王文昭 刘朋飞
（天津师范大学 地理与环境科学学院，天津 300387）
在测绘作业中，无人机作为飞行平台搭载遥感载荷因具有机动快速的响应能力、低使用成本、高分辨率图像和高精度定位数据获取能力等特点,适用于低空遥感数据的快速获取。基于不同的作业区域及所需的数据类型，一般会选择使用消费级无人机搭载相关载荷进行数据采集或购买大型无人机公司提供的数据获取服务。这两种飞行平台，在实际的数据采集过程中都有自己的优势，可也会因为飞行平台本身的原因影响数据质量（例如数据缺失或者无法提供后期提高数据解算精度所需要的飞行信息数据等）。其中，前者由于成本低廉使用简单的特性被普遍推广并广泛应用于摄影测量[1-4]但飞行平台和载荷系统几乎完全独立；而后者受限于飞行空域管制和成本原因难以普及但系统较为完备成熟, 常用于大面积的作业区域或应急测绘[5-6]。本文分析了测绘过程中小型无人机出现的问题，借鉴大型无人机在相同领域的系统优势和飞行经验，结合小型无人机飞行平台与载荷系统相互独立的特性，从飞行平台和载荷系统两个方面提出优化方式。
1 测绘作业中无人机的重分类
区别于专业的飞行团队，在使用无人机作为测绘作业中低空遥感数据采集的飞行平台时，是基于作业区域和所需要的数据类型来对飞行平台进行选择而非通过固定的飞行平台来完成任务，因此对于从事测绘作业的无人机的分类，不应以空机重量、最大起飞重量、最大巡航速度等传统分类参数[7]进行区分，而是以是否为完整的系统、最大航程、飞行高度、续航时间等来进行分类。
本文以无人机飞行平台是否需要专业的飞行维护团队为基础，将测绘无人机划分为为无人机飞行系统（后文简称大型无人机）和飞行器（后文简称小型无人机）两大类。
1.1 无人机飞行系统
无人机飞行系统分类包含大型固定翼无人机及垂直起降固定翼无人机[8]，其特点是内部系统为独立完整，包含飞行控制系统（能进行较为精确的飞行控制）、动力系统（一般以汽油发动机作为动力来源）、电气系统（包含载荷系统，一般提供固定格式的电源和数据接口）、通信系统、结构系统等，此分类中可以根据使用的航空发动机的不同、是否需要起降场地、通信波段等进行再分类（前两者涉及空域管制，后者涉及无线电管制）。
1.2 无人机飞行器
无人机飞行器是指以飞行系统高度集成并和载荷系统相对独立的以电为动能驱动的飞行高度低于120m 且不需要起降场地和在此基础上以提高续航能力为目的的加装了汽油发电装置的旋翼无人机。
2 测绘过程中小型无人机系统的问题分析
2.1 作业区域较小
2.1.1 续航时间有限
小型无人机在搭载测绘作业载荷和RTK 系统设备后在纯电池驱动下航时一般不超过60 分钟，无法满足数据获取的需求。在仅以增加续航时间为目的的前提下，出现了加装汽油发电机和油电混合动力两种类型[9-10]。加装汽油发电机虽提升了续航时间，但是加装的发电机变相的减少了可搭载载荷的质量，而且并没有增加供电的输出功率，没有解决小型无人机在测绘过程中的系统问题；油电混合动力两种类型采用油电混合动力进行驱动已经可以算是一个全新的飞行器架构了，在前面提出的无人机分类中应归为无人机飞行系统，在此不予讨论。
2.1.2 通信控制半径较近
2.2 飞行模式存在安全隐患
目前的小型无人机依法在120m 以上真实高度飞行需要AOPA 资格证并申请对应空域得到批准。在AOPA 的课程中，对一些紧急情况进行了训练，例如在GPS 失效下进行的地面站（控制手柄）盲飞训练，但是这本质上还是小型无人机在航迹规划和飞控机程序上的智能化不足所导致的，目前仅有少数型号加装了低电量应急返航机制，与大型无人机相比，缺乏应急降落系统。
2.3 载荷搭载能力不足
