近年来,国内外无人机相关技术飞速发展,UAV的种类也多种多样,从飞行平台、用途、尺度、活动半径、高度等方面可划分多种类型。例如,按飞行平台分类,UAV可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等;按用途分类,无人机可以分为军用UAV和民用UAV,军用UAV可分为侦查、电子对抗、通信UAV等,民用无人机可分为农业UAV、气象无人机、勘察无人机以及测绘UAV等;按尺度无人机分为微型、轻型、小型以及大型UAV;按活动半径分为超近程、近程、短程、中程和远程UAV;按任务高度分为超低空、低空、中空、高空和超高空UAV。无人机能够完成飞行、操作、数据处理和信息传递等功能是通过无人机系统(Unmanned Aircraft System:UAS)来完成的,UAS是由飞行器平台、控制站、通讯链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。
UAV和遥感技术的结合,形成无人机遥感(UA V remote sensing,UAVRS)。UAVRS遥感是利用先进的无人驾驶飞行技术、遥控技术、遥感传感器技术、通讯技术、UPS差分定位技术,具有自动化、智能化、专业化快速获取资源、国土、环境、事件等空间信息,并能实时处理、建模和分析先进遥感技术解决方案,具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等优势。
1、研究背景与意义
在当代社会中.人们获取各种信息的手段多种多样。其中,遥感技术已经是人们获取地理环境以及其他变化的高科技手段。随着科学技术的发展,各国对遥感数据的需求也不断的增加,许多经济不发达国家很难耗费巨大的资金进行航空遥感的研发。目前,随着UAV的不断快速的发展,将UAV应用于航空摄影和对地观测的平台对上述困难提供了一种新的解决方法。同时,UAVRS技术有其他技术不能相比的有点。它是以固定翼、多旋翼等作为遥感平台的,既能克服有关长航时、大机动、恶劣天气以及危险环境的影响,又能提供多角度、高分辨率影像。随着计算机、通信等技术快速的发展,体积小、重量轻、多用途的UAV不断的问世。
UAV是从军用发展起来的,以至于很多UAVRS主要技术都掌握在军用方面。例如,“全球鹰”UAV的航程可达26000km,续航时间大于42h,可以在距基地5500km院的目标地区上空连续侦查监视24h。巡航高度达20km,巡航速度480km/h。可对面积为13.74kmr的地域实施普查,分辨率为0.9m。也可以对190个2kmX2km的敏感地区进行详查,分辨率为0.3m。由于UAVRS快速的发展,已经成为世界各国争相研究的热点,现在UAVRS技术已经在自然灾害、环境保护、恐怖主义、社会事件、城市规划、气象观测、测绘、等领域普遍应用,而且各国政府对UAVRS技术与日俱增。我国的UAVRS发展也是相当的迅速,要以大疆无人机为标志,已经在民用领域各方面技术都比较成熟,已经畅销到世界各地。
2、UAV的发展
虽然UAVRS在当今世界范围内取得了许多的成果和实践经验,但是面对不断提高的UA-VRS产品要求和市场变化,UAVRS将要面临前所米有的发展和挑战。
2.1航空器平台
航空器平台分为固定翼平台和旋翼平台。固定翼平台就是我们生活中提到的“飞机”,这种平台具有相同的主要结构。它的结构包含机身、机翼、尾翼、起落架和发动机等;旋翼平台是一种利用空气的航空器,在航空飞行的升力由一个或多个旋翼与空气进行相对运动的反作用获得,现代旋翼平台包括直升机、旋翼机和变模态旋翼机三种类型。不同平台的飞机在材料方面也不相同,传统的UAV的材料以钢、铝为主。但是为了减轻UAV自身的重量、提高机体强度、延长飞行时间,各种轻型的UAV问世,这种UAV常常采用玻璃纤维、碳纤维等。传统的发动机存在体积大、噪声高、耗油多等问题,随着UAV的不断发展,各种体积小、噪声低、新能源动力系统相继问世,改善了UAV的性能,对未来,特别是微小型UAV动力系统要求更高。
