無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)1前言由于無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、維護(hù)操作簡(jiǎn)潔等技術(shù)特點(diǎn),因此被作為一種抱負(fù)的飛行平臺(tái)廣泛應(yīng)用于軍事和民用各個(gè)領(lǐng)域。尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)以后,很多國(guó)家將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的爭(zhēng)辯、開發(fā)、應(yīng)用置于優(yōu)先進(jìn)展的地位,體積小、重量輕、探測(cè)精度高的新型傳感器的不斷問(wèn)世,也使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的用途快速拓展?！癠AVRSⅡ型無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”于2003年9月通過(guò)專家組鑒定。該系統(tǒng)主要由遙感數(shù)據(jù)獵取系統(tǒng)以及遙感數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)組成。其中遙感數(shù)據(jù)獵取系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)劃分成為無(wú)人機(jī)機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行把握系統(tǒng)、無(wú)線電遙測(cè)遙控系統(tǒng)、遙感設(shè)備及其把握系統(tǒng)、地面監(jiān)控中心把握系統(tǒng)。在多次飛行中,無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獵取系統(tǒng)成功獵取了高辨別率航空遙感影像,實(shí)現(xiàn)了航攝面積掩蓋。2系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1)機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)力量無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)輸便利、升空預(yù)備時(shí)間短、操作簡(jiǎn)潔,可快速到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域,機(jī)載高精度遙感設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)快速獵取遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果。(2)性能優(yōu)異無(wú)人機(jī)可按預(yù)定飛行航線自主飛行、拍攝,航線把握精度高,飛行姿勢(shì)平穩(wěn)。飛行(3)操作簡(jiǎn)潔牢靠飛行操作自動(dòng)化、智能化程度高,操作簡(jiǎn)潔,并有故障自動(dòng)診斷及顯示功能,除,則按地面人員把握連續(xù)飛行,否則自動(dòng)開傘回收。(4)高辨別率遙感影像數(shù)據(jù)獵取力量無(wú)人機(jī)搭載的高精度數(shù)碼成像設(shè)備,具備面積掩蓋、垂直斜成像的技術(shù)力量,獵取圖像的空間辨別率達(dá)到分米級(jí),適于1∶1萬(wàn)或更大比例尺遙感(5)使用成本低無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本較低,飛行操作員的培訓(xùn)時(shí)間短,系統(tǒng)的存放、維護(hù)簡(jiǎn)便,還可免去了調(diào)機(jī)和停機(jī)的費(fèi)用。這套系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域它以無(wú)人駕駛飛行器為飛行平臺(tái)、以高辨別率數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器、以因此在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)難調(diào)查、海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)、地形圖更新等領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。主要優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和一般航空攝影成本高、受天氣等因素影響比較大。與此相比，無(wú)人駕駛飛行器遙感系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)機(jī)敏和經(jīng)濟(jì)便捷是它的主要優(yōu)勢(shì)。這套遙感系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)力量，系統(tǒng)運(yùn)輸便利、升空預(yù)備時(shí)間短、操作簡(jiǎn)潔，可快速到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域，機(jī)載高精度遙感設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)快速獵取遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此，該系統(tǒng)格外適合進(jìn)行應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)。