無人機航測技術(shù)與應用-3無人機航測任務設備

第三章無人機航測任務設備本章主要內(nèi)容3.1光學相機3.2數(shù)字照相機3.3紅外攝像機3.4多光譜相機系統(tǒng)3.5合成孔徑雷達3.6機載激光雷達3.7航空定位定向系統(tǒng)3.8GNSS導航設備3.9飛行控制器3.10羅盤和電池監(jiān)測儀3.11多種設備綜合運用概況20世紀80年代以來，各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世。2000年ISPRS阿姆斯特丹大會上，航空數(shù)字照相機開始出現(xiàn)，2004年的伊斯坦布爾大會上航空數(shù)字照相機成為一個熱點。傳感器由早期的膠片相機向大面陣數(shù)字化發(fā)展，航空數(shù)碼相機在CCD等傳感器技術(shù)的不斷進步中已呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢，我國中科院光電所2013年成功研制出1億像素相機“IOE3-Kanban”，成像畫幅達到10240×10240像素，并能在-20℃-55℃的溫度范圍內(nèi)工作，同時拍攝彩色、紅外、全色的高精度航片；萊卡LeicaDMCⅢ航空相機提供目前單片傳感器能夠覆蓋的最大幅寬：旁向26112像素、航向15000像素?，F(xiàn)在的航測多采用多臺相機組合照相，利用開發(fā)的軟件再進行拼接，更大地提高了遙感飛行效率。另外，激光三維掃描儀、紅外掃描儀等小型高精度遙感器為無人機遙感的應用提供了發(fā)展空間。概況無人機航測遙感任務設備是指無人機完成其航測遙感任務所必需的各種設備的集合，主要包括機載航測遙感任務載荷和地面控制與處理站兩部分。無人機是一個平臺，根據(jù)工作需要而搭載的設備稱為任務載荷。民用無人機的任務載荷一般可分為圖視頻遙感載荷和非遙感的其它通信、載貨等載荷。圍繞應用的任務載荷，是無人機的最終設計目的。由于民用無人機自身偏小，有效載荷一般不大，因此要求這些設備更小、更輕，并盡量采用商用成品。圖視頻遙感的任務載荷包括光學相機、高分辨率的多軸陀螺或云臺穩(wěn)定數(shù)字照相機（攝像機）、紅外攝像機、多光譜成像儀、合成孔徑雷達、機載激光雷達、航空定位定向系統(tǒng)（POS）、GNSS導航設備等。非遙感的載荷常見的有通信中繼設備、植保藥箱、小型貨物、警報器等，甚至可以是武器裝備，如機炮、導彈等。概況目前比較典型的機載遙感設備包括：德國徠卡公司推出的2200萬像素專業(yè)相機，配備了自動保持水平和改正旋偏的相機云臺；國內(nèi)制造的數(shù)字航空測量相機擁有8000多萬像素，能夠同時拍攝彩色、紅外、全色的高精度航片；中國測繪科學研究院使用五臺哈蘇相機組合照相，支持多相機圖像拼接功能，有效地提高了遙感飛行效率。近年來，激光三維掃描儀、紅外掃描儀等小型高精度遙感設備已日益增多，為無人機遙感的應用提供了廣闊的空間。3.1光學相機光學相機是人們最熟悉、應用最早和歷史最長的一種遙感設備，今天仍是最常見的一種遙感儀器。航空攝影機屬專用的量測攝影機，也稱航攝儀，主要工作平臺為飛機。其一般結(jié)構(gòu)除了與普通攝影機有相同的物鏡（鏡箱）、光圈、快門、暗箱及檢影器等主要部件外，還有座架及其控制系統(tǒng)的各種設備、壓平裝置，有的還有像移補償器，以減少像片的壓平誤差與攝影過程的像移誤差。航空攝影機除了有較高的光學性能、攝影過程的高度自動化外，還有框標裝置，即在固定不變的承片框上，四個邊的中點各安置一個機械標志——框標。其目的是建立像片的直角框標坐標。兩兩相對的框標連線成正交，其交點成為像片平面坐標系的原點，從而使攝影的像片上構(gòu)成直角框標坐標系。新型的攝影機一般在四個角設定四個光學框標來建立像平面坐標系。