无人机航测遥感系统技术集成方略

航空摄影测量技术作为空间信息技术体系的两大分支之一，得到了各国的重视。我国在该领域也取得了一系列重大的进展，研制出许多航空摄影测量设备。微型无人机航空摄影测量系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点，正逐渐成为航空摄影测量系统的有益补充，是空间数据获得的重要工具之一。
 

然而，传统的无人机并不是专门为摄影测量目的而设计的，同样，许多通用传感器、导航仪等设备也不是专门为无人机设计的，其结果是导致了它们之间的集成很困难。本公司历经数年的科研，集成了一套的完整的微型无人机大比例尺航空摄影测量系统，其无人机的研制充分考虑了摄影测量飞行的特殊性，较其采用无人机改装的摄影测量系统具有较大优势。
 

无人驾驶飞行器摄影测量系统以获取高分辨率空间数据为应用目标，通过3S技术在系统中的集成应用，达到实时对地观测能力和空间数据快速处理能力。要使其成为理想的遥感平台，有多个关键技术需要解决：
 

1)传感器技术

根据不同类型的遥感任务，需要开发相应的机载遥感设备，如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等，选用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。
 

2)传感器及其姿态控制技术

传感器的控制系统要能够根据预先设定的航摄点、摄影比例尺、重叠度等参数以及飞行控制系统实时提供的飞行高度、飞行速度等数据自动计算并自动控制遥感传感器的工作，使获取的空间数据在精度、比例尺、重叠度等方面满足遥感的技术要求。对于抗风能力弱、飞行稳定性差的无人驾驶飞行器（如飞艇），应给摄影测量设备加装三轴稳定平台，以保证获取稳定的、清晰的高质量影像，传感器的位置数据和姿态数据最好能够实时记录并存储，以便用于影像数据的处理，提高工作效率。
 

3)传感器定标及数据传输存储技术

无人驾驶飞行器搭载的主要摄影测量传感器为面阵CCD数字相机，而目前国内市场上的小型专业级数字相机还不能达到量测相机的要求，所以，为使获取的影像能够满足大比例尺测图的精度，应根据相机的几何成像模型，作相关的检校工作，得到相机的内外参数，必要时需要采用特殊的检测手段，测定每个像元的畸变量。另外，大面阵CCD数字相机获取的影像数据量较大，需开发专用的数据传输和存储系统。飞行器的测控数据和影像数据需要实时传输时还可以通过卫星通讯来实现。
 

4)影像数据的后处理技术 
    目前的无人驾驶飞行器摄影测量系统多使用小型数字相机作为机载数据采集设备，与传统的航片相比，存在像幅较小、影像数量多等问题，所以应针对其影像的特点以及相机定标参数、拍摄时的姿态数据和有关几何模型对图像进行几何和辐射校正，开发出相应的软件进行交互式的处理。同时还应开发影像自动识别和快速拼接软件，实现影像质量、飞行质量的快速检查和数据的快速处理，以满足整套系统实时、快速的技术要求。
 

5)系统集成技术

无人驾驶飞行器摄影测量系统属于特殊的航空测绘平台，技术含量高，涉及航空、自动化控制、微电子、材料学、空气动力学、无线电、遥感、地理信息等多个领域，组成比较复杂，加工材料、动力装置、执行机构、姿态传感器、航向和高度传感器、导航定位设备、通讯装置以及遥感传感器均需要精心选型和研制开发。应根据测绘的技术要求和无人驾驶的特点，在系统的集成上重点攻关，达到工程化、实用化。
 

微型无人机航空摄影是以获取低空高分辨率遥感影像数据为应用目标，集成了无人驾驶飞行器、遥感及GPS-导航定位等高科技产品和技术，建立起来的一种高机动性、低成本和小型化，专用化的遥感系统。无人机遥感具有机动灵活、经济便捷的技术优势，它以高分辨率轻型数字遥感设备为机载传感器、以数据快速处理系统为技术支撑，具有对地快速实时调查监测能力，可广泛用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害勘查、海洋资源与环境监测、地形图更新、林业草场监测以及农业、水利、电力、交通、公安、军事等领域。
 

(1)无人机飞行器

无人驾驶飞行器是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人驾驶飞行器结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。
 

无人驾驶飞行器出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人驾驶飞行器系统的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人驾驶飞行器的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。
 

按照系统组成和飞行特点，无人驾驶飞行器可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机和无人驾驶飞艇等种类。

固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。其发展趋势是微型化和长航时，目前微型化的无人机只有手掌大小，长航时无人机的体积一般比较大，续航时间在10小时以上，能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，比较适合林业和草场监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡结合部的土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。