打個(gè)比方，某地連降大雨，存在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)難的可能，這時(shí)利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測(cè)就格外有效。系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)皆摰禺?dāng)天就可以升空，馬上就可以得到地災(zāi)隱患區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，便于政府采取措施應(yīng)對(duì)地災(zāi)發(fā)生，削減損失。辨別率影像獵取和三維建模任務(wù)，不僅降低了成本，效率也大大提高。更為重要的是，由于制造和飛行成本都很低，飛行操作員的培訓(xùn)時(shí)間短，系統(tǒng)存放、維護(hù)簡(jiǎn)便，用戶完全可以自主擁有和應(yīng)用，這樣就可以免去運(yùn)輸過(guò)程，更加了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。性能和安全性它的操作性能格外優(yōu)異。它能按預(yù)定飛行航線自主飛行、拍攝，航線把握精度統(tǒng)飛行操作自動(dòng)化、智能化程度高，操作簡(jiǎn)潔，有故障自動(dòng)診斷及顯示功能，一旦遙控失靈或其他故障，飛機(jī)自動(dòng)返航到起飛點(diǎn)上空，回旋等待。若故障解除，則按地面人員把握連續(xù)飛行，否則自動(dòng)開傘回收。系統(tǒng)的組成線電遙測(cè)遙控系統(tǒng)、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等幾部份組成。2.1遙感設(shè)備及其把握系統(tǒng)機(jī)載遙感設(shè)備及其把握系統(tǒng)用于獵取遙感影像,是無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部份,主要由機(jī)載遙感設(shè)備、穩(wěn)定平臺(tái)及任務(wù)設(shè)備把握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成,如圖1所示。目前Ⅱ型無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用高辨別率面陣CCD數(shù)碼相機(jī)作為主要遙感設(shè)備。數(shù)碼相機(jī)獵取的遙感影像可以直接輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理,不需要經(jīng)過(guò)沖洗、印相等程序,無(wú)人機(jī)回收后可以在現(xiàn)場(chǎng)直接查看影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量,可以大大提高工作效率,符合無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快速的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí),CCD數(shù)碼相機(jī)體積小、重量輕,在感光度、顏色深度、載片量(存儲(chǔ)量)方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì),數(shù)碼成像技術(shù)將成為攝影測(cè)量與將來(lái)遙感的主機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)的主要功能是用于遙感設(shè)備的穩(wěn)定和偏流角的修正,以確保獲得高質(zhì)量的遙感影像。穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)了三軸和單軸兩種:三軸穩(wěn)定平臺(tái)可以使傳感器保持水平穩(wěn)定并修正偏流角,由平臺(tái)、電機(jī)、陀螺儀、水平傳感器、舵機(jī)、把握電路等組成;單軸穩(wěn)定平臺(tái)只修正偏流角,由平臺(tái)、電機(jī)和把握電路組成。兩種穩(wěn)定平臺(tái)可以依據(jù)不同精度的遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)選用。任務(wù)設(shè)備把握計(jì)算機(jī)能依據(jù)無(wú)人機(jī)的位置、地速、高度、航向、姿勢(shì)角以及設(shè)定的航攝比例尺和重疊度等數(shù)據(jù),自動(dòng)計(jì)算并把握相機(jī)的曝光間隔和穩(wěn)定平臺(tái)的偏流角修正,具有程控和遙控兩種把握方式。2.2無(wú)人駕駛飛行平臺(tái)鋼和碳纖維復(fù)合材料加工而成,重量輕、強(qiáng)度大。機(jī)身為車廂形式,有較大的容積范圍,便于設(shè)備的安裝及使用維護(hù),無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷和任務(wù)設(shè)備倉(cāng)的尺寸依據(jù)遙感設(shè)備及其把握系統(tǒng)的人機(jī)的起降可以接受正常的滑行方式,同時(shí)還開發(fā)了性能先進(jìn)的車載起飛、傘降回收機(jī)構(gòu),以適應(yīng)不同地區(qū)和不同遙感任務(wù)的使用。飛行把握系統(tǒng)完成無(wú)人機(jī)的飛行把握與飛行管理。