來源：《測繪科學技術》2017年7月
作者：王正祥，劉琴，孫東
摘 要：利用無人機與GPS相結合的手段，通過航線理論的設定，修正航跡按規劃航線飛行，形成了一套完整的無人機自主導航測繪大比例尺地形圖技術，圓滿完成烏東德水電站移民安置規劃區1∶2000航空攝影測量項目，成果質量滿足規范要求，達到設計規劃目的。
關鍵詞 :大比例尺地形圖，自主導航無人機
1. 引言
無人機是一種由動力驅動、無人駕駛、可重復使用的航空器的簡稱，英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示，縮寫為UAV。隨著無人機運用領域的日益擴大和需求量的提高，計算機技術和導航技術的發展成熟，全球定位系統——GPS系統的廣泛應用，其具有實時定位快，精度高、實時效果佳、使用方便等優點。自主導航作為無人機的重要需求功能之一，得到了充分的重視和快速發展，逐漸發展出了一個嶄新的獨立模塊——航跡系統[1]。本文介紹了一種小型無人機自主導航測繪大比例尺地形圖的方法，其被成功地運用于烏東德水電站移民安置規劃區1: 2000航空攝影測量項目。
2. 自主導航的基本理論方法
2.1. GPS RTK動態測量
常規的GPS測量方法，一般都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，其定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。載波相位動態實時差分(Real-time kinematic)方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率[2]。
2.2. 航線規劃設定
無人機任務規劃是指根據無人機需要完成的任務、無人機的數量以及攜帶任務載荷的類型，對無人機制定飛行路線并進行任務分配。
任務規劃的主要目標是依據地形信息和執行任務的環境條件信息，綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能、威脅以及飛行區域等約束條件，為無人機規劃處一條或多條自出發點到目標點的最優或次優航跡，保證無人機高效、圓滿地完成飛行任務[3]。
無人機任務規劃需要實現以下功能：
1) 任務分配功能
充分考慮無人機自身性能和攜帶載荷的類型，可在多任務、多目標情況下協調無人機及其載荷資源之間的配合，以最短時間以及最小代價完成既定任務。
2) 航線規劃功能
在無人機避開限制風險區域以及油耗最小的原則上，制定無人機的起飛、著陸、接近監測點、離開監測點、返航及應急飛行等任務過程的飛行航跡。
3) 仿真演示功能
能夠實現飛行仿真演示、環境威脅演示、監測效果顯示。可進行基于數字地圖的合成圖像計算，顯示不同坐標與海拔位置上的地景圖像，以便地面操作人員為執行任務選取最佳方案。
2.3. 航線信息設定
航線信息規劃由地面控制站預先計算和設定,通過程序寫入飛控計算機存儲器中。航點通過直線或圓弧線連接為航路，多條航路組成航線。每過一航點，飛控計算機會在其內存中讀出該航點的數據信息和控制信息，為該航路自主導航控制服務。同時讀出下一航點信息，為下一航路的導航控制做準備。
2.4. 航跡系統的工作形態
當航線設定完畢后,可以利用航跡數據裝訂功能，迅速地將航線數據傳送到無人機的飛控系統中。實際的操作過程是，航跡系統通過網絡將航線數據傳送到地面控制系統，然后由地面控制系統通過無線鏈路將數據傳送給無人機的飛行控制系統。
根據航線形態，一般分為直線航線和圓弧航線，無人機自主導航的目標通過控制率改變無人機姿態，使它能按照這兩種航線自主飛行[4]。
1) 直線航線
自主導航依靠橫向滾轉角的變化來改變其橫向姿態，當無人機按直線航線飛行時，橫向姿態給定滾轉角為：
其中，為飛機地速、為偏航角、為側偏距。
自主導航中，無人機需要對何時執行完本條航線的飛行，進入下一條航線進行判斷，這里采取計算無人機實時點到末端垂線間的待飛距離來做過點判斷，如圖1。
2) 圓弧航線
圓弧航線橫向姿態給定滾轉角為：
其中，為飛機地速、為轉彎半徑。、求法與直航線相同。
圖1. 無人機轉角判斷控制
2.5. 導航軟件及流程
導航軟件實現及流程[5]：
1) 初始化模塊，實現GPS接收機初始化;
2) 集成數據模塊，接收GPS數據;
3) 終端分析平臺模塊，實現GPS有效數據的提取與轉換;
4) 導航預處理模塊，實現航線裝訂、提取航點信息，坐標轉換等功能;
5) 航跡監測器，用于計算線路重合率;
6) 輸出模塊，輸出舵機控制量實現自主導航。通過GPS獲得無人機的實時定位信息，修正無人機飛行姿態;同時進行過點判斷，使無人機按照規劃航路自主飛行。
3. 應用案例
3.1. 項目概況