无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落，对起降场地的条件要求不高，其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂，操控难度也较大，所以种类不多，实际应用也比较少。
 

飞艇是通过艇囊中填充的氦气或氢气所产生的浮力以及发动机提供的动力来实现飞行。它的出现和应用比飞机还要早，1884年世界上最早的实用飞艇试飞成功。飞艇的飞行因为受大风和雷雨的气候条件影响比较大，到20世纪30年代，随着飞机的逐渐完善化和实用化，飞艇被飞机取代。大型飞艇可以搭载1000公斤以上的载荷飞到20000米的高空，留空时间可以达一个月以上；小型飞艇可以实现低空、低速飞行，作为一种独特的飞行平台能够获取高分辨率遥感影像，同时，无人驾驶飞艇系统操控比较容易，安全性好，可以使用运动场或城市广场等作为起降场地，特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区应用，如城市地形图的修测、补测，数字城市建立时的建筑物精细纹理的采集、城市交通监测、通讯中继等领域。
 

当前固定翼、旋翼（直升机）和飞艇技术，简单比较如下表：

(2)自动驾驶仪

当前国内各种无人机飞行控制计算机系统大多采用工控机或订制的工控板，中央处理器大多为Intel的386、486嵌入式处理器，主频一般在100MHZ以下，MIPS随之也低，也有少数采用高性能586处理器，主频在200MHZ左右。Intel系统一个机器周期是4个时钟周期，以后的系统用流水线有所提高。系统一般是ISA接口，扩展不方便，只能基于ISA总线来扩展硬件系统，而作为嵌入式处理系统，数据量很大，ISA总线结构数据总线为16位，时钟最快为8兆，传一次数据需要4个时钟。另外国内的飞行控制计算机采用的工控机系统体积、功耗普遍较大，价格偏高，不适合用于小型、微型无人机。
 

国外已有多种小型化、处理能力强的飞行控制计算机系统，如美国的AP40自动驾驶仪，集成了所有传感器和GPS接收机的完整装置，主板尺寸75×40×25mm，全重仅30克；加拿大MicroPilot公司的MP2028，全重仅28克，应用于美国太空总署（NASA）众多分支机构的无人机飞行实验、以色列的“蓝鸟”计划的飞行控制等。
 

(3)航空影像处理软件

航空影像处理经历了从模拟摄影测量、解析摄影测量到全数字摄影测量3个阶段的发展。每个阶段的发展都是技术的一次飞跃与革新，也是生产力提升的重要体现。由于目前模拟摄影测量手段落后，仪器设备也都已经淘汰，基本采用的都是数字摄影测量的手段，主要方法包括解析摄影测量、全数字摄影测量、单片微分纠正、数字影像几何精纠正等几种，市场上主要的处理软件包括ImageStation；法国的Pixel Factory，以及国产的DPGrid等。
 

无人机、飞艇等飞行器都易受气流和风向影响，航片为非常规航摄，偏角和滚角大（其中以飞艇的摄影质量最差），后续处理比较困难。同时，由非量测相机拍摄的低空照片因像幅很小，低空照片数量非常大。目前针对无人机的航片处理软件主要在全自动化摄影测量处理上进行提升，以中国测绘科学院为主研制的MAP-AT软件在全自动化空中三角测量、自动DEM采集、自动DOM制作上取得了很多的技术突破。
 

(4)无人机航摄应用

国内外对于无人机遥感系统的应用已进行了广泛研究。美国农业部已开始应用无人机装载数码可见—近红外相机采集田间作物信息，并在作物长势和氮素营养监测上作了应用尝试，取得了较好的结果，认为这是一个进一步研究和发展的方向。HUNT等(2005)应用遥控航模为平台的遥感系统，获得了大豆、苜蓿和玉米的干生物量与所获图像数据之间呈线性相关的结果；日本的Jryo Sugiura(2004)利用无人直升机摄影系统对小面积农田进行低空拍摄，根据飞机的实时参数对影像进行纠正后计算研究区域的叶面积指数(LAI)，从而分析作物长势；Sugiura等(2006)利用装载热红外传感器的无人直升机对农田土壤和水分的状态进行监测；Shinichi Okuyama等(2005)也在无人直升机上设计了辐射监测系统对受核污染影响的高辐射区域进行监测；Martinez Dios等(2006)分别用无人直升机和飞艇装载可见光、近红外以及火灾探测传感器来探测和监测森林火灾情况：Ollero等(2006)也指出不同的无入机系统可以用来探测、确认、定位和监视森林火灾。在没有火灾的时候可以用无人机来监测植被情况，估算含氢量和火灾风险指数；在火灾过后也可以来评价火灾的影响；日本第一规划测量土木设计公司开发出的装有紫外线照相机的无人直升机可从200—300米的低空对稻田的各个角落进行拍摄，获取高精度的水稻生长信息，在对紫外线拍摄的图片在经过蛋白质含量分类后，可将信息提供给当地农协组织和农民或通过因特网发布(华华，2003)。
 