飛行把握系統(tǒng)用于無(wú)人機(jī)的飛行把握與度表、磁航向傳感器、GPS導(dǎo)航定位裝置、飛控計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源管理系統(tǒng)等組成,可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)姿勢(shì)、高度、速度、航向、航線的精確把握,具有遙控、程控和自主飛行三種飛行模態(tài)。在這個(gè)系統(tǒng)中,飛控計(jì)算機(jī)通過(guò)串行數(shù)據(jù)通訊接口接收高度/空速、三軸地磁向強(qiáng)度、GPS衛(wèi)星信息等傳感器數(shù)據(jù)。通過(guò)模擬輸入采集俯仰/橫滾姿勢(shì)角、三軸角速率等傳感器模擬信號(hào),依據(jù)這些信息,實(shí)時(shí)解算各飛行參數(shù)。為了提高飛控系統(tǒng)的牢靠性,系統(tǒng)接受網(wǎng)絡(luò)和位總線結(jié)構(gòu)。各傳感器、舵機(jī)、通訊系統(tǒng)、飛控計(jì)算機(jī)之間的通訊以數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)。由于用數(shù)字通道代替模擬連接,提高了信號(hào)傳輸?shù)木?增加了抗干擾力量。該結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性和機(jī)敏配置的力量。系統(tǒng)可依據(jù)任務(wù)的需求增減一些典型的部件,這種結(jié)構(gòu)還具有簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)和故障隔離等優(yōu)點(diǎn)。2.4無(wú)線電遙測(cè)遙控系統(tǒng)無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)是傳送無(wú)人機(jī)和遙感設(shè)備的狀態(tài)參數(shù),可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿勢(shì)、高度、速度、航向、方位、距離及機(jī)上電源的測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示,具有數(shù)據(jù)和圖形兩種顯示功能。供地面人員把握無(wú)人機(jī)和遙感設(shè)備的有關(guān)信息,并存貯全部傳送信息,以便隨時(shí)調(diào)用復(fù)查。無(wú)線電遙控系統(tǒng)是用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令,引導(dǎo)無(wú)人機(jī)按地面人員的旨意飛行。AVRS-Ⅱ型無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接受CCD面陣數(shù)碼相機(jī)和CCD攝錄視頻系統(tǒng)作為其主要遙感數(shù)據(jù)獵取設(shè)備,在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)以高精度高辨別率數(shù)碼相機(jī)完成了008×2000像元,可存儲(chǔ)300幅以上高精度影像,感光度200~800,鏡頭焦距20~300mm。試驗(yàn)時(shí)采用的鏡頭焦距20mm。穩(wěn)定平臺(tái)的航偏修正精度小于等于1°,航偏修正范圍±25°。(1)曝光間隔的把握曝光間隔的把握:遙感設(shè)備把握系統(tǒng)通過(guò)串口接收飛控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)解算的飛行為t,航高為h,地速為v,航向重疊度為p,s為面陣CCD數(shù)碼相機(jī)的大小(像素),焦距為f(像素)。數(shù)碼相機(jī)的曝光間隔滿足t=hs(1-p)/(fv)[1]為了使無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱無(wú)線電遙測(cè)遙控系統(tǒng))設(shè)備輕松易攜、架設(shè)便利,地面站的設(shè)備平臺(tái)設(shè)計(jì)成一體化,主要由指令編碼器、調(diào)制器、放射機(jī)、接收機(jī)、天線、微型計(jì)算機(jī)、顯示器、電源等組成。無(wú)線電遙測(cè)遙控地面站的組成見(jiàn)圖3。圖4遙測(cè)遙控地面站組成框圖2.5穩(wěn)定平臺(tái)的把握無(wú)人機(jī)平臺(tái)接受垂直陀螺測(cè)量飛機(jī)的俯仰/橫滾姿勢(shì)角,同時(shí)垂直陀螺與微處理技術(shù)的結(jié)合,使飛機(jī)可以在飛行的條件下保持與地面垂直。在自動(dòng)駕駛飛行時(shí),如不加其他把握信號(hào),垂直陀螺儀將使無(wú)人機(jī)的俯仰角和傾斜角穩(wěn)定在近似零的狀態(tài),或者可以粗略說(shuō)穩(wěn)定在“水中受到干擾時(shí)就會(huì)產(chǎn)生傾斜和俯仰,這樣垂直陀螺的傾斜電位計(jì)和俯仰電位計(jì)就有γθ電壓輸出。γθ電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D進(jìn)入飛控器微處理機(jī),并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器輸送給舵機(jī),升降機(jī)舵和副翼舵機(jī),使舵面產(chǎn)生一個(gè)偏移,使無(wú)人機(jī)很快恢復(fù)到“水平狀態(tài)”。此時(shí)無(wú)人機(jī)將由垂直陀螺穩(wěn)定在“水平狀態(tài)”上飛行。多次的地面和飛行試驗(yàn)證明此方法可行。