由于航空攝影機具有框標裝置，因此被成為量測攝影機。3.1光學相機航空攝影機按軟片曝光方法不同，分為畫幅式、縫隙式和全景式航攝機；按鏡頭視角和焦距不同，分為狹角（長焦距）、常角（常焦距）、寬角（短焦距）和特寬角（特短焦距）航攝機；按用途不同，分為地形測圖和偵察航攝機。地形測圖航攝機構(gòu)造要保持內(nèi)方位元素不變，所得的航空像片要適用于高精度的量測；偵察航攝機所攝的航空像片主要用來判讀，要求較高的地面分辨率，而對無畸變性要求不高，一般不進行精密量測。3.2數(shù)字照相機數(shù)字照相機是無人機最重要的任務設備，可分為量測型相機和非量測型相機。量測型相機是專門為航空攝影測量制造的，具有幾何量測精度高的特點，裝有低畸變高質(zhì)量的物鏡和內(nèi)置濾光鏡，鏡頭中心與成像面具有固定而精確的距離。航空攝影時，由于無人機的飛行速度很快，地物在成像面上的投影將在航線方向上產(chǎn)生位移，導致影像模糊。為了消除像移的影響，在量測型相機上往往加裝像點位移補償裝置和陀螺穩(wěn)定平臺。量測型相機一般較重，多搭載在大型無人機平臺上。3.2數(shù)字照相機由于載荷重量的限制，中、小型無人機還難以承載量測型相機，而大量采用非量測型相機作為有效載荷。非量測型相機不是專門為航空攝影測量設計的相機，因而不配置像移補償裝置，但一般應配置陀螺穩(wěn)定云臺以保證近似垂直攝影。為了保證影像的清晰度，除了縮短曝光時間外，還必須限制無人機的巡航速度。非量測型單數(shù)字相機存在像場角窄的問題，導致航空攝影測量時高程精度偏低、數(shù)據(jù)量偏大，因此可以考慮在無人機上使用組合特寬角數(shù)字相機。3.2數(shù)字照相機圖3.1為Microsoft公司推出的數(shù)字航攝儀，它采用的CCD傳感器成像器件是面陣式的排列，采用多鏡頭感光拼合成像方式，屬于面陣數(shù)碼相機。其影像像幅大小是17310×17310像素，每個存儲單元可存儲6600副(幅)影像，在飛機上可更換存儲單元，影像信息獲取量是每秒3G，且能夠最大限度的利用現(xiàn)有設備環(huán)境，支持現(xiàn)有通用的陀螺穩(wěn)定座架和GPS/IMU系統(tǒng)，曝光間隔為1.35秒，可以無額外成本地獲取高冗余、大重疊度的影像。圖3.1微軟公司的UCxp數(shù)碼相機3.2數(shù)字照相機圖3.2為UCXp相機傳感器頭，它有8個鏡頭，4個全色鏡頭處于中間，等間距排列，4個多光譜鏡頭排列于全色鏡頭的兩側(cè)。圖3.2UCXp相機傳感器頭3.3紅外攝像機紅外攝像機是一種探測物體紅外輻射能量的成像儀器，它通過紅外探測、光電轉(zhuǎn)換、光電信號處理等過程，將目標物體的紅外輻射信息轉(zhuǎn)換為視頻圖像輸出。在軍事上，紅外攝像機可應用于軍事夜視偵察、武器瞄準、夜視導引、紅外搜索和跟蹤等多個領域；在民用方面，紅外熱像儀可以用于衛(wèi)星遙感、防災減災、材料缺陷的檢測與評價、建筑節(jié)能評價、設備狀態(tài)熱診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)控、自動測試等。3.3紅外攝像機與可見光設備相比，紅外探測系統(tǒng)具有穿透煙塵和云霧能力強、可晝夜工作的特點；與微波系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。紅外探測器作為整個紅外探測系統(tǒng)的核心，種類繁多、性能各異，適用于不同的工作領域。紅外探測器有不同的分類方法，如按照工作溫度可分為低溫（需要用液態(tài)He、Ne、N制冷）探測器、中溫（工作溫度在195~200K的熱電制冷）探測器和室溫探測器；按照響應波長可分為中紅外和熱敏型探測器；根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途可分為單元探測器、多元陣列探測器和成像探測器。