2.2导航飞控系统
导航飞控系统是UAV的关键核心系统之一。它在部分情况下,按具体功能可划分为导航子系统和飞控子系统。导航子系统是向UAV提供相对于所选定的参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导UAV沿指定航线安全、准时、准确的飞行;飞控子系统是UAV完成起飞、空中飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统,对UAV实现全权控制与管理,飞控子系统对于无人机就相当于驾驶员对于有人机,在导航飞控系统中起主要作用的是各种导航控制方法。
近年来,非线性动态控制、神经网络智能控制和组合控制等较好的提高了UAV的导航飞控性能。如神经网络能提供飞行器在整个飞行模式下连续操作的品质,提高神经网络飞行控制稳定性。(suillaumeJ.J.Ducard提出的基于Kalman滤波的完全飞线性故障检测与隔离飞行控制系统,能在外部干扰和模型不确定时,保持导航系统的鲁棒性,能有效检测UAV状态.根据故障实现容错性飞行与导航,提高UAV的安全性。因此.未来UAV导航控制系统的主要发展方向之一就是时效性、模块化和高效性的非线性模块和多组合导航。
2.3通信链路系统
UAV的通信链路,主要用于UAV系统传输控制、无载荷通信、载荷通信三部分信息的无线链路。UAV系统通信链路指控制和无载荷链路,主要包括指挥与控制(C}.C)、空中交通管制(A1'C)、感知和规避(SB..A)种链路。
通信网络中两个结点之间的物理通道称为通信链路。通信链路包括单向通信链路和双向通信链路。控制站与U八V之间进行的实时信息交换便是通过通信链路来实现。地面控制站需要将指挥、控制以及人物指令及实地传输到UAV上.同样,UAV也需要将自身状态(速度、高度、位置、设备状态等)以及相关任务数据发回地面控制站。UAV通信链路还要实时的传输获得影像、视频等遥感信息,供地面人员进行处理。
由于UAV遥感信息的传输比UAV控制信息的传送要复杂的多,而且UAV产生的高分辨信息容易受环境干扰造成码率跳动,这就对通信链路通道带宽提出更高的要求。目前,UAV频谱使用主要集中在UHF,1.和L波段.其他频段的也有零散分布。我国的频段主要分布在840.5-}-84}MHz频段,这个频段可以用于UAV上行遥控链路;1430}1446MHz频段,这个频段可用于UAV下行遥测与信息传输链路;2408一2440MHz频段,这个频段可用于UAV下行链路。为了UAV和地面站之间及时、不间断传递数据,先进的UAV遥感系统因采用多种高效可靠的数传链路系统,并且考虑机上信息的存储,及时将遥感信息下传机载硬盘。民用UAV大量使用9XTend数传电台(工作在ISM902一928MHz频段)。
3.4数据处理及传感器技术
UAV在数据采集的图像常常以小型和非量测传感器作为机载平台,相对于传统的航空摄影测量来说,存在分辨率高、影像数量多、周期短等不规律问题r:u。这样,对于UAV遥感图像处理和一般的图像处理相比,有许多不同之处。对于一般图像处理来说,需要相机标定参数、拍摄姿态等相关几何模型,然后根据地面控制点进行校正,而对于UAV遥感监测数据则需要实时性能高.并且影像需要实时的自动识别和拼接。目前,UAV数据处理分为地面实时处理和机上实时处理。一般来说,UAV数据处理主要是以地面处理为主,它是通过固定或移动地面数据接收站,建立海量的存储、管理和发送能力。