我們對(duì)無(wú)人機(jī)試驗(yàn)飛行時(shí)的姿勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了具體分析,驗(yàn)證了在側(cè)風(fēng)小于4級(jí)狀況下,飛行把握系統(tǒng)可以把握無(wú)人機(jī)沿測(cè)線直線飛行時(shí)的橫滾角、俯仰角一般2.6遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為保證無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有對(duì)地實(shí)時(shí)調(diào)查監(jiān)測(cè)力量,在目前現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)處理軟件的基礎(chǔ)上,還依據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)載遙感設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)研制、開發(fā)了專用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速處理,滿足各種遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要。3系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)寸:寬300mm×長(zhǎng)500mm×高300mm;任務(wù)載荷:大于8kg;飛行速度:70~160km/h;續(xù)航時(shí)間:3~4h;把握半徑:50km;飛行高度:100m~4000m;導(dǎo)航精度:≤80m;把握方式:程控、遙控、環(huán)境溫度:-10°C~+40°C;相對(duì)濕度:95±3%;風(fēng)力風(fēng)向:風(fēng)力小于或等于4級(jí),3.2面陣CCD數(shù)碼相機(jī)像元素:大于3008×2000像元;存儲(chǔ)量:大于1G;感光度:50~800;鏡頭焦距:20~300mm,可選。3.3穩(wěn)定平臺(tái)水平穩(wěn)定精度:2度;調(diào)整范圍:±20度;偏流修正精5無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo),具有對(duì)地快速實(shí)時(shí)調(diào)查監(jiān)測(cè)力量。隨著系統(tǒng)功能的不斷完善,可廣泛應(yīng)用資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、交通等部門,尤其對(duì)車船無(wú)法到達(dá)地帶的環(huán)境監(jiān)測(cè)、本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,可以增加我國(guó)對(duì)地觀測(cè)的綜合技術(shù)力量,并將在國(guó)土資源信息獵取與管理等領(lǐng)域的技術(shù)服務(wù)中產(chǎn)生重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。地觀測(cè)技術(shù)已跨入世界先進(jìn)行列。無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獵取的重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、機(jī)動(dòng)機(jī)敏等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星遙感與是我國(guó)最早從事遙感技術(shù)與應(yīng)用爭(zhēng)辯的單位之一，多年來(lái)?yè)?dān)當(dāng)了國(guó)家和地方一系列重大科研項(xiàng)目，取得了重大進(jìn)展。無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)，是其擔(dān)當(dāng)?shù)膰?guó)家"985"方案中的重點(diǎn)項(xiàng)目之互補(bǔ)的方式，在此領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛合作，并在機(jī)載遙感設(shè)備敏感度、圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)、團(tuán)聯(lián)合研制的多用途無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)首飛試驗(yàn)成功，標(biāo)志著我國(guó)無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)已取得術(shù)。尤其是在牢靠性、飛行高度、平穩(wěn)度、導(dǎo)航精度及運(yùn)行制作成本等方面，已具備了航空為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。無(wú)人駕駛飛行器低空遙感系統(tǒng)由測(cè)繪科學(xué)爭(zhēng)辯院開發(fā)，國(guó)土資源部和國(guó)家實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)力量，達(dá)到了有用化、工程化的目標(biāo)，這套遙感系統(tǒng)日益成為國(guó)土資源遙感監(jiān)測(cè)的高新技術(shù)裝備。近年來(lái)，無(wú)人駕駛飛行器低空遙感系統(tǒng)已在“數(shù)字城市”三維地理空間基礎(chǔ)框架建立和土地利用調(diào)查和動(dòng)態(tài)