国内无人机的应用主要是利用固定翼无人机系统获得遥感信息，用于资源调查、环境监测、气象灾害评估等。白由路等(2004)研究了低空遥感技术在精确农业中的应用，使用遥控固定翼无人机系统获取农田信息，如地块边界的数字化、地块面积量算、作物种类识别、作物长势分析等；马轮基等(2005)阐述了无人机在土地利用遥感调查、水色遥感调查、洪涝遥感调查等方面的应用前景；李字昊(2006)利用无人机获得影像，从中测算造林地面积、计算成活率、辨认树种、计算造林密度、确定林龄，以及定位造林地；吕书强等(2007)介绍了无人机遥感的系统集成，并对所获取的遥感影像和飞行辅助数据对飞行试验进行了质量评价；陈信华(2007)将SIFT(Scak Invariant Feature Transform)特征应用于影像的自动相对定向，结合最小二乘法实现了影像的自动匹配；韩杰等(2008)分析无人机的技术优势，阐述无人机遥感技术的主要研究目标和研究内容，探讨我国使用无人机遥感技术的国土资源快速监察机制。
 

三、集成方略
 

微型无人机低空摄影测量系统所采用的无人机是按照国际上通用标准设计，并且其研制的目的主要是作为遥感平台。在进行航空立体成像时，飞机携带相机沿飞行线（或条带）获取垂直航空像片。由于实际应用中多选用航空像片的立体像对。因而成功的飞行，航向重叠应为55%-65%，至少50%，一般为60%，旁向重叠大致30%。像片重叠意味着，在相隔一定距离的不同位置拍摄同一目标。存在视差可以构成立体像对，并可进一步获得立体模型。下面是微型无人机低空摄影测量的平台框图和运营系统结构
 

 
1、微型无人机平台

(1)设计要求

基于小型无人机的摄影测量遥感平台还处于起步阶段，还没有一套完整的作业规范。现行的航测规范主要是参照大多数测绘单位现有的技术条件和仪器设备制定的，而小型无人机作为一种新型的低空对地观测平台，主要在1000m以下的高度进行航拍，且其采用的是高分辨率的数码相机作为成像设备，与传统的航空摄影测量有较大的不同。因此，已有的摄影测量规范在这种新型摄影平台上并不一定能适用。按照传统的航测作业准则，有以下几点参考指标：

1)飞行速度宜在5O～100km／h之内；

2) 发动机宜在飞机前进方向的后部(以避免湍流的影响)；

3) 在发动机出故障时，飞机应可以安全滑翔降落；

4) 相对地面的飞行高度的变化应小于5％；

5) 相邻摄站飞行高度的变化应小于5％；

6) 航摄平台在作业时其水平误差不得大于3。；

7) 测量飞行速度的误差不大于5％；

8) 偏离航线的绝对误差不得大于相片旁向覆盖域的5％；

(2)微型无人机遥感设备集成与接口

微型无人机平台可采用的候选遥感设备包括4种高空间分辨率(<1 m×1 m)轻型(<6O kg)机载合成孔径雷达(SAR)和两种轻型光学成像设备。选择适合于具体应用和无人机特点的遥感设备，建立标准设备接口，缩短安装调试周期是集成应用型无人机航空遥感系统的关键。具体内容包括：

1)针对不同应用要求，通过性能价格比较，选择遥感设备；

2)完成遥感数据获取设备与无人机平台之间的统一接口设计，以便实现不同型号SAR、红外摄像仪和可见光CCD等设备的快速更换；

3) 无人机遥感设备的安装调试。
 

2、微型无人机飞行控制系统

NCG-1型无人机飞控系统是我公司技术人员自主研发的一套微型无人机控制系统。该系统包含：机载飞控、地面站、通讯设备。可以控制各种布局的无人驾驶飞机，使用简单方便，控制精度高，GPS导航自动飞行功能强，并且有各种任务接口，方便用户使用各种任务设备。起飞后即可立即关闭遥控器进入自动导航方式，在地面站上可以随意设置飞行路线和航点，支持飞行中实时修改飞行航点和更改飞行目标点。单一地面站控制多架飞机的能力和自动起降的功能也正在开发中。

