無人直升機在航空測繪領域應用淺析

賁亮亮 王 鵬

（中航工業直升機設計研究所，景德鎮 333001）

1 引言

航空測繪是以大氣層內飛行器作為載體的對地測繪手段，其獲得的數據主要用于國家基礎測繪及應急救援測繪等方面。航空測繪是測繪領域的重要組成部分，與其他測繪技術相比，它具有以下優點：（1）空間分辨率高、信息容量大；（2）靈活高效，可以根據用戶的需求，靈活設計航空測繪的飛行方案和路線等；（3）信息獲取方便，受到的限制少，可以隨時隨地對需要偵察或普查的地區進行測繪。

航空測繪飛行平臺主要分為高空平臺（10~20km）、中空平臺（5~10km）及低空平臺（＜5km）。中、高空平臺一般使用升限較高的固定翼飛機進行航空測繪，低空平臺一般采用系留氣球、有人直升機等進行航空測繪。在多年低空平臺的航空測繪中發現，系留氣球由于位置相對固定，導致測繪區域受限，不能靈活使用；有人直升機由于受到載人條件的限制（生理因素），導致其續航時間及機動性都大大受限，不能滿足長時間、繁瑣無味的測繪任務要求，并且使用有人直升機進行航空測繪效費比較低。近年來，隨著無人化技術的興起，無人直升機以其高性能、高智能、高效費比等優勢開始在低空航空測繪領域應用，有效地彌補了傳統飛行平臺的不足，更好地滿足低空航空測繪應用需求，在未來有較好的發展前景和應用空間。

2 國內外發展現狀

國外在航空測繪方面的技術發展已相當成熟，特別是在歐美國家已經形成了高、中、低空三位一體的航空測繪體系。不僅如此，由于國外對無人直升機在航空測繪領域應用的研究開始較早，無人直升機在國外已經有相當規模的應用，比較著名的無人直升機測繪平臺有英國的MD4多旋翼無人機和瑞典的Mongoose無人直升機，如圖1所示。

國內經過幾十年的發展也已經初步建成了高、中、低空三位一體的航空測繪體系。我國無人直升機在航空測繪領域應用方面的起步雖然較晚，但發展迅速，國內比較著名的無人直升機測繪平臺有大疆公司的航拍測繪無人機筋斗云S1000+和中國直升機設計研究所的AV500無人直升機，如圖2所示。

3 無人直升機的特點及其在測繪領域的優勢

3.1 我國航空測繪任務的特點及需求分析

我國航空測繪任務主要集中在國家基礎測繪和應急救援測繪兩方面。其中，國家基礎測繪任務主要是測制和更新國家基本比例尺地形圖等，建立、更新基礎地理信息系統。而我國地理面積廣闊，面積達到9.6×106km2，其基礎測繪任務繁重，且由于我國西部地區多為山區，地理環境復雜、海拔高，使得基礎測繪任務實施困難。應急救援測繪任務主要是為高效有序地應對突發自然災害和事故災難提供地圖、基礎地理信息等。我國是自然災害頻發的國家，且正處于城鎮化大發展階段，測繪地理信息服務對防災減災和災害應對至關重要。根據我國應急測繪工作流程可知，當發生重大災情后，必須迅速執行測繪任務，提供有效的地理信息保障，這就要求應急測繪任務必須有快速響應的能力，并且災區地理環境復雜、天氣惡劣，這對飛行平臺提出了很高的機動性和抗風性的要求，不但如此，由于地理環境復雜，可以安全起降的平臺較少，這對飛機的起降能力提出了很高的要求。

根據航空測繪的任務特點可知，航空測繪飛行平臺的使用需求有以下5個方面要求：（1）飛行平臺需具有較好的機動性，以滿足沿地形起伏飛行（地形跟隨或匹配飛行）的航空測繪要求；（2）飛行平臺需具有較長的續航時間，以滿足長時間的航空測繪任務要求，保證測繪效率；（3）飛行平臺需具有嚴格執行按任務規劃航線進行飛行的能力，特別是在復雜航跡下的精確飛行能力，以滿足高精度航空測繪的要求；（4）飛行平臺需具有較強的環境適應性，能夠在復雜環境（溫差較大環境、鹽霧環境、雨雪環境、沙塵環境）下起降和使用，同時需具有較強抗風能力，在有風條件下仍能嚴格執行按規劃航線進行飛行的能力；（5）飛行平臺在滿足性能要求的情況下，應保證其成本和維護成本足夠低。