根據(jù)探測機理的不同，紅外探測器分為熱敏型和量子型兩大類。3.3紅外攝像機圖3.3為世界上第一個采用5微米像素尺寸焦平面陣列的更小、更輕和更便攜的長波紅外攝像機。圖3.3紅外攝像機3.4多光譜相機系統(tǒng)無人機載大視場多光譜成像儀是一套集超大視場和寬譜段為一體的高精度多光譜成像儀。該系統(tǒng)不僅具有超大視場低畸變成像和無色差多光譜成像的特點，還具備小型化、輕量化、無熱化等優(yōu)點，系統(tǒng)在環(huán)境適應能力方面也擁有突出的優(yōu)勢，具備在-45~65℃內(nèi)清晰成像而不需要調(diào)焦的能力。3.4多光譜相機系統(tǒng)圖3.4為UP1830相機，有效像素1024×1024，有近紅，紅色，綠色，藍色四個波段，性能良好。圖3.4UP1830多光譜相機3.4多光譜相機系統(tǒng)一般地，按照無人機遙感應用需求，無人機載大視場多光譜成像儀主要技術(shù)指標有：項目性能工作譜段藍光波段：420~520nm；綠光波段：520~600nm；紅光波段：630~690nm；近紅外光波段：760~900nm；全色光波段：400~1000nm視場角＞60°地面幅寬6.0km（飛行高度為5km時）GSD1.0m（多光譜）/0.5m（全色）（飛行高度為5km時）信噪比優(yōu)于40dB3.5合成孔徑雷達合成孔徑雷達（syntheticapertureradar,SAR）是一種工作在微波波段的主動式傳感器，即主動發(fā)射電磁波，照射到地面后經(jīng)過地面反射，由傳感器接收其回波信息。SAR利用天線聚焦原理，對其回波數(shù)據(jù)進行孔徑合成處理，可以得到類似光學照相的高分辨率雷達圖像。與傳統(tǒng)光學攝影機和光電傳感器相比，SAR有以下優(yōu)點：（1）SAR是一種主動式微波遙感設備，可以全天時、全天候成像。（2）通過選取適當?shù)牟ㄩL，利用微波的穿透性（能穿透一定的遮蔽物），可以對植被覆蓋下的地物成像。（3）理論上方位向分辨率只與天線方位向尺寸有關而與作用距離無關，因此，能獲得遠距離目標的高分辨率雷達圖像。（4）采用側(cè)視成像方式，測繪帶可以離航跡很遠。（5）SAR的信噪比與距離的三次方成反比，而普通雷達與距離的四次方成反比，因此SAR可獲得比普通雷達更高的信噪比。3.5合成孔徑雷達上述優(yōu)點使SAR能夠全天時、全天候地獲取各種目標的高分辨率圖像，可廣泛應用于軍事偵察、地形測繪和海洋成像觀測等領域，并能夠在災害監(jiān)測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)測繪、地面特征鑒別、大面積土壤水分、地表植被和農(nóng)作物長勢的定量化評估等應用中發(fā)揮重要作用。雷達是一個距離測量系統(tǒng)，工作原理類似于“回聲”。雷達系統(tǒng)主要由發(fā)射機、接收機、轉(zhuǎn)換開關、天線等部分組成，發(fā)射機發(fā)射脈沖后經(jīng)轉(zhuǎn)換開關、天線傳輸?shù)阶杂煽臻g，然后繼續(xù)向地面目標傳輸，達到地面目標后再返回雷達天線，雷達系統(tǒng)通過記錄時間延遲，進而測量天線與地面目標的距離。3.5合成孔徑雷達

