无人机航摄系统机动灵活、响应迅速，是卫星遥感和载人航摄的有益补充，在应急救灾、地形复杂区域的基础测绘、大型工程测量，小范围基础地理信息更新等领域发挥了重要作用[1,2,3,4]。应急测绘和复杂区域的基础测绘工作，对无人机航摄系统的适应性、操控半径、续航能力、位置监测等提出了较高的要求[5,6,7]。固定翼无人机以其载荷大、续航时间长、作业范围广等优点，成为应急测绘及高原高山地区航摄的主力机型。虽然现有的固定翼无人机能基本完成恶劣条件下的数据获取任务，但在实际航摄作业中仍存在许多问题，严重影响数据获取效率，甚至导致无人机坠毁。因此，增强无人机在高海拔、低温、雨雾等恶劣环境的适应性，增大无人机操控距离，提升有效作业时间，加大位置追踪监测保障，成为无人机在恶劣条件下顺利开展航摄工作的必然要求。

本文以DB-2型固定翼无人机航摄性能提升改造为例，在分析无人机起降方式、操控距离、位置监测、续航能力，高原高寒适应性等改造需求的基础上，结合大量应急航摄和高原高山地区基础测绘经验，介绍了具体的改造方案，并通过飞行试验验证了方案的可行性。

1、存在的问题

1.1起降方式适应性差

航摄固定翼无人机起飞方式主要有滑跑起飞、弹射起飞、手抛等。滑跑起飞是指无人机利用自身发动机推力，通过起落架(或起飞车)在跑道上加速升空。其优点是简单可靠，配套地面保障设备少，成本低;缺点是需要跑道或较好的地面环境条件，机动性差，且起落架需占用机载空间及重量[8]。弹力弹射主要利用伸缩性较强的弹性元件的弹力或者气冲弹力作为动力，提供无人机弹射起飞时所需的加速度，主要适用于轻小型无人机。其优点是灵活性好，缺点是发射的无人机质量不能太大，滑轨不能太长。手抛是由操作手投掷到空中实现起飞，比较简单，一般适用于尺寸小、质量轻的微小型无人机。

航摄无人机的回收方式主要有滑降、伞降、撞网回收等。滑降是指无人机通过减速滑翔降高至接地滑行，要求降落场地相对平整，着陆过程会对起落架造成损伤。伞降回收是按照预定程序或在遥控指挥下到达回收区上空，然后自动开伞或根据遥控指令开伞，降落在陆地或水面上，是一种较普遍的回收方式[9]。撞网回收依靠高精度定位和制导系统自动回收或者人工目测操控回收。由于自动撞网回收技术需要高精度定位和制导，暂未在民用领域使用，目前在无人机航摄领域只能通过人工目测方式对无人机进行操作，对操控手的技术要求非常高，而且只能在风向和风速理想的情况下进行，虽然可实现无人机定点、精确回收，但风险不可控，不适合航摄生产。目前航摄中使用最广泛、最普遍的回收方式是降伞回收。

DB-2无人机为滑跑起飞、滑跑降落，起降过程中需要跑道或者一定范围内相对平整的场地。地震、泥石流、滑跑等灾害多发生在地形复杂的山区，高原高山地区基础设施建设相对薄弱，执行应急测绘和高原高山地区基础测绘任务时很难寻找到适合起降的平整场地。

1.2操控半径短

无人机的操控半径与电台的有效通信距离密切相关，电台的有效通信距离直接决定了无人机的操控半径。执行复杂区域测绘和突发自然灾害应急测绘任务时，易存在山体及其他高大地物遮挡，灾区电磁干扰严重，且易出现路径延迟、数据丢失等现象，大幅降低了电台的有效通信距离。

DB-2原有的ND250电台采用模拟调频技术，使用230MHz频段，空中传输距离为15km，在实际使用过程中存在较大延迟和数据易丢失的问题，山区有遮挡的地方实际传输距离不到10km，严重制约了航摄作业操控半径。

1.3位置监测保障薄弱

通信设备优化升级后，虽然可以减少周边电磁干扰，提升电台的通信距离和稳定性，但在山区有遮挡或者远距离作业时，一旦无人机航高降到一定高度或遇坠机等意外情况时，受地面遮挡和路径延迟影响，机载电台的接收和发射距离将大幅降低，会出现信号丢失的现象。

