無(wú)人直升機(jī)在航空測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用淺析

賁亮亮 王 鵬

（中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

1 引言

航空測(cè)繪是以大氣層內(nèi)飛行器作為載體的對(duì)地測(cè)繪手段，其獲得的數(shù)據(jù)主要用于國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪及應(yīng)急救援測(cè)繪等方面。航空測(cè)繪是測(cè)繪領(lǐng)域的重要組成部分，與其他測(cè)繪技術(shù)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）空間分辨率高、信息容量大；（2）靈活高效，可以根據(jù)用戶的需求，靈活設(shè)計(jì)航空測(cè)繪的飛行方案和路線等；（3）信息獲取方便，受到的限制少，可以隨時(shí)隨地對(duì)需要偵察或普查的地區(qū)進(jìn)行測(cè)繪。

航空測(cè)繪飛行平臺(tái)主要分為高空平臺(tái)（10~20km）、中空平臺(tái)（5~10km）及低空平臺(tái)（＜5km）。中、高空平臺(tái)一般使用升限較高的固定翼飛機(jī)進(jìn)行航空測(cè)繪，低空平臺(tái)一般采用系留氣球、有人直升機(jī)等進(jìn)行航空測(cè)繪。在多年低空平臺(tái)的航空測(cè)繪中發(fā)現(xiàn)，系留氣球由于位置相對(duì)固定，導(dǎo)致測(cè)繪區(qū)域受限，不能靈活使用；有人直升機(jī)由于受到載人條件的限制（生理因素），導(dǎo)致其續(xù)航時(shí)間及機(jī)動(dòng)性都大大受限，不能滿足長(zhǎng)時(shí)間、繁瑣無(wú)味的測(cè)繪任務(wù)要求，并且使用有人直升機(jī)進(jìn)行航空測(cè)繪效費(fèi)比較低。近年來(lái)，隨著無(wú)人化技術(shù)的興起，無(wú)人直升機(jī)以其高性能、高智能、高效費(fèi)比等優(yōu)勢(shì)開(kāi)始在低空航空測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)飛行平臺(tái)的不足，更好地滿足低空航空測(cè)繪應(yīng)用需求，在未來(lái)有較好的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外在航空測(cè)繪方面的技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，特別是在歐美國(guó)家已經(jīng)形成了高、中、低空三位一體的航空測(cè)繪體系。不僅如此，由于國(guó)外對(duì)無(wú)人直升機(jī)在航空測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的研究開(kāi)始較早，無(wú)人直升機(jī)在國(guó)外已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用，比較著名的無(wú)人直升機(jī)測(cè)繪平臺(tái)有英國(guó)的MD4多旋翼無(wú)人機(jī)和瑞典的Mongoose無(wú)人直升機(jī)，如圖1所示。

國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展也已經(jīng)初步建成了高、中、低空三位一體的航空測(cè)繪體系。我國(guó)無(wú)人直升機(jī)在航空測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用方面的起步雖然較晚，但發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)比較著名的無(wú)人直升機(jī)測(cè)繪平臺(tái)有大疆公司的航拍測(cè)繪無(wú)人機(jī)筋斗云S1000+和中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所的AV500無(wú)人直升機(jī)，如圖2所示。

3 無(wú)人直升機(jī)的特點(diǎn)及其在測(cè)繪領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

3.1 我國(guó)航空測(cè)繪任務(wù)的特點(diǎn)及需求分析

我國(guó)航空測(cè)繪任務(wù)主要集中在國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪和應(yīng)急救援測(cè)繪兩方面。其中，國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)主要是測(cè)制和更新國(guó)家基本比例尺地形圖等，建立、更新基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。而我國(guó)地理面積廣闊，面積達(dá)到9.6×106km2，其基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)繁重，且由于我國(guó)西部地區(qū)多為山區(qū)，地理環(huán)境復(fù)雜、海拔高，使得基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)實(shí)施困難。應(yīng)急救援測(cè)繪任務(wù)主要是為高效有序地應(yīng)對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害和事故災(zāi)難提供地圖、基礎(chǔ)地理信息等。我國(guó)是自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，且正處于城鎮(zhèn)化大發(fā)展階段，測(cè)繪地理信息服務(wù)對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害應(yīng)對(duì)至關(guān)重要。根據(jù)我國(guó)應(yīng)急測(cè)繪工作流程可知，當(dāng)發(fā)生重大災(zāi)情后，必須迅速執(zhí)行測(cè)繪任務(wù)，提供有效的地理信息保障，這就要求應(yīng)急測(cè)繪任務(wù)必須有快速響應(yīng)的能力，并且災(zāi)區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜、天氣惡劣，這對(duì)飛行平臺(tái)提出了很高的機(jī)動(dòng)性和抗風(fēng)性的要求，不但如此，由于地理環(huán)境復(fù)雜，可以安全起降的平臺(tái)較少，這對(duì)飛機(jī)的起降能力提出了很高的要求。

