無人機任務載荷配置與應用策略研究

孫輝，郭忠誠，吉彩妮，寧娟

1.貴州貴飛飛機設計研究院有限公司

2.中航貴州飛機有限責任公司

任務載荷作為無人機系統(tǒng)的重要組成部分，在滿足特定場景的應用需求中發(fā)揮了決定性作用。多元化任務載荷配置與合理的應用策略共同決定了無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務的效能。

任務載荷由無人機搭載，在飛行任務過程中可獲取數(shù)據(jù)信息。針對特定的任務需求，操作人員應結合應用場景以及影響無人機飛行的因素，合理科學地選用多元化任務載荷，僅以單架次飛行，便能獲取多源目標信息。而多元化任務載荷形成的組合體，通過統(tǒng)一的應用策略部署，提高了無人機的作業(yè)效率，對連續(xù)、快速獲取精確數(shù)據(jù)具有重要意義。

典型任務載荷的技術特性

可見光攝像機的技術特性

可見光攝像機以光電耦合器件或互補金屬氧化物半導體為核心部件，在預定的目標區(qū)域上空搜索目標，獲取目標反射的能量。攝像機的變焦距鏡頭將目標成像于探測器靶面上，通過光電轉換，目標亮度信號轉化為與自身成比例的光電信號，光電信號經過掃描處理后，可見光攝像機最終輸出模擬視頻信號或數(shù)字視頻信號。攝像機采用自動/手動方式搜索目標，自動跟蹤和標定目標坐標，實時輸出視頻，可完成廣角偵察、監(jiān)視、現(xiàn)場作業(yè)效果評估等任務。

紅外熱成像儀的技術特性

紅外熱成像儀利用紅外探測器件，接收被測目標的紅外輻射能量，并將紅外輻射能轉換成電信號，電信號經放大處理，轉換成標準視頻信號。由于發(fā)熱物體輻射紅外線，無須可見光照射，就能被紅外熱成像儀探測。因此，紅外熱成像儀以無源方式工作，屬被動偵察設備，隱蔽性好，抗干擾能力強，能較好地透過戰(zhàn)場硝煙或薄霧，揭示偽裝，探測到熱泄露或出現(xiàn)熱異常的地下目標，可全天時工作，承擔遠縱深目標偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標定位、毀傷評估等任務，在森林防火、應急救援及電力線巡檢等民用領域廣泛應用。

面陣數(shù)碼相機的技術特性

面陣數(shù)碼相機使用光電耦合器件或互補金屬氧化物半導體來記載圖像信息。作為傳統(tǒng)光學照相機的升級設備，面陣數(shù)碼相機解決了光學照相機實時性差、信息回收處理周期長等問題，能夠在晝間無雨條件下，采用單拍、連拍、定點起拍、等距/等時曝光等工作模式，對目標區(qū)域進行臨空垂直拍照和傾斜拍照，實時生成目標圖像，具有覆蓋面積廣、分辨率高、情報信息處理周期短、測量及目標定位精度高、情報信息分發(fā)快等優(yōu)點，在軍事偵察和測繪任務中發(fā)揮了重要作用。

合成孔徑雷達的技術特性

合成孔徑雷達由無人機搭載。在飛行任務過程中，處于不同位置的小口徑雷達單元接收雷達回波信號，并對回波信號進行合成處理。通過陣列組合，小口徑雷達單元能夠等效為大口徑天線，有效提高方位向分辨率。合成孔徑雷達具有全天時全天候工作能力，能夠穿透云霧、植被和樹葉，同時具有一定的移動目標探測能力，通常采用普查、詳查及聚束模式等多種模式執(zhí)行任務，廣泛應用于地形測繪、地質研究、海洋研究和監(jiān)測、軍事偵察、減災防災等領域。

多光譜/高光譜相機的技術特性

多光譜/高光譜相機運用的光譜成像技術是指，相機內部的分光裝置將地物目標反射或輻射的全波段或寬波段的光信號分解成若干個特定窄帶波段光束，特定窄帶波段光束分別在相應探測器上成像，最終形成不同光譜波段的圖像。由于不同地物的反射光譜特性及輻射特性存在差異，多光譜/高光譜相機從而可獲取目標偵察與識別圖像。