作为无人机的飞行控制核心设备，系统的主要任务是利用GPS等导航定位信号，并采集加速度计、陀螺等飞行器平台的动态信息，通过INS/GPS组合导航算法解算无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收处理地面发射的测控信息，用体积小巧的嵌入式中央处理器形成以机载控制计算机为核心的电子导航设备，对无人机进行数字化控制，根据所选轨道来设计舵面偏转规律，控制无人机按照预定的航迹飞行，使其具有自主智能超视距飞行的能力。

（1）自稳能力：

在各种气象条件及外界不可预测影响下，智能测算无人机的各项指标参数，自动控制无人机的飞行姿态的稳定，确保无人机正常飞行；

（2）自航能力：

在保持无人机飞行稳定的前提下，采用各种导航手段，控制无人机按照预先设定的航迹飞行，执行相应航线任务；

（3）状态监控与测控接口：

作为整个无人机系统的控制核心，飞行控制计算机系统实时监控无人机各模块状态，并通过高速接口与地面站实时进行指令和数据的交换。

NCG-1型无人机飞控系统采用了最先进的FutabaPCM1024系列遥控，操作比一般的无人机控制系统更加灵活灵活，飞行姿态控制更加方便。控制系统的舵机是我公司自主研发的，达到了50Hz更新率，13 位舵机分辨率，使我们的微型无人机能够获取更高精度的数据。主要特性如下：
 

集成4Hz更新率GPS，可扩展北斗、GLONASS组合导航；

集成数字式空速、气压传感器，0.1mba高精度，高度测量可扩展无线电高度计；

集成低成本低重量IMU，通过带GPS修正的Kalman滤波计算最贴近真实情况的飞机姿态，动态精度±2º，消除瞬时加速度、陀螺漂移对姿态计算的影响；
 

使用跳频遥控信道传输遥控指令，跳频902~930MHz，摈弃普通无线遥控器，相当于扩展了跳频抗干扰遥控增程器，遥控控制距离增强到电台的控制距离(地对空10~50km以上)，抗干扰性极强，在电磁环境复杂地区仍然能安全可靠的手动遥控无人机；
 

定位系统可扩展差分GPS，实现精准航线控制与自动滑降；

可外接高精度惯性导航组件，各类AHRS、垂直陀螺，并可外接涡喷发动机电子控制单元（ECU）；

可控制机载伺服云台转动，CCD变焦，算法可控制云台锁定地面固定目标；

定时、定距相机拍照控制，并在机上保存拍照时的飞机遥测参数；

提供半自主控制，操作员仅仅进行摇杆的左右操作，在定高状态下自动控制无人机飞行；

实时修改、上传航线，实时调整飞行控制参数；

飞行操控手的所有操作动作均有数字记录，可回放分析操控过程；

实时显示3轴加速度值、3轴陀螺值等IMU传感器信息；

7—20V宽电压输入，12位A/D采集电压监控；

多种PID组合控制算法，256~1024个任务航路点，12个制式航线，航段速度、高度、半径和任务可单独设置；

“傻瓜式”操作，多种飞行控制方式：全自主弹射起飞、全自主手掷起飞、全自主巡航飞行、全自主“一键式”回收、点哪飞哪、就地盘旋；完全夜航功能；

用户可设置的安全保护功能；电压监控、发动机转速监控，发动机灭车、意外安全保护；

支持实验室模拟飞行功能，足不出户预先判断飞行效果；

9通道舵机输出，支持定时、定距控制拍照任务舵机动作，支持开伞、切伞、开舱、抛撒等舵机动作；

支持完全副翼转弯、压坡度横滚转弯，支持常规、V尾、H尾、三角翼等各种布局；

搭载在系留平台高空悬浮7天考核，经过军品装备验收程序严格考核，高低温、振动、冲击、电磁兼容等各项指标符合国军标。
 

3、嵌入式控制软件
 

计算机上运行嵌入式控制软件作为系统的应用软件，飞行控制采用PID控制方法，飞机的运动用旋转四元数表示。采用基于修正双子样的等效旋转矢量算法进行姿态捷联解算。

机载嵌入式软件除飞行航迹监测与控制外，还包含飞行姿态稳定、测控数据协议接口、数码相机控制、飞行数据记录、各模块状态监控、意外情况处理等六个方面的功能，当发动机故障或发生紧急情况时，可自动开伞进行紧急降落。

