机遥感系统首飞实验成功，标志着我国无人机航空遥感技术已取得重大突破。在无人机航空遥感领域，首次采用集成性、智能化和GF辨率空间数据获取等技术。尤其是在可靠性、飞行高度、平稳度、导航精度及运行制作成本等方面，已具备了航空遥感的应用能力，综合性能达到国内领先水平。该机无论在飞行性能、导航控制精度、通信与任务设备装备还是价格上，均具备与国外发达国家竞争的实力，将大大缩短我国与发达国家在此领域的差距。据有关专家分析，此项目市场潜力巨大。随着我国无人机航空遥感技术的日渐成熟，它将广泛应用于国土环境资源普查、气象科学研究和自然灾害监测等多个领域，为国民经济建设服务。

无人驾驶飞行器低空遥感系统由中国测绘科学研究院开发，国土资源部和国家“ 863”计划支持完成。由于具有良好的可靠性、控制精度和成像效率，具有快速、实时对地观测、调查监测能力，达到了实用化、工程化的目标，这套遥感系统日益成为国土资源遥感监测的高新技术装备。

近年来，无人驾驶飞行器低空遥感系统已在“数字城市”三维地理空间基础框架建立和土地利用调查和动态监测等工作中得到应用，先后完成山东省威海市、烟台开发区和河北省石家庄开发区、浙江省杭州西湖开发区、贵州省惠水县等 10余个城市和地区的遥感HS任务，共获取GF辨率遥感影像10余万张。

2005年11月，由国土资源部和贵州省国土资源厅在贵州省惠水县组织进行了“无人驾驶飞行器遥感系统在土地资源调查监测应用示范”。这次使用的是无人飞艇，监测面积38平方公里，遥感影像经过数据处理，已达到1∶2000DXT的精度要求，能够用于1∶2000BLC的地籍调查。这表明无人驾驶飞行器低空遥感系统应用于大BLC测图的技术已经成熟，可以进行实际应用。

该系统完成过北京小汤山镇和山东威海城乡结合部的土地动态监测工作，还完成了10多个城市的“数字城市”建立的HS任务。

无人驾驶飞行器遥感系统搭载高精度数码成像设备，具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力，能够获取优于10厘米的GF辨率遥感影像。

目前1∶500和1∶1000等更大BLC测图的研究工作正在进行。