根據(jù)航空測(cè)繪的任務(wù)特點(diǎn)可知，航空測(cè)繪飛行平臺(tái)的使用需求有以下5個(gè)方面要求：（1）飛行平臺(tái)需具有較好的機(jī)動(dòng)性，以滿足沿地形起伏飛行（地形跟隨或匹配飛行）的航空測(cè)繪要求；（2）飛行平臺(tái)需具有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，以滿足長(zhǎng)時(shí)間的航空測(cè)繪任務(wù)要求，保證測(cè)繪效率；（3）飛行平臺(tái)需具有嚴(yán)格執(zhí)行按任務(wù)規(guī)劃航線進(jìn)行飛行的能力，特別是在復(fù)雜航跡下的精確飛行能力，以滿足高精度航空測(cè)繪的要求；（4）飛行平臺(tái)需具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在復(fù)雜環(huán)境（溫差較大環(huán)境、鹽霧環(huán)境、雨雪環(huán)境、沙塵環(huán)境）下起降和使用，同時(shí)需具有較強(qiáng)抗風(fēng)能力，在有風(fēng)條件下仍能嚴(yán)格執(zhí)行按規(guī)劃航線進(jìn)行飛行的能力；（5）飛行平臺(tái)在滿足性能要求的情況下，應(yīng)保證其成本和維護(hù)成本足夠低。

3.2 無(wú)人直升機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)分析

無(wú)人直升機(jī)具有獨(dú)特的飛行性能，這使得無(wú)人直升機(jī)在航空測(cè)繪領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體有以下5個(gè)方面：

（1）無(wú)人直升機(jī)沒(méi)有載人條件的限制，不需要考慮飛行員的生理需求和承受能力，其機(jī)動(dòng)性和續(xù)航時(shí)間可以大大超過(guò)有人機(jī)，并且不需考慮人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

（2）無(wú)人直升機(jī)安裝高集成、高智能的飛控系統(tǒng)后可實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)航線飛行、自主避障、自主規(guī)劃航線等能力。而對(duì)于大面積的航空測(cè)繪而言，任務(wù)性質(zhì)繁瑣無(wú)味，無(wú)人直升機(jī)的自主能力可以大大減輕操作人員的工作壓力，提高了航空測(cè)繪的效率。其次，無(wú)人直升機(jī)高精度航線飛行能力有效地減少了有人機(jī)航線飛行時(shí)因飛行員的人為操作失誤而導(dǎo)致的精度誤差問(wèn)題，提高了航空測(cè)繪精度。

（3）無(wú)人直升機(jī)無(wú)駕駛艙和載人條件限制，可省去座艙、座椅、環(huán)控系統(tǒng)等與飛行員和乘員相關(guān)的設(shè)施，整機(jī)尺寸大幅度減小。這使得無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)輸相較于有人機(jī)而言更方便，一旦需要進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪任務(wù)，能夠比有人機(jī)更快地響應(yīng)上級(jí)指示。

（4）無(wú)人直升機(jī)可垂直起降、空中懸停，朝任意方向飛行，可對(duì)需要進(jìn)行詳細(xì)測(cè)繪的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間近距離的拍攝測(cè)繪，并且無(wú)人直升機(jī)對(duì)著陸場(chǎng)地要求低，能夠在有人機(jī)不能起降的地區(qū)進(jìn)行起降。

（5）無(wú)人直升機(jī)與有人機(jī)相比，價(jià)格與維護(hù)費(fèi)用更低，效費(fèi)比與使用頻率更高。

4 航空測(cè)繪無(wú)人直升機(jī)應(yīng)用分析

航空測(cè)繪無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、測(cè)控系統(tǒng)、航空測(cè)繪任務(wù)設(shè)備及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等組成，具體組成如圖3所示。