3.2 無人直升機的特點及優勢分析

無人直升機具有獨特的飛行性能，這使得無人直升機在航空測繪領域有著無可比擬的應用優勢，具體有以下5個方面：

（1）無人直升機沒有載人條件的限制，不需要考慮飛行員的生理需求和承受能力，其機動性和續航時間可以大大超過有人機，并且不需考慮人員傷亡風險。

（2）無人直升機安裝高集成、高智能的飛控系統后可實現高精度自動航線飛行、自主避障、自主規劃航線等能力。而對于大面積的航空測繪而言，任務性質繁瑣無味，無人直升機的自主能力可以大大減輕操作人員的工作壓力，提高了航空測繪的效率。其次，無人直升機高精度航線飛行能力有效地減少了有人機航線飛行時因飛行員的人為操作失誤而導致的精度誤差問題，提高了航空測繪精度。

（3）無人直升機無駕駛艙和載人條件限制，可省去座艙、座椅、環控系統等與飛行員和乘員相關的設施，整機尺寸大幅度減小。這使得無人直升機的運輸相較于有人機而言更方便，一旦需要進行應急測繪任務，能夠比有人機更快地響應上級指示。

（4）無人直升機可垂直起降、空中懸停，朝任意方向飛行，可對需要進行詳細測繪的區域實現長時間近距離的拍攝測繪，并且無人直升機對著陸場地要求低，能夠在有人機不能起降的地區進行起降。

（5）無人直升機與有人機相比，價格與維護費用更低，效費比與使用頻率更高。

4 航空測繪無人直升機應用分析

航空測繪無人直升機系統由無人直升機平臺、測控系統、航空測繪任務設備及衛星通信系統等組成，具體組成如圖3所示。

航空測繪無人直升機系統的應用原理主要是通過無人直升機執行航空測繪任務時，將拍攝到的影像信息點對點發送至地面測控站，地面數據處理設備將影像信息進行處理得到所需測繪結果，地面測控站內的衛星通信分系統將測繪成果傳送至通信衛星，衛星把接收到的數據分發給測繪中心或應急指揮中心基站。無人直升機平臺的飛行控制由現場地面測控站機組人員執行，衛星通信分系統（異地）可以根據需要通過通信衛星共享測繪成果。

工作過程包括：（1）下達測繪任務，根據測繪任務的特點需要，選配相應的航空測繪任務設備；（2）專用載車將無人直升機運送至測繪區域附近合適位置，進行起飛前的準備工作，由地面起飛，地面測控站發出控制指令引導無人直升機飛行至工作區域上空；（3）無人直升機接收地面控制指令，執行航空測繪任務，并將測繪影像及自身狀態信息發送給地面測控站，經地面數據處理，得到所需測繪結果；（4）地面測控站通過光纖將航空測繪成果傳送給衛星通信系統指揮中心基站；（5）衛星通信分系統通過指揮中心基站與通信衛星之間進行信息交互，實時將航空測繪成果通過通信衛星發送給測繪中心或應急指揮中心，并通過衛星電話接受指揮中心的任務指令，使用專用數據鏈路可保證高質量、高可靠的數據交互，其整個系統組成如圖4所示。

其中，航空測繪無人直升機的遙控遙測通過地面測控站完成，一旦無人直升機飛出測控站的操控范圍，鏈路將斷開，無人直升機無法得到有效控制，因此，無人直升機的測繪半徑受限于測控站的測控范圍。對于大面積的航空測繪任務，為最大化地提高無人直升機的測繪效率，以方形測繪地區為例，建議將測控車放置于方形測繪區域的中心，無人直升機以測控車為中心做環形測繪（如圖5所示），這樣可保證測繪區域的最大化，提高測繪效率。

5 結束語

無人直升機起降簡單、操作靈活，可以垂直起降、空中懸停，滿足航空測繪靈活高效的需求；其次，無載人條件限制，續航時間及機動性都大大提升，滿足在復雜環境下長時間進行航空測繪的需求；另外，無人直升機具有高精度航線飛行，以及自主進行大范圍航空測繪的能力，不但提升了航空測繪的精度，而且十分適合航空測繪這種繁瑣無味的任務性質；最后，無人直升機價格及維護費用相對更低，效費比更高。這些優勢有效地彌補了傳統低空航空測繪飛行平臺的不足，更好地滿足低空航空測繪應用需求，在未來有較好的發展前景和應用空間。