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《測繪與空間地理信息雜志》2016年第9期

摘要:

在福建地區從事無人機低空數碼航空攝影測量項目時，我們發現數傳電臺信號中斷是無人機飛行的一個重大安全隱患。如不能實時掌握無人機飛行動態，出現異常狀況時不能第一時間處理，極有可能出現安全事故，造成重大損失。本文通過具體案例說明，提出無人機信號傳輸中斷的解決方案。

關鍵詞:

無人機;信號;電臺

0引言

隨著國家測繪地理信息局對無人機低空數碼航空攝影測量技術的大力推廣，無人機低空數碼航空攝影獲取的高分辨率影像滿足了城市規劃、城市建設、農田水利建設、基礎設施建設、國土監察等方面數據更新的需求，尤其在重大自然災害和公共事件災害的應急測繪保障服務中發揮了重大作用，無人機低空航測系統越來越受到各級領導的關注。作為一項方興未艾的新技術，今后必定會發揮越來越大的作用，應用領域也會更為廣泛。然而在使用過程中，如何保證無人機航測系統的安全飛行，是不容忽視的重要問題。本文就生產實踐中的具體案例，對無人機信號傳輸中斷解決方案進行了初步探討。

1影響無人機信號傳輸原因分析

一個完整的無人機航攝系統是由飛行平臺(即無人機)、飛行導航與控制系統、地面站監控系統、影像傳感器、數據通訊系統、發射與回收系統和地面保障系統組成，其中數據通訊系統是由無人機機載電臺、地面站電臺和天線等設備構成。無人機地面站利用數據通訊系統在起飛前將規劃好的飛行計劃傳送到飛行控制器中，并在整個飛行過程中實時接收飛機的各項飛行姿態數據，查看飛機是否按照預定的航攝計劃飛行。福建省地形條件復雜，呈典型多丘陵地貌，在福建省內從事無人機航攝往往受到諸多限制，由于受到地形條件、天氣條件、高壓電塔干擾、其他無線電臺干擾等影響，無人機電臺與地面站電臺之間的信號傳輸距離和北方平原地區相比大大縮短。同樣的通訊裝備，在北方平原地區，信號傳輸距離會達到20km以上，最遠的達到50km，而在福建地區，信號傳輸距離在5～10km之間，有些區域甚至超過1km就通訊中斷。在通訊中斷沒有信號掌握無人機飛行實時動態的情況下飛行，行業內稱之為無人機“盲飛”，“盲飛”時無人機在航攝過程中一旦出現異常情況，便無法在第一時間采取相應處理措施，極大地增加了飛行的不確定性和危險性。

2解決方案

福建省測繪院自2010年開始從事無人機低空數碼航空攝影測量，每年航攝數百個架次，在無人機飛行方面具有豐富的經驗，針對無人機信號傳輸中斷問題，制定了兩種切實可行的解決方案。

1)雙地面站模式

在無人機起降點架設一臺監控地面站，稱之為“主地面站”，由“主地面站”上傳航線，并監控無人機起飛、盤旋、往返測區飛行;在測區內或附近架設另一臺監控地面站，稱之為“從地面站”，無人機飛行至測區后，由“從地面站”實時監控無人機飛行狀況，當出現異常現象時，由“從地面站”操控無人機返回起飛點或在測區附近迫降，原理如圖1所示。2015年5月航攝閩清縣東橋鎮，因測區附近無起飛場地，故從閩侯白沙鎮起飛，飛行高度為900m，起飛點和測區中間有1180m的高山，為安全飛行，在閩清縣縣城附近設計了航線拐彎點。因起飛點離測區距離為28km，而且測區周圍均為高山，信號傳輸肯定有影響，為避免意外情況發生，機組人員經協商決定采取雙地面站模式。“主地面站”設置在起降點———閩侯縣白沙鎮，“從地面站”設置在東橋鎮。項目執行過程中，“主地面站”無信號后，“從地面站”隨即接收到無人機信號，很好地保證了全程都有信號實時監控無人機的飛行狀況。

