多旋翼無(wú)人機(jī)在庫(kù)區(qū)水域環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李翔

摘 要 本文介紹了丹江口水庫(kù)行政執(zhí)法行動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題。通過(guò)分析固定翼式及旋翼式無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合丹江口庫(kù)區(qū)環(huán)境特點(diǎn)分析使用需求，認(rèn)為使用微型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是合適的；并針對(duì)微型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)缺點(diǎn)提出結(jié)合使用的方式。最后為避免使用不同型號(hào)的微型多旋翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)致安全性問(wèn)題，闡述了保證不同微型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用的典型流程。

關(guān)鍵詞 UAV監(jiān)測(cè)；微型多旋翼UAV；應(yīng)用選型；作業(yè)流程

中圖分類號(hào) X8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1674-6708（2016） 154-0073-02

1 概述

目前南水北調(diào)中線工程的主要任務(wù)由大壩加高及相關(guān)工作，轉(zhuǎn)向了水庫(kù)水域面積內(nèi)相關(guān)水源地的保護(hù)。2014年，水利部開(kāi)展了丹江口水庫(kù)“打非治違”專項(xiàng)執(zhí)法行動(dòng)，上述行動(dòng)中暴露了衛(wèi)星遙感受觀測(cè)點(diǎn)周邊環(huán)境、空間分辨率影響，很難提供實(shí)時(shí)快速的監(jiān)測(cè)。

無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛航空器的簡(jiǎn)稱，英文的縮寫(xiě)為UAV （Unmanned Aerial Vehicle）。具有受氣候的影響小，無(wú)衛(wèi)星運(yùn)行的瞬時(shí)效應(yīng)，高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、升空準(zhǔn)備時(shí)間短、操作控制容易等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性能高（一般無(wú)人機(jī)工作成本是有人飛機(jī)1/10左右），因此適用于小面積重點(diǎn)區(qū)域拍攝。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載不同類型的傳感器，可直觀、全面地掌握水域環(huán)境動(dòng)態(tài)情況。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的分類

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的分類

無(wú)人機(jī)目前更多的稱為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)UAS （UnmannedAircraftSystems），一般由飛行平臺(tái)、有效載荷（日間相機(jī)或日間攝像機(jī)、紅外相機(jī)）、控制站、保障設(shè)備等組成。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的分類方法有多種，較為典型的有以下兩種方法。

2.1.1 按飛行質(zhì)量分類

2013年頒布的《民用無(wú)駕駛航空器系統(tǒng)》的規(guī)定如下。

微型無(wú)人機(jī)，是指空機(jī)質(zhì)量小于等于5，7kg的無(wú)人機(jī)。

輕型無(wú)人機(jī)，是指空機(jī)質(zhì)量大于7kg，但小于等于116kg的無(wú)人機(jī)，且全馬力平飛中，校正空速小于lOOkm/h（55海里/小時(shí)），升限小于3000m。

小型無(wú)人機(jī)，是指空機(jī)質(zhì)量小于等于5700kg的無(wú)人機(jī)，微型和輕型無(wú)人機(jī)除外。

2.1.2按起降飛行方式分類

依據(jù)應(yīng)用廣泛程度及起飛和著陸方式可分為以下兩種：1）水平起降式。2）垂直起降式。水平起降式以固定翼式飛機(jī)為主，垂直起降式以旋翼式飛機(jī)為主。

（1） 水平起降式

優(yōu)點(diǎn)：飛行速度快，動(dòng)力效率比高，飛行高度高，續(xù)航遠(yuǎn)。

缺點(diǎn)：受低空紊流響應(yīng)較大，無(wú)法在指定位置懸停，在復(fù)雜地形飛行需要以較高的高度維持運(yùn)行。對(duì)目標(biāo)只能進(jìn)行“盤(pán)旋觀察”，微型固定翼無(wú)人機(jī)受限于比例效應(yīng)，較易發(fā)生機(jī)身跟隨氣流的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響其獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像。起飛和降落場(chǎng)地要求相對(duì)較高，要求起飛及著陸航線上無(wú)障礙物，且要迎風(fēng)發(fā)射或降落，使用限制相對(duì)較多。失控情況下有闖入其它飛行器所處空域高度的可能。

（2） 垂直起降式

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)低空紊流響應(yīng)較低，可在空中懸停。可以對(duì)指定目標(biāo)進(jìn)行“懸停凝視”觀測(cè)，獲得連續(xù)穩(wěn)定清晰的圖像，有利于發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)。具有垂直起降能力，其對(duì)場(chǎng)地及氣象條件要求低，應(yīng)用范圍也較廣。