DB-2无人机仅通过电台通信和地面监测站联系，通信方式单一，一旦发生无人机航高降低或者坠落等意外情况，很难确定无人机的位置，以致无法找回无人机。

1.4续航时间短

执行应急航摄任务时，由于灾区范围存在不确定性，对于无人机的续航能力提出了更高的要求。单架次续航时间短，航摄面积有限，不能获取大范围、全景的灾情数据，实际作业中需要多架次作业才能完成灾区数据获取。

对于燃油型无人机，增加航程的主要途径是适当增加燃油储蓄量和降低发动机功耗。增加燃油储蓄量，易导致机体重心变化，对无人机的平衡会造成影响;降低发动机的功耗也只能增加部分航程，续航能力提升有限。如何通过改进设计，提升续航能力使无人机成为理想平台是一个急需解决的问题。

1.5高海拔低温作业导致发动机工作不稳定

航摄无人机所使用的发动机主要针对大型航模机开发，对于多变的温度、湿度、气压等条件适应能力较差，用于测绘生产存在一定局限性。DB-2配置的发动机，原厂设计最佳工作温度为105℃，进气气温为20℃，执行应急测绘和高原基础测绘航摄任务时，常常需要在海拔4000m以上飞行，最高海拔可达6000m。在空气稀薄、气温低的高海拔地区执行航摄任务时，发动机化油器进气口容易产生凝水甚至结冰，导致发动机转速降低不能正常工作，严重时会造成发动机熄火，飞机坠毁。

2、改造方案设计及实现

2.1多种起降方式改造

DB-2在地形复杂条件下执行任务时弹射起飞和伞降回收是比较理想的起降方式。借助已有TF-7无人机的弹射器，通过设计托架和起落架，实现DB-2无人机弹射起飞。同时通过改造机身结构，安装降落伞，使其具备伞降能力。

2.1.1起落架改造

DB-2原有的起落架通过横穿机身内部的两根铝管与起落架绑定，下部为两个轮子，仅适用于滑跑起降。根据尽量不改动机身结构的原则，选用起落架作为弹射结构，用5mm、4mm钨钢丝和3mm铝合金片弯折绑合制作了一款适于弹射的滑撬式起落架。

2.1.2托架设计及制作

DB-2满载重量约为15kg,TF-7气动弹射架总冲量约为400Ns，长6m，加速度为17m/s2，横梁最大受力约240kg，参照型铝参数选用6063建筑型铝25mm×50mm×3mm作为主结构横梁，使用5mm厚角型铝作为起落架钢丝支撑结构材料。使用CATIA软件对弹射器托架进行三维建模，并根据建模仿真图进行加工，制作了弹射器托架。

弹射器托架、起落架整体系统及架设无人机后整体效果分别如图1、图2所示。

图1弹射器托架起落架整体系统

图2改造后的整体弹射系统

2.1.3伞降结构改造

DB-2型无人机中部设备舱后有一个13cm×13cm×11cm的后舱，可以装入一个15m2级别的降落伞，但机身上无用于连接伞绳的固定装置，需要通过对机身的改造加入固定装置。固定装置需要满足以下要求:结构强度必须足够高;伞绳布局需要保证开伞后无人机在空中的平衡。

根据以上要求，结合DB-2机身结构特点，决定使用发动机与机身连杆的两个点和机身中部设备舱后隔板处两个点作为伞绳的4个连接点(如图3所示)，使用5mm厚的铝板的两端(如图4所示)作为机身中部的两个连接点，同时对机身内隔板做一定的加强，使用AB胶将伞绳固定在无人机机身内侧(如图5所示)。

图3机身前后连接点

图4机身中部连接点

图5降落伞绳固定至机身

2.1.4改造后起降测试

起降系统改造完成后，项目组进行了起降测试，试验表明，起降系统性能稳定，可满足复杂地形弹射起飞和降伞回收要求。

2.2操控距离增大

无人机的操控距离由机载电台通信距离决定，与电台性能、天线质量和磁场环境密切相关。要增大无人机的操控距离，除了要对DB-2原有的电台进行升级外，还要对天线进行改造，并减少传播环境的电磁干扰。

2.2.1升级电台

将DB-2原有的ND250电台升级为MDSEL-805电台。升级后的电台采用先进的跳频技术，空中传输距离为30km，和ND250相比具有更强的抗干扰能力和更远的传输距离。

2.2.2天线改造

天线是无线电波发射与接收的外设装置，天线在发射和接收信号的时候会产生热损耗、介质损耗、感应损耗，因此，输入天线的射频功率不能够全部转变成电磁波辐射出去，所以需要信号放大装置来提高天线的增益，天线信息丢失越少，天线的效率越高。将原来的胶棒电线改造为高增益天线，可提升电台工作效率。