2)信號中繼模式

通過增加具有一定高度的信號中繼設備來解決信號被遮擋問題?？紤]到中繼設備的靈活性和方便性，可在備用無人機上架設信號中繼設備，在起飛點附近區域的高空盤旋，實現無人機與地面站之間信號實時傳輸。信號中繼設備很大程度上擴大了通訊的范圍，尤其適用于福建省內多山、多干擾的環境，在無人機起飛點架設信號中繼設備使得機組人員在同一地點便可安全完成航攝任務，方便了機組人員之間的溝通。因備用無人機只是作為信號中繼器的搭載平臺，只需要采用小型電動固定翼或多旋翼無人機便可勝任。在執行航攝作業前，將信號中繼設備安裝在備用小型無人機上，執行航攝作業的無人機飛往測區后，備用無人機起飛并在起飛點附近區域盤旋，根據無線信號傳播的特性，在飛行至一定高度時，信號的傳輸基本處于同一水平面，周圍障礙物對信號的遮擋大幅減小，大大增加了傳播距離。電動小型無人機續航時間一般為20～30min，而油動作業無人機續航時間一般在1h以上甚至更長，但是由于電動小型無人機的便利性，可在10min內完成小飛機的回收、電池更換、起飛等工作，因此，基本可以保證全程監測作業，無人機原理如圖2所示。此外，亦可根據不同實際情況，合理安排航飛計劃，根據經驗值盡量在信號傳輸的安全距離內更換電池，以保證備用小無人機續航。

3結論

福建省測繪院在實施無人機航攝時，先后多次試驗了兩種方案，兩種方案的優缺點總結如下:

1)雙地面站模式

雙地面站模式比較簡單，容易操作，在發生比較嚴重的突發狀況時(如無人機持續降低高度，無法返回起飛點降落)，可由“從地面站”監控人員采取在測區附近迫降的方式，將第三方損失降到最低。但也存在較為明顯的缺點:①在某些特殊地形的測區，單兵地面站也不一定能夠做到信號全覆蓋，需要單兵地面站人員在測區內某個制高點上設站，但不一定有路通到山頂制高點，如果只在半山腰的話需要考慮到周圍樹木遮擋信號的問題，這就增加了難度，而且也給單兵地面站人員增加了一定的危險性;②存在溝通不暢現象，當出現突發情況時，不能形成統一意見;③需分配人員至測區內或附近，增加了人員投入，并且降低了工作效率。

2)信號中繼模式

信號中繼模式是將地面站提高至作業無人機相對的高度，能很好地解決地形因素導致的信號傳輸受損情況，大大提高信號傳輸距離。其缺點:①如由飛控手操控中繼無人機在起飛點長時間盤旋，會影響飛控手對作業無人機的降落操控，如在中繼無人機上增加自駕儀，則增大了投入，應考慮在中繼無人機上增加簡易飛行控制器和OSD設備，以較小的投入達到期望的效果;②不能很好地解決因電磁干擾導致的信號傳輸受損情況。兩種模式，具有各自的優缺點，應因地制宜、因時制宜，靈活機動地采取其中一種模式。無人機的飛行，存在太多的偶然性和不確定性，截止到目前，仍然沒有哪種方式能稱得上絕對地好，在今后無人機航攝工作中，福建省測繪院將會一如既往地深入研究、解決信號傳輸中斷問題。

4結束語

福建省測繪院在近幾年的項目執行過程中，先后多次使用了兩種模式，保障了無人機的安全飛行。本論文旨在拋磚引玉，希望無人機廠家或用戶能更好地解決無人機飛行過程中的信號中斷問題。

參考文獻:

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［2］李兵．無人機攝影測量技術的探索與應用研究［J］．北京測繪，2008(1):1－3．

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［4］國家測繪局．低空數字航空攝影規范［S］．北京:測繪出版社，2003．

作者:張永年 單位:福建省測繪院