1 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。 

    为给国土资源调查和管理提供新的技术手段 ,在国土资 源部的支持下 ,中国测绘科学研究院完成了 U AVRS- Ⅱ 型 无人机低空遥感监测系统的研制、开发。 该系统将遥感技术 和无人机技术紧密结合 ,广泛运用新技术、新材料、新工艺 , 实现了数字化、模块化和智能化 ,自动化程度高。控制精度和 成像效率能够满足遥感监测的要求 ,具有对地快速实时调查 监测能力 ,是一种新型的低空高分辨率遥感影像数据快速获 取系统。本刊的封面就是 UAV RS- Ⅱ 型无人机获取的山东 省威海市的城区图。 

    本文将以 U AV RS- Ⅱ 型无人机低空遥感监测系统为 重点 ,介绍系统的组成、性能指标及其应用前景。

2 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。

2. 1 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高分辨率面阵 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、姿态角以及设定的航摄比例尺和重叠度等数 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。

2. 2 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。 

2. 3 行控制系统 

    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。

    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。

2. 4 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。

    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。

2. 5 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～ 4 000m; 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 3 008× 2 000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。

4 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 4 000m ,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)高分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∶ 1万或更大比例尺遥感应用的需求。 

( 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。

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、以高分辨率遥感设备为机载传感器、以获取低空高分辨 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、地形图更新与 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。

孙杰 ,林宗坚 ,崔红霞 (中国测绘科学研究院 ,北京 100039)

参考文献 

1 李紫薇 ,曹红杰 ,刘煜彤,等 .无人机海监测绘遥感系统的应用前景 [J].遥感信息 1998( 4). 

2 孙杰 ,等. U AV RS- Ⅱ 型低空无人机遥感监测系统的研制 [ R].技术报告.