2.2.3减少电磁干扰

电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络的信号干扰到另外一个电网络。辐射干扰指干扰源通过空间把其信号干扰到另一个电网络。在无人机系统中自驾仪、电台、舵机和点火系统分属不同的电网络，自驾仪与电台之间有大量信号传输，同时也共用电源，二者之间存在着较大的传导干扰。对于传导干扰的解决办法是将信号传输的导线缠绕在屏蔽磁环上从而减少干扰。电台与舵机两个电网络之间也存在相互干扰，即辐射干扰。对辐射干扰，最有效地解决途径是使用金属材料在空间上阻隔两个不同的电网络，使用锡箔纸将舵机线包裹起来，形成电磁屏蔽，减少辐射干扰。

2.2.4改造后操纵距离测试

电台改造后，在映秀至汶川段进行了飞行试验，试验表明无人机山区航摄作业中电台传输距离得到显著增加，实际传输距离可达53km。

2.3位置追踪实现

GPS跟踪器基于GPS卫星定位系统，自动获取GPS信息和其他位置信息。它使用全球移动通信系统，以手机短信的方式将这些数据反馈给用户或者通过分组无线服务技术上传至网络服务器，用户通过计算机终端或者移动通信设备客户端，可在任何有GPRS信号的地方对目标进行定位监测，追踪不受距离限制。针对机载电台山区遮挡或者远距离作业接收不到信号及意外降落信号丢失的情况，可以通过在无人机上增设GPS跟踪器弥补这一不足。

GPS跟踪器具有体积小、定位精度高、可长时间使用、价格低廉等优点。安装在无人机上后，在有GPRS信号时将实时传送无人机位置、速度、高度信息，而无GPRS信号时将以短信形式发送至指定手机，确保在电台信号在距离过远或者意外丢失的情况下仍能监测到无人机位置。

2.4续航能力提升

对于燃油型无人机，提升续航能力最有效的途径为适当增加机载燃油量和降低发动机油耗。

2.4.1增加机载燃油量

增加燃油量是提升续航能力最直接的方式。增加燃油量需要考虑两方面因素:一是无人机机身紧凑，是否有足够空间存储燃油;二是在机身放置原油会使飞机重心发生变化，影响无人机的平衡。DB-2无人机前舱为电池和点火设备，空间较大。中舱为主油箱、飞控、相机，无足够空间。根据DB-2无人机内部布局和空间大小，选择在前舱加入一个800cc的油箱，然后测试无人机重心位置，计算配平力矩是否满足平衡条件。加入油箱前，无人机重心位于机翼99mm处，加入油箱后重心位于96mm处。DB-2翼展为340mm，满载总重为15kg，即满载平飞升力为147N，尾翼到重心位置长度约为1.4m。增加油箱后，低头力矩为:15kg×0.003m×9.8kg/N=0.45N·m，尾翼配平力为0.45N·m/1.4m=0.32N。增加800cc油箱的尾翼配平力0.32N远小于平飞升力147N，故增加油箱后的配平力矩可忽略，即对飞机姿态影响可忽略。

2.4.2降低发动机油耗

发动机油耗主要由无人机重量、发动机类型、品牌、功率大小决定。DB-2型无人机机身为玻璃钢复合材料壳状结构，结构简单且重量轻，机体并无多余装置，故通过减轻无人机重量以降低发动机油耗的方式无法起效。发动机类型一般分为两冲和四冲发动机，四冲发动机虽然相对较为省油，但维护和调试非常困难，一般只用于长航时无人机。中小型无人机一般使用的一般是两冲发动机，品牌为小松、3W和DLE。小松发动机启动复杂，且易积炭，需要经常清洗。3W发动机性能稳定，但价格昂贵。DLE质量可靠且价格低廉，是目前航摄无人机使用最多的发动机，可选型号有DLE60双缸和DLE55单缸。

在无人机动力能保障安全飞行的前提下，以发动机转速为变量，通过试验找到无人机作业效率最高空速。通过对比测试两款发动机的功率和油耗，确定最优发动机型号。

在作业过程中，以同一无人机、相同天气、相同飞行高度的情况下，对DLE双缸60发动机实测了以下3组数据，见表1。

表1DLE双缸60发动机不同转速下油耗对比

注:飞行时间及航程不含爬升和降高航线。

由表1可得出DB-2无人机在平飞空速为120km/h时、转速在7000r下油耗最低，效率最高。

使用同款无人机，对DLE60和DLE55发动机进行了油耗实测，见表2。

表2DLE60与DLE55发动机性能对比

注:两款发动机配置的螺旋桨型号相同。

经过2组数据对比，在飞行高度同为1000m的情况下，DLE55单缸发动机百公里油耗为1.33L,DLE60双缸发动机百公里油耗为1.29L,DLE60油耗较低。

2.4.3续航能力提升测试

增加一个0.8L的油箱后，DB-2无人机载油量达3.8L。根据实测得出的油耗可以推测，使用DLE60双缸发动机的最大理论航程为290km。在实际作业中，可能遇到湿度过大、风力过大等增加油耗的意外情况，故留0.5L作为最低油量应对意外情况。