激光雷達的技術特性

激光雷達以激光作為主動探測源，接收目標對激光信號的反射及散射回波來測量目標的方位、距離及目標表面特性，從而得到多層次、高精度的目標原始掃描數(shù)據(jù)。原始掃描數(shù)據(jù)經過解碼分類、數(shù)據(jù)檢查、灰度映射、坐標轉換及坐標解算后，用戶可以實時獲取各種格式、含有世界標準時間（UTC時間）、坐標信息、回波層次信息和反射強度信息的點云數(shù)據(jù)文件。在后續(xù)處理中，綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將點云數(shù)據(jù)文件與其他影像數(shù)據(jù)進行融合，得到更精確的目標測量信息。由于激光雷達采用激光進行主動式、非接觸測量，具有單色性好、方向性強、能量高、光束窄等特點，實現(xiàn)了高精度測量。

典型任務載荷的用途

在不同場景中，典型任務載荷的主要用途如表1所述。

表1 典型任務載荷的主要用途。

適用于典型應用場景的任務載荷配置

用于電力線巡檢的無人機任務載荷

巡檢無人機在第一時間為電網(wǎng)調度、防災減災和設備狀態(tài)巡檢提供真實且全面的現(xiàn)場資料。無人機搭載合適的任務載荷對輸電線路進行高精度巡檢，以檢查導線和避雷線的斷股故障，鐵塔和金具的狀態(tài)，輸電線路下面的樹木生長狀況，導線覆冰情況，低零值絕緣子故障等，解決人員巡線班組在地面巡檢面臨的巡檢距離遠和視場小的難題，以及有人直升機巡檢費用高、安全性差等問題。

目前，用于電力線巡檢的無人機任務載荷主要有可見光攝像機、紅外熱成像儀、數(shù)碼相機、全光譜攝像機及激光雷達等設備。這些任務載荷的主要用途、可檢查的缺陷類型及使用時機如表2所述。

表2 用于電力線巡檢的無人機任務載荷類型、用途、可檢查的缺陷類型和使用時機。

在實際工程應用中，任務規(guī)劃人員應全面綜合考慮無人機的特性、空間環(huán)境、任務設備的性能指標、任務設備的用電特性、現(xiàn)有巡檢手段等因素，才能實現(xiàn)技術優(yōu)勢互補。例如，紅外熱成像儀具有探測靈敏度高、非接觸等優(yōu)勢，但易受目標輻射率、外界光線等干擾。無人機配置具有高靈敏度的紫外成像儀，能夠在飛行任務過程中檢測高壓設備的電暈、電弧和局部放電現(xiàn)象，從而評估電力設備的絕緣狀況并及時發(fā)現(xiàn)絕緣設備的缺陷。紫外成像儀抗干擾能力強，不易受日光的影響和檢測時間的限制，可彌補紅外技術的不足。

中航貴州飛機有限責任公司根據(jù)中國南方電網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司的需求，提出了固定翼無人機與多旋翼無人機組合的電力線巡檢模式。其中，固定翼無人機配置有可見光攝像機、紅外熱成像儀、激光雷達及數(shù)碼相機等任務載荷，實現(xiàn)了輸電線路及電力線路走廊的快速巡檢；多旋翼無人機配置了紫外成像儀和攝照一體機，實現(xiàn)了特定輸電線路區(qū)間的故障檢測。

用于應急測繪的無人機任務載荷系統(tǒng)

應急測繪無人機具有響應速度快、環(huán)境適應能力強、機動靈活等特點。作為應急測繪無人機的核心組成部分，任務載荷可高效獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的高分辨率、高精度信息，能夠滿足“第一時間”獲取現(xiàn)場信息的需求，在應急測繪任務中發(fā)揮了重要作用。

目前，應急測繪無人機的任務載荷系統(tǒng)包括航測面陣數(shù)碼相機、輕小型合成孔徑雷達、光電/紅外吊艙、激光雷達、測姿定位系統(tǒng)和三軸穩(wěn)定平臺等設備。