缺點(diǎn)：翼載荷較高，動(dòng)力效率比低，續(xù)航力低，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，發(fā)生故障后墜毀率高，故障墜毀對(duì)地面危害較大。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)類型的選擇

3.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用環(huán)境分析及目標(biāo)設(shè)定

3.1.1使用環(huán)境分析

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的使用環(huán)境因素主要由自然環(huán)境（氣象、地形、無(wú)線電），政策環(huán)境（法律法規(guī)、空域環(huán)境）組成：

3.1.2自然環(huán)境

丹江口庫(kù)區(qū)所處鄂西北地區(qū)，地形上屬于四類困難地區(qū)，對(duì)普通航空觀測(cè)系統(tǒng)而言全年有效作業(yè)時(shí)間短，且易受氣候、天氣、起降場(chǎng)等因素影響。庫(kù)區(qū)四季明顯，春季多大風(fēng)天氣，秋季涼爽雨水減少，受山區(qū)地形等因素影響，局地小氣候明顯。近年來(lái)人類活動(dòng)加劇，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了破壞，災(zāi)害性天氣及霧霾天氣時(shí)間日益增多。由于地形原因較適合中等頻率的頻帶（低于1GHz）的無(wú)線電工作。

3.1.3政策環(huán)境

1）法律法規(guī)

中國(guó)民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司于2013年11月18日頒布的《民用無(wú)駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》AC61-FS-2013-20其中下列情況下，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)駕駛員自行負(fù)責(zé)，無(wú)須證照管理自行負(fù)責(zé)。

（1） 在室內(nèi)運(yùn)行的無(wú)人機(jī)。

（2） 在視距內(nèi)運(yùn)行的微型無(wú)人機(jī)。

（3） 在人煙稀少、空曠的非人口稠密區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)的無(wú)人機(jī)。

其相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義如下：視距內(nèi)運(yùn)行（VLOS：VisualLine of Sight operations），無(wú)人機(jī)駕駛員或無(wú)人機(jī)觀測(cè)員與無(wú)人機(jī)保持直接目視視覺(jué)接觸的操作方式，航空器處于駕駛員或觀測(cè)員目視視距內(nèi)半徑500m，相對(duì)高度低于120m的區(qū)域內(nèi)。

超出上述情況的，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)駕駛員需要相關(guān)證照，飛行任務(wù)需要執(zhí)行空域申報(bào)手續(xù)。

2） 空域環(huán)境

在丹江口庫(kù)區(qū)上空，有來(lái)自庫(kù)區(qū)周邊地區(qū)的空軍及航校進(jìn)行飛行訓(xùn)練。而庫(kù)區(qū)核心區(qū)域附近正在建設(shè)十堰武當(dāng)山機(jī)場(chǎng)，其定位為支線機(jī)場(chǎng)，以國(guó)內(nèi)旅游為主，兼顧通用航空服務(wù)。機(jī)場(chǎng)為核心的區(qū)域周邊20km內(nèi)，禁止任何未經(jīng)批準(zhǔn)的無(wú)人機(jī)飛入。

3.2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的選擇要點(diǎn)

1） 飛行平臺(tái)及傳感器——水平起降式無(wú)人機(jī)對(duì)場(chǎng)地要求高，雖可通過(guò)傾斜彈射、定點(diǎn)傘降等方式獲得垂直起降能力，但維護(hù)保障難度將加大，限制了水平起降式無(wú)人機(jī)的使用便利性。平臺(tái)需要考慮到攜行問(wèn)題，全系統(tǒng)體積重量不能太大。平臺(tái)可攜帶三軸穩(wěn)定器，在低空紊亂氣流下中保持視場(chǎng)穩(wěn)定，并能保證傳感器視場(chǎng)始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域，生成清晰的高分辨率影像。

2） 安全性——在飛行平臺(tái)發(fā)生失控及故障時(shí)，應(yīng)能保證在指定區(qū)域盤(pán)旋或懸停，飛行平臺(tái)不能隨氣流飄飛。無(wú)人機(jī)自身安全性受各系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)制約，目前國(guó)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的適航標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，安全性與無(wú)人機(jī)的制造成本直接相關(guān)。但過(guò)高的價(jià)格又會(huì)限制使用，需在各個(gè)方面有一個(gè)折衷。

3） 數(shù)據(jù)鏈路——數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)具有較好的抗干擾性，同時(shí)可傳輸高清高分辨率畫(huà)面。高清高分辨率實(shí)時(shí)畫(huà)面可以在第一時(shí)間幫助發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)目標(biāo)，而不用等數(shù)據(jù)采集后分析，同時(shí)地面站應(yīng)擁有數(shù)據(jù)接口，借助通信設(shè)備連接衛(wèi)星轉(zhuǎn)播系統(tǒng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將其采集到的圖像信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