目前，DB-2的实际作业航程已突破250km，相比原来190km的航程，提高了60km。实际有效航程需要减去从起飞点到作业航线切入点和返回降落点的航程，由此得出改造前后的最大航程和有效作业航程，见表3。

表3改造前后续航能力对比

2.5发动机高原高寒适应性改造

对于高原高寒地区空气稀薄、气温低导致发动机功率降低的问题，最有效的解决办法是利用发动机排放的废气对化油器的进气进行加热。根据这一思路，设计了一款全金属空气滤清装置，并在空气滤清装置内部加装8mm软态紫铜管，使用软态紫铜管将废热从排气管中导出，对化油器进气进行加热。同时使用铝合金薄板对化油器包合形成一个封闭区域，阻挡冷气流直接吹向化油器，以保持发动机正常工作温度。

DLE60发动机改造前后外场测试油门位置、进气温度发动机温度、排气温度和转速对比见表4。

表4改造前后发动机工作状态对比

注:测试时室外温度5℃，空气相对湿度70%。

测试结果表明，改造后的发动机在低温低压下相对于改造前性能更加稳定，功率更高。

3、结束语

在执行测绘任务过程中，航摄无人机的起降方式、操控距离、续航能力以及高原、高寒适应性是影响航摄效率的主要因素。通过将DB-2无人机的起降方式由滑跑起飞、滑跑降落改造为弹射起飞、伞降回收，降低了对起降场地的要求，增强了复杂地形作业适应性。通过升级原有电台、改造天线、增加电磁屏蔽、减少电磁干扰等措施，增加了机载电台的通信距离和通信稳定性，大幅增大了无人机的操控半径和作业范围。通过增设GPS追踪器，确保地面站实现无人机位置即时追踪，增加了恶劣条件下作业保障。通过配平力矩测试，在不影响机体平衡的前提下，加装油箱，增加了燃油动力，延长了有效作业时间，提升了续航能力。通过比较同款发动机在相同航高下作业的续航时间、空速、飞行距离、耗油量等参数，确定了发动机的最有效工作转数。通过比较不同种类发动机在相同状态下的油耗，确定了适用于DB-2无人机的最优发动机型号。通过加装全金属滤清装置，将发动机排放的废热用于加热化油器进气，并用铝合金薄板包裹发动机形成相对封闭区域，阻挡冷气流直接吹向化油器，避免了化油器进口出现凝水、结冰现象，保证了发动机的有效工作温度，确保发动机在高海拔、低气温条件下正常工作。

实验表明，改造后的DB-2无人机对起降场地要求变小，操控距离增大，续航时间变长，高原高寒适应性增强，在执行应急测绘、高原测绘等环境复杂、条件恶劣任务时性能显著提升。

参考文献:

[1]史华林.无人机航测系统在公路带状地形测量中的应用[J].测绘通报,2014(6):60-62.

[2]赵永明.无人机航摄系统在长距离输油(气)管道测量中的应用探讨[J].矿山测量,2011,39(1):12-15,26.

[5]吴俣,余涛,谢东海.面向应急响应的无人机图像快速自动拼接[J].计算机辅助设计与图形学学报,2013,25(3):410-416.

[6]宫阿都,何孝莹,雷添杰,等.无控制点数据的无人机影像快速处理[J].地球信息科学学报,2010,12(2):254-260.

[7]周洁萍,龚建华,王涛,等.汶川地震灾区无人机遥感影像获取与可视化管理系统研究[J].遥感学报,2008,12(6):877-884.

[8]鲍传美,刘长亮,孙烨,等.无人机发射技术及其发展[J].飞航导弹,2012(2):56-60.

[9]郭耀江.无人机着陆技术研究[J].现代导航,2013,4(3):195-197.

陈思思,赵桢,周云波,沈富强.航摄固定翼无人机性能提升改造研究及实现[J].测绘与空间地理信息,2020(10):28-32.

基金:国家重点研发计划项目——无人应急救援装备关键技术研究与应用示范(2017YFC0806703)资助.