小型无人机在载荷的搭载能力上，主要受到载荷的功率、体积和重量三方面的制约，以摄影测量为例：在进行拍摄和数据获取过程中，主要需要获取拍摄图像、拍摄时飞机的GPS 坐标数据、拍摄时飞机的飞行姿态数据。在上述的这三类数据中，为了进行数据处理，拍摄的图像要满足足够的重叠度，但是由于地形起伏容易导致一些照片的重叠度不够，为此应当根据无线电测距（雷达高度）进行飞行，但实际上无论是在飞控机程序还是飞行器平台本身的设计中都没有搭载对地无线电测距的设备，因此为了满足获取影像重叠度要求，应额外搭载无线电测距载荷；飞机的飞行姿态数据主要来源于IMU，由于积分算法的发散误差会随着时间进行累加，需要定时的进行误差修正[12]。在实际应用中，对INS 误差修正的最好方式是通过垂直陀螺设备，为了获得较为精确的飞行姿态数据，应额外搭载垂直陀螺载荷[13]。但无论是无线电测距设备还是垂直陀螺仪，都受限于电池功率、飞行器体积以及起飞重量而无法搭载。
3 基于大型无人机飞行经验的小型无人机测绘系统的改进
3.1 针对由于通信范围限制导致的作业区域问题，引入无人机副地面站
大型无人机在设计之初，其目的主要是搭载光电载荷进行侦查任务，而往往需要侦查的区域距离起飞区域比较远，超出视距通信距离（7000m 飞行高度的视距通信距离约为230-250km，而中大型无人机巡航速度平均为160-180km/h），当时卫星通信应用无人机相关技术并不成熟，于是出现了前端地面数据终端的（Front Ground Data Terminal 简称FGDT）概念，该系统将无人机地面站分为指挥站和地面数据终端两部分，通过光纤进行连接，使指挥站可以选择和任意一个地面数据终端进行通信从而通过该地面控制终端的数据链设备来对无人机进行控制，前端地面数据终端的出现延长了无人机的视距通信距离。
对于小型无人机来说，通信控制终端的设计一般都是集成在一起便于携带且对于地面终端要求仅限于正常稳定工作，因此降低了无人机副站的布设要求。而且小型无人机在进行飞行作业时，由于飞行通信和载荷系统相互独立，所采集的数据均储存于载荷之中无需实时下传，因此借鉴并简化大型无人机副地面站的结构，使用增益较小，系统结构最简的数据链设备进行搭建。其最简结构如图1 所示。
图1 无人机副地面站最简结构
小型无人机系统数据链系统下传数据并不包含载荷信息，因此可以取消该系统的图形工作站部分。该结构为无人机地面控制站的最简结构，由于飞行高度较低地面站天线增益无需太高因而使用全向天线即可，按照该结构搭建好无人机副地面后，可根据不同的无人机类型以及不同大小区域的测区来进行地面选址，见图2。
图2 无人机地面站选址方案
其中虚线区域为任务测区，里面为任务区域的航带，其中两个地面站的视距通信范围必须有至少15%的重合用于接力。而对于小型无人机来说，副地面站的引入不仅可以增加通信控制范围，而且允许无人机一条一条航带进行单向飞行，到达另一端后进行充电，这样也同时解决了电池功率导致的航时不足的问题，为后面增加飞行参数量算设备和载荷前端设备提供了条件。
3.2 针对飞行安全的需求提升和数据黑洞，引入雷达高度计设备
相比于气压高度和GPS 高度，雷达高度是最能够直观反映当前飞行器对地高度的量算设备，在大型无人机的飞行作业中，无论是起飞降落还是在任务区域中按照要求进行卫星通信的超低空飞行，均使用雷达高度作为参考依据，而在应用于小型无人机的高精度雷达设备的研究中，已经有测距50m 以内的较为成熟的研究（小型无人机最大飞行高度120m），满足使用需求[14]。在小型无人机上安装雷达高度是基于非本场的应急降落的安全和避免数据黑洞两个方面的原因。
3.2.1 应急降落