参考观研天下发布《2018-2024年中国无人机产业市场发展需求调研与投资商机分析预测报告》
UAV遥感数据的传输和处理是UAV传感器来完成的。传感器通常包括角速度传感器、姿态传感器、位置传感器、迎角侧滑传感器、加速度传感器、高度传感器等。而且为了更好的发挥UAV传感器能力,全球相关研究机构在遥感器技术上开发了许多新项目,各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器不断问世日’。如美国休斯公司研制的NL()S前世红外线仪只有4.5kg,美国罗拉尔公司研制的小型合成孔径雷达系统,是一种高分辨率成像雷达,工作在X\I.波段,在20km的距离上可以探测到lm、速度为lm/s的物体。我国的传感器技术已经发展到数字化相机的阶段,加之各种激光三维扫描仪和合成孔径雷达等的综合使用,是我国的传感器已经发展到一定的高度。
传感器相对于UAV就像眼镜对于人,它是飞机导航飞行,数据传输、自主飞行、事故处理、信息收集等不可或缺的重要基础设备之一,只有合适的UAV传感器才能获得高质量的遥感数据,所以发展传感器技术向成本低、体积小、重量轻等方面发展是我们长期奋斗的目标。
3、UAV运行环境及政策
空域是航空器运行的环境,也是国家的宝贵资源。我国十分重视民用航空交通管制的建设工作,目前正在推进空域管理改革,将空域划分为三类:管制空域、监视空域和报告空域。
目前民用空域分为:飞行情报区、空中交通服务空域、禁航区、限制区和危险区。对于情报飞行区,我国设置了9个,分别为沈阳、北京、上海、武汉、广州、昆明、兰州、乌鲁木齐和三亚。由于UAV遥感技术商用、民用需求和使用的频率不断的增加,而我国空域的管理、人员的培训、基础设施的建设等还处于婴儿阶段,与迅速膨胀的UAV遥感市场不相适应,这样就会影响UAV快速的发展。我国UAV空域目前存在:①载人的航空器和中、长航时的UAV在空中有交集,严重影响了飞机的安全飞行;②有些小型的UAV体积小、重量轻、速度快,导致雷达不能及时的探测识别,影响其他飞行器的正常飞行;③一些UAV遥感航空器由于灵活方便,便于携带,在任何场合下都能随时随地进行飞行,导致这些UAV遥感飞行器飞人军事禁区,严重干扰军事设施。由于这些种种原因,这样就需要在法律、法规、制度上进行管理控制,以下是进行空域飞行需要进行的必要申请。
(1)申报飞行空域
申报飞行空域原则上与其他空域水平间隔不小于20km,垂直间隔不小于2km,一般需要提前7日提交申请并提交下列文件:国籍标志和登记标志;驾驶员相应的资质证书;飞行器性能数据和二视图;可靠的通信保障方案;特殊情况处置预案。
(2)申报飞行计划
无论是在融合空域还是在隔离空域实施飞行都要预先申请,经过相应部门批准后方能执行。申请的内容包括下面基本内容:飞行单位、任务,预计开始飞行与结束时间;驾驶员姓名、代号;型别与架数;起飞、降落地和备降地;飞行气象条件;巡航速度、飞行高度和飞行范围;其他特殊保障需求。
4、UAV的应用及实践
4.1工程建设测绘
随着UAV新型传感器和UAV摄影测量平台的不断发展,UAV数字化测量能克服传统测量成本高、飞机姿态控制不精确、人工测量手段条件困难等诸多问题,因此,UAV在下面工程建设领域提供了有力支撑。
(1)铁路、道路建设
UAV在铁路、道路建设中的应用主要是利用航片进行各种专题内容的解读和航测相片的测图,为线路方案的选择和线路的勘测设计提供必要的资料,同时还结合水文、地质等为线路选址提供方案,满足设计的需求。
(2)土石方量计算
利用UAV测量可以获取1}500高精度比例尺的土石方资料,为工厂的建设提供填挖方资料数据。在设计平台时合理选择平台位置及尺寸,然后依据方格网法,可以对基础设备的土石方进行计算。