A．飞行姿态解算与稳定：

飞控软件要实时读取无人机平台的加速度信息、角速度信息，通过积分及融合GPS的定位信息，利用INS/GPS组合导航算法，Calman Filter来解算无人机的飞行姿态，并计算组合导航的经纬度、速度、方位等。

B．航迹偏差校正：

任务航线的编制，是根据无人机所要飞行的路线、高度、速度以及所要执行的任务，制订一个航路点列表。无人机在抵达这些航路点时，可以执行预定的任务，比如飞循环制式航线、任务舵机和数字信号控制机载设备工作、着陆等。无人机飞行时，将按照航路点列表确定的顺序、速度和高度飞行，在指定的航路点上完成规定的任务事件后，继续按顺序飞行，直至抵达航线的终点。

中控软件根据当前状态与预定航迹的偏差，根据自动控制理论，采用通用控制算法PIDA方程计算校正量。到达预定航迹点附近后，以智能算法判断是否已达航迹点，并视情将目标点设为下一预定航迹点。

校正量=Kp×偏差 +（偏差和）/Ki + Kd×（偏差变量）

Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd是微分系数。比例系数直接影响舵机偏转量的大小。增大比例系数可以减小被控量的偏差，但如果增加的太多，将导致控制回路不稳定。

积分系数是影响系统控制精度的时间条件，它的作用时消除系统的静态误差，提高系统的控制精度。系数大，积分过程长，控制精度提高的慢。反之，积分过程短，控制精度提高的快。减小积分系数可以消除控制静差，快速提高控制精度，同样，如果积分系数减小过多将导致控制回路不稳定和震荡。

微分系数是控制偏差的阻尼条件，它与偏差的变化率成正比。偏差的变化率越大，阻尼作用越强。微分系数可以增加系统控制的稳定性。增大微分系数可以提前抑制被控量偏差的快速变化，增加控制作用的稳定性。但如果增加的太多，将会使舵机频繁动作且对传感器噪声过度敏感，最终也将使系统变的不稳定。

比例系数、积分系数、微分系数由飞行试验确定，调整至合适数值，使无人机按航迹飞行误差最小，当偏差产生时飞行轨迹朝预定航迹收敛速度快，且具鲁棒性。

C．测控数据接口：

中控软件的另一重要功能是完成与机载测控设备的数据交互。将本地数据按照预定帧格式将数据打包传送，和将机载测控设备接收到的数据分包并进行处理。

无人机的高速、中低空飞行条件，使得机载电磁环境无法预测，因此与机载测控设备的数据交换必须具备良好的抗干扰能力。中控软件采用两次握手协议以消除干扰，确保数据有效传输，不会因电磁干扰而误偏航向甚至执行错误任务。

D．任务设备控制：

无人机飞抵预定航路点时，按照任务规划执行相应任务，比如飞循环制式航线、启动相机电子快门、减速开伞等。

中控软件根据相应任务设备的操作协议，根据当前飞行状态控制任务设备的工作状态，平时处于休眠低功耗状态，适当时机启动并根据任务以恰当模式进行工作，适时调整工作模式等等。

E．飞行参数记录：

飞行过程中，中控软件记录在飞行中如下表的全部数据，传送至地面测控站，并同时在机载飞行控制计算机上大容量FLASH存储芯片内备份存储。

数据记录结束后，这些数据是不会被抹掉的，可供以后仔细分析判断。无人机回收后，地面计算机通过Windows超级终端程序，可以连接飞行控制计算机，将记录数据读出并绘图。根据记录数据曲线图，可以分析和判断飞行控制系统的运行情况。

F．各模块状态监控：

飞行过程中，中控软件实时监控各模块的正常工作，当出现非正常情况（模块损坏、电源低电压、测控失效、舵系统无效、回收系统故障等）时，按照预定方案调用意外情况处理，并向地面测控站告警。

G．意外情况处理：

为具备抗干扰、抗风等外界不定因素，软件还将智能处理失去与测控站的联系、调整舵面后未按预定航向飞行、长时间不能抵达预定航迹点、强风扰动、中央处理器异常死机等意外情况，以增强全系统的可靠性。

4、地面站系统软件

地面控制系统软件在无人机飞行前进行任务航路规划，在无人机飞行过程中显示飞行区域的电子地图、航迹、飞行参数、飞机的姿态航向参数。飞行中所有飞行参数和导航数据可实时下传并记录。操作者可通过航迹规划和路径调整进行各种任务的控制执行。地面控制系统的人机界面让操作者可方便的修改航路点、目标航向并监视飞行状态；