1.航測面陣數(shù)碼相機的用途

航測面陣數(shù)碼相機適用于白天、能見度良好的環(huán)境，可快速獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的遙感圖像，是應急測繪無人機系統(tǒng)的主力傳感器。

2.輕小型合成孔徑雷達的用途

輕小型合成孔徑雷達可以對突發(fā)事件重點區(qū)域的現(xiàn)場進行二維高分辨率多極化實時成像，獲取目標的后向散射系數(shù)和極化特性信息。該型雷達不受能見度和天氣條件的限制，擁有全天時、全天候作業(yè)能力，能在夜間或低能見度的環(huán)境中獲取遙感信息，可穿透植被獲取地表信息。輕小型合成孔徑雷達具備單極化、全極化和極化干涉等多種模式。其中，單極化模式可獲取灰度影像，全極化模式可獲取RGB偽彩色影像，極化干涉模式可獲取地面高程信息。

3.光電/紅外吊艙的用途

無人機機載光電/紅外吊艙可全天時、全天候工作，獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的信息。無人機獲取的視頻信息由視距鏈路或超視距鏈路實時傳輸給地面應急測繪調度系統(tǒng)，滿足應急指揮決策的需求。

4.激光雷達的用途

激光雷達可在空中多個不同位置對突發(fā)事件重點區(qū)域的現(xiàn)場進行掃描，獲取目標的點云數(shù)據(jù)信息，特別適合在無云霧天氣條件下，獲取震后建筑物倒塌、泥石流滑坡和塌方等災害現(xiàn)場的點云數(shù)據(jù)。測繪內業(yè)人員利用數(shù)據(jù)處理技術，能夠快速生成災害現(xiàn)場的三維空間模型，計算土方工程量，為減災防災決策提供量化數(shù)字依據(jù)。

圖1 航測面陣數(shù)碼相機。

5.測姿定位系統(tǒng)的主要功能

測姿定位系統(tǒng)（POS）集成了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)勢。

6.三軸穩(wěn)定平臺的主要功能

三軸穩(wěn)定平臺為航測面陣數(shù)碼相機、輕小型合成孔徑雷達等任務載荷提供安裝基準平臺。偏流補償能改善圖像的旋角偏差，規(guī)避天氣變化和無人機振動對任務載荷造成的位移影響。三軸穩(wěn)定平臺能提高任務載荷的換裝效率，加強任務載荷的環(huán)境適應性，提升航測數(shù)據(jù)的質量和精度。

圖2 三軸穩(wěn)定平臺。

任務載荷組合系統(tǒng)的應用策略

主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)的應用策略

中航貴州飛機有限責任公司與其他單位聯(lián)合研制的APCAI-100型主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)配裝在“鷂鷹”無人機上，是一種多功能測繪任務載荷系統(tǒng)，由CKAC-200型組合寬角航攝儀、光電/紅外吊艙、激光雷達和測姿定位系統(tǒng)等設備組成。

1.應用策略的特點

該系統(tǒng)采用多元化任務載荷配置，可全天時、全天候工作獲取高分辨率影像，以測姿定位系統(tǒng)提供的位置信息作為測量基準，采集三維地理坐標。一架次飛行便能獲取高分辨率圖像、激光點云數(shù)據(jù)、高清影像、紅外視頻影像等應急測繪原始數(shù)據(jù)，有效提升了系統(tǒng)應對地震、地質災害、洪水、森林草地火災等災情的能力。

2.應急測繪任務的流程

無人機搭載主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)執(zhí)行應急測繪任務包括應急測繪任務接受，任務準備、任務區(qū)域航攝作業(yè)和返航，數(shù)據(jù)信息拷貝三個階段，詳見圖3。

圖3 無人機搭載主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)執(zhí)行應急測繪任務的流程圖。

第1步：操作人員接到應急測繪任務后，收集突發(fā)事件所在地區(qū)的地形、天氣條件和任務作業(yè)時間等信息，制訂包括航線規(guī)劃、作業(yè)區(qū)域規(guī)劃、航攝作業(yè)參數(shù)設置等內容在內的航攝作業(yè)計劃。