金沙江烏東德水電站移民安置規劃會理、會東、元謀測區1:2000航空攝影測量工作，此項目位于四川省會理縣、會東縣和云南省元謀縣境內。測區范圍62 km2，概略坐標：北緯25?26 50 N~27?07 25 ，
東經101?49 21 E~102?32 54 ，南北跨度達189公里[6]。
3.2. 作業方案
鑒于測區面積較大，時間要求緊，本項目采用無人機航攝獲取測區地面分辨率優于20cm的數碼影像數據，并采用航帶布點方式測設像控點，內業空三加密后，采用全數字航空攝影測量工作站生產工藝制作測區1:2000數字地形圖[7]。總體實施技術路線見圖2。
圖2. 實施技術路線圖
3.3. 采用的儀器設備
1) GPS接收機，中海達，精度指標5 mm + 1 ppm，利用“差分GPS定位技術”RTK精度可以達到0.02米。
2) 無人機
此次作業采用KC1600型無人機遙感系統，經過多次的測試飛行及測區實驗成圖均滿足精度要求。該無人機具有可靠性高、飛行場地適應性強、飛行姿態平穩、航片質量高、維護便捷等優點。KC1600型無人機外觀(見圖3)。
3) 航空攝影采用NikonD800碼相機進行拍攝，相機參數：焦距：35.98 mm;感光器件：7360 × 4912像素，35.9 × 24.0 mm，像元大小4.88 μm (見圖4)[8]。
3.4. 影像數據采集范圍與飛行航跡
本次飛行共選取了4個起降場，分別位于元謀縣啟憲、元謀老城鄉、會理縣瓦窯塘、會理縣甸沙關。無人機飛行航跡線見圖5。
圖3. 技術參數
圖4. NikonD800 camera
圖5-1. 無人機飛行航跡線圖--會理縣甸沙關測區
圖5-2. 無人機飛行航跡線圖--會東縣坪山測區
圖5-3. 無人機飛行航跡線圖--會理縣富樂測區
圖5-4. 無人機飛行航跡線圖--元謀縣啟憲測區
圖5-5. 無人機飛行航跡線圖--元謀縣東山大溝測區
3.5. 航空攝影
3.5.1. 航拍要求
1) 按照檢查單進行起飛前的檢查作業，確認設備狀態正常;系統按要求完成GPS和IMU的初始化;
2) 確定首選作業區氣象狀況是否適合作業，是否需要轉向備用作業分區;
3) 落地后按要求時間做完GPS和IMU的觀測;
4) 從設備中下載POS和影像數據;
5) 回到駐地盡快將數據做好雙備份;
6) 在隨機軟件CaptureOne中預覽相機采集的原始未解壓數據，查看影像有無黑片、掉片現象，檢查有無影像拉花、云量過多等問題;
7) 發現影像存在質量問題，必須盡早安排補飛[9]。
3.5.2. 飛行情況和影像質量檢查
此次航飛工作開展的時間正值夏季，雷陣雨很多，起降場相隔較遠，適合飛行作業的時間稍縱即逝。為了保證飛行安全和獲取高質量的數碼影像，只能選擇能見度高、風速較小的時間段開展航攝工作。現場對航片的完整性進行了檢查，主要檢查項有：
1) 重疊度檢查：航向重疊達到了75%，最小不小于65%，旁向重疊達到了45%，最小不小于35%，整個測區沒有出現相對漏洞和絕對漏洞。
2) 俯仰角檢查：航片俯仰角一般小于3?，個別最大不超過11?。
3) 滾轉角檢查：航片滾轉角一般小于3?，個別最大不超過11?。
4) 旋偏角檢查：航片旋偏角一般小于6?，最大不超過8?。
5) 航線彎曲不大于3%。
6) 同一航線上相鄰像片的航高差無大于30 m的情況出現，最大和最小航高之差不大于50 m。
3.5.3. 空三加密
1) 在獲取影像和像控點成果后，本項目選用了PixelGrid_VZ攝影測量系統進行空三加密。地形點最弱點中誤差為：
X：0.365 m
Y：0.332 m
H：0.527 m
2) 空三加密像控點殘差統計見表1[10]。
表1. 空三加密像控點殘差統計一覽表
按《數字攝影測量空中三角測量規范》空三加密允許最大值：平面1.6 m;高程：1.8 m。
3) 空三加密整體平差后中誤差為：
Sigma naught: 2.7 [micron] = 0.6 [像素]
4. 結語
通過烏東德水電站移民安置規劃區1:2000航空攝影測量項目的試驗性生產，各項成果資料均滿足規范及設計要求，說明無人機自主導航測繪大比例尺地形圖技術能廣泛運用于測繪大比例尺地形測繪工作。但是，實際測繪工作中，發現GPS用于飛機姿態測量時還存在兩個方面的不足[11]：
1) 在飛機高速飛行時，飛機在一秒之內完成好幾個動作，而GPS大部分是在一秒左右測量到一次飛機姿態，一秒以內的姿態數據是通過數據內插完成的，在飛機姿態變化比較大的情況下，這種方法的可信度受到限制。
2) 當在飛行過程中GPS天線背離衛星方向時無法接收到有效信號，導致一些關鍵飛行動作姿態測量失敗。特別是飛機在做俯沖、背飛等特定測試動作時，更不容易得到有效的信號，容易導致測量失敗。
參考文獻
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