3.5合成孔徑雷達SAR一般裝載在“全球鷹”、“捕食者”等高空長航時大型無人機上。隨著SAR技術(shù)的發(fā)展和提高，其分辨率越來越高，目前已接近或超過光學成像的分辨率。近年來，微小型化技術(shù)也推進了SAR向微小型方向發(fā)展。這種微小型的SAR重量降到了12kg，目前已經(jīng)在洛克希德·馬丁公司的“天空精靈”無人機上進行了試飛。另外，超微型的SAR也已經(jīng)開始嶄露頭角。圖3.5為機載小型SAR設備示意圖。圖3.5機載小型SAR設備示意圖3.6機載激光雷達激光探測及測距系統(tǒng)（lightlaserdetectionandranging,LiDAR）簡稱激光雷達。激光雷達根據(jù)其應用原理可分為三類：測距激光雷達（rangefinderLiDAR）、差分吸收激光雷達（differentialabsorptionLiDAR）及多普勒激光雷達（DopplerLiDAR）。機載激光雷達以飛機為觀測平臺，其系統(tǒng)組成主要包括：激光測量單元、光學機械掃描單元、控制記錄單元、動態(tài)差分GPS、慣性測量單元和成像裝置等。其中，激光測距單元包括激光發(fā)射器和接收機，用于測定激光雷達信號發(fā)射參考點到地面激光腳點間的距離；光學機械掃描裝置與陸地衛(wèi)星的多光譜掃描儀相似，只不過工作方式完全不同，激光屬于主動工作方式，由激光發(fā)射器發(fā)射激光，由掃描裝置控制激光束的發(fā)射方向，在接收機接收發(fā)射回來的激光束后由記錄單元進行記錄；動態(tài)差分GPS接收機用于確定激光雷達信號發(fā)射參考點的精確空間位置；慣性測量單元用于測定掃描裝置的主光軸的姿態(tài)參數(shù)；成像裝置一般多為CCD相機，用于記錄地面實況，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供參考。3.6機載激光雷達激光雷達的工作原理與無線電雷達非常相近，是一種主動遙感技術(shù)，不同的是，激光雷達發(fā)射信號為激光，與普通無線電雷達發(fā)送的無線電波乃至毫米波雷達發(fā)送的毫米波相比，波長要短的多。圖3.6為機載三維激光雷達ALS70，是Leica公司推出的第三代激光雷達測量系統(tǒng)，主要由激光控制單元、主控制單元、操作單元、導航單元和激光掃描儀等組成。機載激光雷達測量系統(tǒng)以激光測距原理為基礎，由掃描儀發(fā)射激光脈沖，通過激光控制器來記錄接收脈沖的回波信號，利用發(fā)射與接收的時間間隔并結(jié)合激光掃描參數(shù)來計算地物目標的三維坐標。ALS70的最大脈沖頻率為250KHz，最大掃描頻率是1000Hz，可支持的相對飛行航高是200-5000米，最大視場角是75度。圖3.6機載三維激光雷達ALS703.7航空定位定向系統(tǒng)（POS）POS輔助定位定姿技術(shù)是計算機通信技術(shù)、高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術(shù)以及GPS差分定位技術(shù)的高度集成，為機載POS系統(tǒng)的集成奠定了堅實的基礎。機載POS系統(tǒng)是由GPS接收機、慣性測量裝置IMU、計算機控制系統(tǒng)PCS、數(shù)碼相機共同組成，它搭載于無人機飛行平臺上。GPS、IMU和數(shù)碼相機通過計算機控制系統(tǒng)協(xié)同工作，在相機對地面進行拍攝的同時，可以直接提供相機曝光時刻的位置參數(shù)和姿態(tài)角，如圖所示。圖3.7機載POS系統(tǒng)3.7航空定位定向系統(tǒng)（POS）GPS相對定位原理是將一臺或多臺GPS接收機安置在地面基準站，另一臺GPS接收機安裝在無人機遙感飛行平臺上（機載GPS）。二者對GPS衛(wèi)星進行同步觀測，在動態(tài)定位過程中，由地面基準站的GPS接收機向機載GPS發(fā)送距離修正數(shù)據(jù)，機載GPS在接收到這些修正數(shù)據(jù)后對自身定位結(jié)果進行改正。這些修正信息可以消除對流層延遲、電離層延遲等多種誤差的影響，以此提高GPS定位精度。