(3)变形监测
现代工程中的变形监测与特征识别是基于UPS静态测量或者近景摄影测量来进行的,传统化的测量方法存在成本高、配置人员多,如果遇到环境比较恶劣的情况,人员很难进入进行测量,这时利用UAV进行遥感测量,能够方便快速的收集数据资料,它不受环境、地质等的影响,而且收集资料的精度高、效果好,为后续内业处理带来方便。
4.2国土资源和城市管理调查
随着城市的快速发展,大量建设方兴未艾,导致城市周边农用地大量被占用,直接影响粮食的产量,而且随着城市的快速扩张,城市的管理也变得非常棘手,出现许多城市管理问题。利用UAV可以在土地资源调查、土地权属、环境监测、违法交通管理、违法用地管理等方面开展实践工作‘’。例如:国土资源部门可以利用高分辨的UAV进行城市周边违法用地的检查,可以收集到全方位的违法用地的影像资料,大大改善了传统测量人员因一些违法用地环境偏远、无法进人造成的不便,而且也缩短了传统数据采集的时间,大大提高了工作效率。使用UAV进行城市交通管理,可以从高空不同方位拍摄违章行为.而且还能监测违法车辆的行驶车速,为后续交通管理部门人员进行违法处理提供可靠的资料。环境保护部门可以利用UAV进行水质监测、特殊化学物质探测,对危险的湖泊进行现场观测调查。
4.3灾害预报及监测
在灾害预测、救援、勘察时,救援人员往往被灾区的恶劣条件所制约,导致救援人员一时间很难抵达救援现场,而遥感无疑是一种灾区救援的最好方法}Hi。对于UAV遥感作为监测的一种方法,很好的弥补了卫星遥感精度不高、时效性差等缺点,弥补了灾区监测技术的不足。
近年来,我国的自然灾害频频发生,使人民群众和国家经济受到严重损失,UAV遥感技术在这些灾害面前发挥了重要作用囚。如今年湖北、安徽、河南等地区受到严重的洪涝自然灾害的影响,大部分地区被洪水淹没,河堤受到洪水的冲击,多个地区的河堤决堤,给国家和人民造成巨大的财产损失。这是国家立即组织抗洪抢险,为了获得现场实时数据和灾情情况,大量运用UAV遥感技术进行现场拍摄,将灾情现场的实时情况及时传递到后方,使有关人员能及时进行抗洪救灾安全部署;在有08年汉川大地震中,国家组织有关部门纷纷利用UAV遥感进行灾区的航拍,通过对灾区获取遥感影像资料,然后对资料进行处理和对比,对很短的时间内对灾区的灾情进行判断,掌握了灾区一些信息盲区,使得娠灾救援快速、准确开展。
5、结论
UAV遥感因其独特的优势,现在广泛在土地权属调查、农林作业、城市管理规划、地理国情监测、三维实体建模等应用中保持快速增长的势头,使其需求量不断的增加,对于UAV遥感动态监测管理体系和服务水平等方面的问题还需解决,这就需要从技术和政策等多方面进行完善。技术方面,要加强企业和高校之间的合作,通过构建一些高水平的产学研研究中心,将UAV产品的结构、材料、动力性能、自动导航系统等进行研究,而且现在UAV向着小型化、自动化、智能化等方向发展,使得UAV研究更需要进行质的突破,同时还需要在主要部件中加人先进的理论算法,实现UAV在影像实施取样时能自动拼接、融合,能实时进行分析处理.从而实现UAV遥感测量的自动化、智能化。
政策上。加强UAV遥感空域空间的构建,进一步加快不同种类的Ut1V空域的管理,要设定不同重量、飞行高度、体积大小的飞机在安全的空域内进行作业。而且要设定禁飞区,使得一些重要区域得到保护。还要加强对飞行人员的监管,制定UAV飞行人员的作业规范,UAV飞行人员必须有专门的机构进行培训持证上岗才可以进行飞行。总之,UAV遥感技术需要各方面共同的努力才能得到良好的发展,从而为社会、人民带来不可估量的经济效益。
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