第2步：根據(jù)航攝作業(yè)計劃，操作人員對所有任務載荷設備進行飛行前動態(tài)、靜態(tài)檢測，并完成航攝作業(yè)參數(shù)裝訂。

第3步：無人機飛抵突發(fā)事件現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場天氣條件及任務時間窗口，選擇合適的傳感器采集重點區(qū)域的現(xiàn)場信息，并通過數(shù)據(jù)鏈路將獲取的信息實時傳輸給后方指揮中心。

第4步：指揮人員根據(jù)無人機提供的信息，判斷是否調整航攝作業(yè)計劃。無人機依據(jù)最終確定的航攝作業(yè)計劃，利用傳感器獲取目標區(qū)域的信息。在作業(yè)過程中，無人機隨時根據(jù)任務需求切換傳感器，來獲取和回傳數(shù)據(jù)。

第5步：無人機完成應急測繪任務后返航。當無人機著陸后，操作人員將無人機采集的數(shù)據(jù)信息拷貝至綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并處理數(shù)據(jù)，為后續(xù)應急救援工作提供決策依據(jù)。

光電吊艙的應用策略

目前，多數(shù)巡檢無人機系統(tǒng)都配置了光電吊艙。光電吊艙集成了紅外熱成像儀、CCD攝像機、激光測距儀和數(shù)碼相機等多種設備，可以實現(xiàn)全天時多模式作業(yè)，獲取多源傳感器信息。光電吊艙采用陀螺增穩(wěn)結構，有效提高了影像質量。

1.應用策略的特點

圖4 光電吊艙。

光電吊艙集成了數(shù)碼相機和CCD攝像機，可有效解決寬覆蓋探測與高分辨率成像之間的矛盾，極大提升無人機的巡檢效率和細節(jié)檢查能力。部分巡檢無人機系統(tǒng)除配備光電吊艙外，還配置了獨立的數(shù)碼相機，不僅可以使用光電吊艙集成的數(shù)碼相機傾斜拍攝目標，還能使用獨立的數(shù)碼相機臨空垂直拍攝目標，巡檢效率大幅提升。同時，兩種數(shù)碼相機在一定程度上互為備份，若其中一者發(fā)生故障，另一者仍能獨立工作，降低了飛行架次失效的概率。

2.巡檢任務的流程

巡檢任務包括光電吊艙起飛前地面檢測、任務區(qū)域巡檢及無人機返航三個階段。

第1步：無人機起飛前，光電吊艙上電。操作人員通過地面控制站發(fā)送控制指令及參數(shù)信息，檢查光電吊艙中各型傳感器的工作狀態(tài)。操作人員確認光電吊艙工作正常后，光電吊艙下電，等待無人機起飛。

第2步：無人機起飛，到達任務區(qū)域后，光電吊艙上電，操作人員通過數(shù)據(jù)鏈路向光電吊艙發(fā)送控制指令。根據(jù)天氣條件及任務時間窗口，操作人員選擇合適的任務傳感器，并控制光電吊艙的方位、俯仰軸運動方向。光電吊艙快速對大范圍任務區(qū)域進行拍攝。操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路傳回的影像及數(shù)碼照片，對目標進行檢查。同時，針對特定目標，操作人員選用手動搜尋模式或自動跟隨模式，實現(xiàn)光電吊艙視場對目標的跟隨，通過控制當前所使用傳感器的鏡頭焦距，實現(xiàn)目標細節(jié)識別。

第3步：巡檢任務完成后，光電吊艙下電，無人機返航。

結束語

隨著制造、控制、通信、導航、傳感器和動力等共性技術的不斷發(fā)展，無人機的安全性、操控性、可靠性等方面取得了長足進步。在軍民融合戰(zhàn)略支撐下，無人機將在更多領域廣泛應用。無人機制造商應該深度挖掘場景應用的高層次需求，提升無人機系統(tǒng)在應用場景中的適應性。