GPS系統(tǒng)可以全天候地為動態(tài)載體提供實時的位置信息和時間信息，并且不易受到天氣干擾。慣性測量單元IMU用于測定動態(tài)載體的姿態(tài)參數(shù)，主要組成部件為陀螺儀和加速度計。其測姿原理是根據(jù)慣性空間力學定律，利用陀螺和加速度計感測動態(tài)載體在運動過程中的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度，然后通過積分計算，得到動態(tài)載體的姿態(tài)角與速度參數(shù)。3.7航空定位定向系統(tǒng)（POS）GPS定位系統(tǒng)可以全天候地測定載體的位置信息、速度信息以及精確的時間信息，并且定位精度不會隨著時間增加而產(chǎn)生累積誤差。但GPS系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境下的可靠性較差，其工作性能容易受到環(huán)境條件和無線電干擾等因素的影響，從而發(fā)生周跳和失鎖等系列現(xiàn)象。慣性測量單元IMU不易受氣候、環(huán)境條件的限制，并且不存在大氣折射和無線電干擾等問題，但是其測量誤差會隨著時間累積而增長。3.7航空定位定向系統(tǒng)（POS）GPS/IMU組合系統(tǒng)可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，達到取長補短的效果。GPS系統(tǒng)具有定位精度高且不會產(chǎn)生累積誤差的特點，在長時間的工作條件下穩(wěn)定性好，因此GPS系統(tǒng)可以彌補IMU的測量誤差會隨著時間累積而增長的特點。而慣性測量單元IMU不僅可以提供GPS系統(tǒng)的姿態(tài)、位置信息，還能提高GPS接收機捕獲衛(wèi)星信號的能力。二者組合可以增強系統(tǒng)性能，在進行航空攝影時，相機在對地拍攝的同時，可以提供GPS的位置參數(shù)，以及IMU的姿態(tài)參數(shù)，從而實現(xiàn)POS系統(tǒng)對地定位的目標，如圖3.8所示。圖3.8POS系統(tǒng)對地定位示意圖3.8GNSS導航設備GNSS是中國北斗、美國全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositionSystem）、俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）以及歐洲伽利略等多種星級導航的總稱。北斗的發(fā)展是我國重大專項項目，滿足國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展對衛(wèi)星導航的需求，促進國家信息化建設和經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益，預計2020年我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達4000億元?！跋葏^(qū)域、后全球，先有源、后無源”的總體發(fā)展思路分步實施，形成突出區(qū)域、面向世界、富有特色的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展道路。3.8GNSS導航設備GPS是由美國國防部操作，它能夠提供全球范圍內(nèi)被動的全天候?qū)Ш胶鸵惶?4小時的精確定時。它是軍民兩用技術(shù)，意味著它能夠為軍事和民用用戶均提供服務。標準定位服務SPS（StandardPositionService）為普通民用用戶提供水平位置定位的精度為100米；精度定位服務PPS（PrecisePositioningService）為授權(quán)軍事用戶提供水平定位精度為10-20米或更高的定時精度。