4） 用戶數(shù)量——民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中用戶數(shù)量多，則代表該機(jī)型生產(chǎn)總量大，應(yīng)用領(lǐng)域廣?？娠@著降低采購(gòu)價(jià)格和全壽命期內(nèi)的維護(hù)價(jià)格，還可以通過(guò)交流觀察這種機(jī)型在不同的用戶及不同環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)行情況。

較大型、航程較遠(yuǎn)的無(wú)人機(jī)，使用成本相對(duì)較高且不易獲批，這種類型的無(wú)人機(jī)更適合較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)定期的巡查。而日常隨機(jī)巡查，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件微型無(wú)人機(jī)是較好的選擇；微型固定翼無(wú)人機(jī)一般采用較大的展弦比，機(jī)翼載荷普遍較小，使用受到風(fēng)的限制；使用中發(fā)生故障有飛入機(jī)場(chǎng)區(qū)域、禁止飛行器進(jìn)入的其它區(qū)域或其它飛機(jī)運(yùn)行空域的可能；而由于實(shí)時(shí)傳輸高清圖像的要求，無(wú)人機(jī)的工作距離限定在了近距離使用。結(jié)合市場(chǎng)的發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用成效，較為適合的微型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是具有高清數(shù)據(jù)鏈路的電動(dòng)多旋翼式無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。這種無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用可通過(guò)多次發(fā)射 回收轉(zhuǎn)移的方式彌補(bǔ)監(jiān)測(cè)范圍和航程的不足。

3.3 微型多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用目標(biāo)設(shè)定及定位

針對(duì)衛(wèi)星及傳統(tǒng)航空器、其它類型無(wú)人機(jī)的不足，對(duì)復(fù)雜水域、面積相對(duì)小且污染類型多樣的區(qū)域，制作高分圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用時(shí)要求飛行平臺(tái)能在6級(jí)風(fēng)力情況下使用，受場(chǎng)地等外界制約小，能靈活使用、攜行方便、安全高效、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格適中的特點(diǎn)，能在陰云、霧霾能見(jiàn)度不良天氣下低空快速簡(jiǎn)便的獲取水域環(huán)境的高清晰圖像。

實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)環(huán)境事件的發(fā)展。為彌補(bǔ)航程上的不足，可采用多次發(fā)射飛行器方式，到達(dá)指定高度和地點(diǎn)后，進(jìn)行懸停并凝視動(dòng)作；同時(shí)利用機(jī)載數(shù)據(jù)鏈路高清實(shí)時(shí)的特性，借助地面站外部通信設(shè)備連接移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播飛行巡查地點(diǎn)的情況至上級(jí)機(jī)構(gòu)。

4 微型多旋冀無(wú)人機(jī)的使用方式

微型多旋翼無(wú)人機(jī)的使用方式：

1） 在疑似地點(diǎn)附近起飛，以起飛點(diǎn)為中心120m以下，500m范圍內(nèi)飛行或已申請(qǐng)并批準(zhǔn)的超低空隔離空域內(nèi)飛行。

2） 利用多旋翼飛行器可以垂直起降的特點(diǎn)，在庫(kù)區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)的船舶上起飛，飛往疑似地點(diǎn)或者興趣地點(diǎn)，在飛行中保持與起飛點(diǎn)（機(jī)動(dòng)中的船舶）500m距離，飛行器在以船舶為中心的500m范圍內(nèi)；或申請(qǐng)的超低空隔離空域范圍內(nèi)與船只保持一定安全距離飛行，而船舶則保持安全航線，在不同高度，角度，距離上觀測(cè)船舶運(yùn)行航線周?chē)囊伤频攸c(diǎn)區(qū)域。采用此種方式需考慮到船體金屬材料對(duì)飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，應(yīng)優(yōu)先考慮非金屬結(jié)構(gòu)的船舶。由于航線變化相對(duì)動(dòng)態(tài)，因此對(duì)任務(wù)規(guī)劃、飛行器操作者都有非常高的要求。

需要注意的是若一次性出動(dòng)一架以上的微型多旋翼無(wú)人機(jī)時(shí)，應(yīng)在各機(jī)組之間設(shè)立總的指揮員，協(xié)調(diào)各機(jī)組運(yùn)行的高度層和范圍，禁止在同一高度層上運(yùn)行多架無(wú)人機(jī)，在改變高度飛出規(guī)定范圍時(shí)應(yīng)通報(bào)總指揮員，保證任務(wù)的安全順利。