大型无人机在进行降落时，有时会由于距离地面站较近而导致主链路天线跟踪失效，此时会为了保证飞行降落安全，切换备用链路来上传接收实时的飞行信息来保证飞机的降落安全，此时飞行操作人员在操作降落时不一定会有清晰的图像作为参考，主要依靠对实时飞行数据信息的解读和调整，而对于小型无人机来说，进行应急降落需要考虑的主要是降落区域选择以及之后的安全降落，在选定降落区域之后，可以根据雷达高度提供的信息，慢慢调整到合适的降落速度，最后在可能由于飞行高度过低导致的通信丢失的情况下进行安全降落。
3.2.2 避免数据黑洞
为了满足测图的需求，在同一条航线上，相邻相片需要有一定范围的影像重叠（即航向重叠），相邻航线也应有足够的影像重叠（即旁向重叠）[15]。大型无人机在自主飞行模式过程中（一般在切入任务航迹之后）默认按照设定航迹点根据气压高度进行飞行，虽然可以手动在切入任务航迹之前改为按照GPS 高度进行飞行，但由于飞机的自主返航机制设定在几分钟内收不到上行数据帧（没有控制信号会发只有帧头帧尾中间都是0 的空帧）就自动切入自主返航模式，这会直接切出任务航迹并且默认按照返航航迹的气压高度进行飞行，无论是航迹的改编还是坐标高度的改编都会导致数据的无效化。而小型无人机在作业区域内进行飞行时，一般会按照预先规划好的航迹按照固定的高度进行飞行和数据采集，不会根据地形起伏即时调整飞行高度。当地形起伏较大时为了保证相片的立体量测和拼接需要增大重叠度，但由于实际飞行中没有实时调整飞行高度，不仅会降低重叠度，还会由于遮挡和阴影造成数据缺失，最终造成解析失败形成数据黑洞。
小型无人机不适用于地形较为复杂的测区，飞行高度也较低，但由建筑物起伏可能造成的重叠度下降和数据缺失仍应当重视。由于小型无人机飞行和载荷系统独立，雷达高度无法直接作用于飞行系统而是提供参数支持，因此可以在飞行前根据像幅尺寸、比例尺、预期的重叠度的参数计算出合适的飞行高度范围，在实际飞行中，根据雷达高度提供的无线电高度数据（对地高度非绝对高度）来实时调整飞行高度避免在解算中出现数据缺失的状况。
3.3 针对缺少用于辅助解算的姿态元素，增加载荷前端装置
大型无人机会为所搭载的载荷预留固定的电源及数据接口。在飞行过程中，为了保证飞机的安全，飞行信息（包含摄影测量在进行POS 辅助空中三角测量中使用的DPS/IMU 提供的空间坐标和角元素信息）与载荷下行数据传输是互相独立的（飞行信息和载荷数据组帧从主链路传输，飞行信息单独从备用链路进行传输），因此摄影测量中从光电载荷的下行信息数据中只能获区DPGS 信息，缺少飞行姿态数据。而飞控机使用的是内部时间，即从上电开始进行计时，所以无法从飞行结束后的链路数据信息中解算出每个相片拍摄时准确的飞行姿态信息。小型无人机的飞行系统和载荷系统相互独立，摄影测量的载荷数据存储于载荷内部无需实时下传，因此可以增加一个接收相机控制信号来获取当前飞行姿态并拥有独立通信能力的载荷前端模块，如图3 所示。
图3 载荷前端模块
4 结论
本文对于应用于测绘作业中的无人机飞行平台进行了重新分类，并以摄影测量作业为例，分析了小型无人机飞行系统在该领域应用中存在的问题，结合大型无人机飞行系统相关的飞行经验，提出了改进方案，以增加作业范围、提高安全性能和提高数据解算精度。
其中，以最简结构构建无人机副地面站，满足同一片区域长时间反复的测绘需求；为载荷增加前端装置，一方面能够保证相机控制电路对于相机的曝光的控制，另一方面同时传至IMU 的控制信号可以获取即时的飞行姿态，通过RS485 串口传至DTU 设备最后通过无线通信或LTE 模块传送到指定的服务器端口上。引入雷达高度计，不仅可以在为紧急情况下辅助人工降落提供辅助参数从而增加安全系数；也可以通过在飞行中对该参数的实时监控控制对地飞行高度来保证影响重叠度，避免数据缺失。