GNSS可以為飛行器提供位置和時間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在衛(wèi)星與GNSS機載接收機或者是地面GNSS接收機之間的偽距測量的過程中得到的。3.8GNSS導航設備GNSS接收機與衛(wèi)星的距離可以利用無線電信號的傳播測量，但是由于衛(wèi)星時鐘偏差、接收機時鐘偏差以及信號在電離層和對流層中由于傳播時間而帶來的偏差，使得該測量距離與真實距離之間存在偏差，所以測量距離一般稱為偽距。圖3.9為地基增強系統(tǒng)（GBAS）示意圖，地基增強系統(tǒng)是GNSS的一部分，采用差分GPS技術(shù)，利用兩個GPS接收機測量的信息及其他導航信息的相關性，消除大部分誤差，提高GNSS定位精度和完好性。圖3.9地基增強系統(tǒng)示意圖3.9飛行控制器目前國內(nèi)外較成熟的無人機都具備自動和手動飛行兩種控制方式。在無人機交付用戶前的前期飛行調(diào)參過程中，因無人機平臺狀態(tài)不穩(wěn)定和不確定性，主要采用手動飛行方式進行狀態(tài)調(diào)整和驗證。在交付用戶后，即使無人機狀態(tài)完整并具備自動飛行能力時，在一些特殊的情形和場合下，仍需要采用手動飛行實現(xiàn)無人機的起降和飛行。手動飛行控制器是飛行操作手對無人機手動飛行控制的設備。通過手動飛行控制器，主要實現(xiàn)對無人機進人工起降控制、人工近場機動飛行以及半自主人工遙控飛行。手動飛行控制器一般與無人機控制站連接，手動飛行控制器的控制指令在無人機地面站內(nèi)完成組幀后，通過地面和機載數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給無人機，實現(xiàn)對無人機的手動控制。目前國內(nèi)無人機的手動飛行控制器主要采用航?？刂破?，主要用于近場起降階段。3.9飛行控制器航?？刂破鞣譃樗拇竽K：主控芯片模塊，電源控制模塊，無線收發(fā)模塊和搖桿模塊。電源模塊主要為主控芯片的正常工作提供穩(wěn)定的電壓，模塊里面的電容主要起到濾波作用，晶體振蕩器的作用是為了給單片機正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號，通過基準頻率來控制電路中頻率的正確性。航模遙控器一般是有兩個搖桿，操縱常用的升降，方向，副翼，油門四個通道，搖桿下面有四個電位，依靠電位器進行線性操作。遙控器最重要的就是這兩個搖桿和四個通道還有收發(fā)系統(tǒng)，收發(fā)系統(tǒng)一般采用2.4GHz。圖3.10為遙控器天地飛，它的原生2.4G技術(shù)FLASPEED采用總線數(shù)據(jù)傳輸，極大提升了操控敏捷度，同時具有硬件功耗低、超強抗干擾的特點。圖3.10天地飛遙控器3.10羅盤和電池監(jiān)測儀目前，消費級和低端行業(yè)應用級飛控系統(tǒng)普遍采用磁羅盤作為航向測量設備。傳感器自身的準確性以及周邊環(huán)境的磁干擾會對航向角推算產(chǎn)生非常大的影響。磁羅盤是一種可測量環(huán)境磁場強度的傳感器件，在多旋翼無人機領域應用非常廣泛。因為地球表面存在地磁場，且同一地理位置的地磁場的大小和方向基本保持恒定的。地磁場方向與地理北極的夾角稱之為磁偏角。通過測量地磁場向量在磁羅盤內(nèi)部三個相互垂直的坐標軸的磁場分量，即可確定航向角。磁羅盤一般與多旋翼機體固連。磁羅盤測量誤差來源因素很多，包括硬磁干擾、軟磁干擾、傳感器儀表誤差等。3.10羅盤和電池監(jiān)測儀電池監(jiān)測儀的使用原理是在電池內(nèi)部輸入一個可以傳輸?shù)慕涣麟娦盘?，主要觀察電池在使用