航空測(cè)繪無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用原理主要是通過(guò)無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行航空測(cè)繪任務(wù)時(shí)，將拍攝到的影像信息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送至地面測(cè)控站，地面數(shù)據(jù)處理設(shè)備將影像信息進(jìn)行處理得到所需測(cè)繪結(jié)果，地面測(cè)控站內(nèi)的衛(wèi)星通信分系統(tǒng)將測(cè)繪成果傳送至通信衛(wèi)星，衛(wèi)星把接收到的數(shù)據(jù)分發(fā)給測(cè)繪中心或應(yīng)急指揮中心基站。無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)的飛行控制由現(xiàn)場(chǎng)地面測(cè)控站機(jī)組人員執(zhí)行，衛(wèi)星通信分系統(tǒng)（異地）可以根據(jù)需要通過(guò)通信衛(wèi)星共享測(cè)繪成果。

工作過(guò)程包括：（1）下達(dá)測(cè)繪任務(wù)，根據(jù)測(cè)繪任務(wù)的特點(diǎn)需要，選配相應(yīng)的航空測(cè)繪任務(wù)設(shè)備；（2）專用載車將無(wú)人直升機(jī)運(yùn)送至測(cè)繪區(qū)域附近合適位置，進(jìn)行起飛前的準(zhǔn)備工作，由地面起飛，地面測(cè)控站發(fā)出控制指令引導(dǎo)無(wú)人直升機(jī)飛行至工作區(qū)域上空；（3）無(wú)人直升機(jī)接收地面控制指令，執(zhí)行航空測(cè)繪任務(wù)，并將測(cè)繪影像及自身狀態(tài)信息發(fā)送給地面測(cè)控站，經(jīng)地面數(shù)據(jù)處理，得到所需測(cè)繪結(jié)果；（4）地面測(cè)控站通過(guò)光纖將航空測(cè)繪成果傳送給衛(wèi)星通信系統(tǒng)指揮中心基站；（5）衛(wèi)星通信分系統(tǒng)通過(guò)指揮中心基站與通信衛(wèi)星之間進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)將航空測(cè)繪成果通過(guò)通信衛(wèi)星發(fā)送給測(cè)繪中心或應(yīng)急指揮中心，并通過(guò)衛(wèi)星電話接受指揮中心的任務(wù)指令，使用專用數(shù)據(jù)鏈路可保證高質(zhì)量、高可靠的數(shù)據(jù)交互，其整個(gè)系統(tǒng)組成如圖4所示。

其中，航空測(cè)繪無(wú)人直升機(jī)的遙控遙測(cè)通過(guò)地面測(cè)控站完成，一旦無(wú)人直升機(jī)飛出測(cè)控站的操控范圍，鏈路將斷開(kāi)，無(wú)人直升機(jī)無(wú)法得到有效控制，因此，無(wú)人直升機(jī)的測(cè)繪半徑受限于測(cè)控站的測(cè)控范圍。對(duì)于大面積的航空測(cè)繪任務(wù)，為最大化地提高無(wú)人直升機(jī)的測(cè)繪效率，以方形測(cè)繪地區(qū)為例，建議將測(cè)控車放置于方形測(cè)繪區(qū)域的中心，無(wú)人直升機(jī)以測(cè)控車為中心做環(huán)形測(cè)繪（如圖5所示），這樣可保證測(cè)繪區(qū)域的最大化，提高測(cè)繪效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人直升機(jī)起降簡(jiǎn)單、操作靈活，可以垂直起降、空中懸停，滿足航空測(cè)繪靈活高效的需求；其次，無(wú)載人條件限制，續(xù)航時(shí)間及機(jī)動(dòng)性都大大提升，滿足在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行航空測(cè)繪的需求；另外，無(wú)人直升機(jī)具有高精度航線飛行，以及自主進(jìn)行大范圍航空測(cè)繪的能力，不但提升了航空測(cè)繪的精度，而且十分適合航空測(cè)繪這種繁瑣無(wú)味的任務(wù)性質(zhì)；最后，無(wú)人直升機(jī)價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用相對(duì)更低，效費(fèi)比更高。這些優(yōu)勢(shì)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)低空航空測(cè)繪飛行平臺(tái)的不足，更好地滿足低空航空測(cè)繪應(yīng)用需求，在未來(lái)有較好的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。