无人机高原航测飞行研究和应用
高原一般指长期连续的大面积地壳抬升运动中隆起的海拔1000m以上的广大地域。我国青藏、内蒙、云贵、黄土四大高原占国土面积百分之四十，尤其是青藏高原，平均海拔在4000m以上。高原地区飞行，由于受地形、气候、气压、大气密度等因素的影响，飞机的气动性能、操控特点、发动机工作状态、气象条件以及机载设备运行等，与低海拔地区飞行有着明显的区别。特别是海拔3000m以上的高原飞行，其特点表现相当明显，实施飞行有一定的难度，高度越高，难度越大。而这些地区往往是地理信息建设的薄弱区域，因此，研究以无人机为平台的高原地区航测飞行，对于加强现代化地理信息建设具有重要的意义。
最近，我们在西部海拔4000m左右的高原进行了无人机航测的实飞，从理论和实践上探索了无人机高原飞行的有关问题，取得了一定的成果。实践证明，使用目前比较通用的常规固定翼航测无人机，在海拔4000至4500米的高原实施航测飞行，是可以做到的。
一、 任务剖面
实施时间2014年10月下旬，测区在我国西部青藏高原某地，海拔高度4000至4200米，地形为起伏不大的丘陵，测区范围内的高差230米。拍摄主体为相对集中的居民区，获取分辨率1:500的用于制作三维影像的多视角基础数据。
影像获取设备为中测新图（北京）遥感技术有限责任公司开发的“多视立体航摄系统”。该系统由五台索尼NEX-7数码相机集合组成，其中一台相机的镜头光轴向下与水平面垂直，其余四台按飞行方向分别为向前、向左、向右和向后倾斜，倾斜角45°。相机感光元件成像面积23.4mm×15.6mm，分辨率2400万（3:2像幅规格时像素6000×4000）。相机搭载35mm定焦镜头，等效于全画幅相机的50mm左右焦距。设计飞行高度470m（相对高度），实际飞行的绝对高度4500-4750m。根据三维影像的制作需要，航线设计航向重叠度80%，旁向重叠度80%，航线间距40m。采用定点曝光模式。
二、飞行平台
使用单发固定翼无人机，机身和机翼均为轻木结构加蒙布表面，采用常规气动布局，上单翼，前置发动机，后三点起降装置。机身长204cm（含发动机），最宽处21cm，机身最大截面积462cm 2，自前往后分别为机载设备舱、油箱、任务设备舱、伞舱。飞机可以采用滑跑、弹射、车载三种起飞方式，以及滑降、伞降两种降落方式，具有较高的机动性能。翼展261cm，翼型为梯形平直机翼，平凸形截面翼型，平均空气动力弦约于弦长26%处。单幅机翼的长度120cm，翼根弦长39.6cm，翼尖弦长29cm，面积4116cm2，机翼总面积8232cm2。机翼安装角约1.5o，上翻角约1o。飞机的动力装置为一台国产DLA-64双缸两冲程活塞式发动机，配置22×10英寸的木质螺旋桨。此前未发现该发动机海拔4000m以上使用的相关记录。
该飞机设计和制作工艺比较成熟，具有较好的气动特性，起降距
离短，飞行状态稳定，抗侧风能力较强，保持常用的90-120km/h速度巡航时，纵向和横测安定性都有良好表现。飞机和发动机震动较小，使用1/1000秒以上的快门速度进行航拍，成像效果未发现明显的径向模糊现象。
三、前期测试
进驻高原前，我们在海拔1070m的场地对飞机进行了测试，并进行了试飞验证。
1、测试环境。海拔1070m，实测场压897 hPa，温度8oC，相对湿度40%，起飞方向275o，气象风向240o，风速6m/s。
2、飞机重量。全载状态17.2kg，其中燃油2.46kg。
3、发动机拉力。地面最大油门时，转速6940r/min，拉力12.4kg，推（拉）重比为0.72。
4、起飞方式。车载起飞，将飞机安装在汽车顶部的专用发射架上，汽车沿跑道直线加速至100km/h，启动发射架的开锁机构，飞机离架升空。
5、起飞实测结果。汽车从“0”加速至100km/h，行驶320m；汽车保持100km/h速度时，可以认为飞机真速也是100km/h，此时地面站显示飞机速度（表速）在95km/h附近跳动，可见在1070m高度上，真速与表速有5km/h左右的差值。
6、在150m飞行高度进行了小速度试飞。飞机起飞后爬升至150m高度，保持速度100km/h，平飞状态，将油门收至最后，随着速度减小逐步增加拉杆量，使飞机继续保持平飞。速度降至70km/h前，飞
机比较平稳，操控性能也基本正常。降至70km/h以下时，飞机操纵性和安定性都开始下降，继续降至52km/h，飞机进入明显的“失速飘摆”状态，说明飞机已接近或超过临界迎角。
四、气动特性分析
1、小型民用无人机普遍没有经过风洞实验，因而没有升力系数的可靠数据，我们在进行必要的计算时，只得采用“空气动力相似”的方法，参考雷诺数接近的相似翼型的参数进行尽可能真实的测算。
2、该机的翼型为Clark-Y翼型，最大厚度14.1%，在27.2%弦长；最大弯度3.2%，在41%弦长。经在低海拔地区（≦50m）多次试飞，车载起飞离架速度≧80km/h才能确保飞行状态比较稳定。初始爬升时地面站显示飞机仰角5o-6o，此时的飞行迎角应为4-5o。从 Clark-Y翼型中与本机最为接近的相关资料查得，迎角5o的升力系数约0.70。
3、空气密度，海平面标准空气密度为1.226kg/m3，随着海拔高度升高及气压气温的变化，空气密度也会发生变化。其概略数值为每上升1000m高度，空气密度降低约0.1317kg/m3，4000m高度的标准空气密度约0.6992kg/m3。
4、从经验得知，海平面车载起飞的安全离架速度应不小于80km/h（22.2m/s），我们可以通过升力公式反推出海拔4000m高度的安全离架速度。
升力公式：L＝ρV2SCL/2
式中：L——升力，牛（飞机全重17.2kg，换算成力的单位约168.7牛）
ρ——空气密度（海平面及标准大气条件下1.226kg/m3，海拔4000m高度的空气密度约0.7kg/m3）
V——飞行速度（飞机与气流的相对速度，米/秒） S——机翼面积，米2（本机为0.8232m2）
CL——机翼升力系数（假定离架后保持5o的迎角爬升，升力系数约0.70）
显然，起飞时升力必须大于重力，飞机才能上升，也就是说，这架飞机起飞离架时的升力必须达到168.7牛以上。用以上参数代入升力公式可以算出，飞机离架时的速度不得低于28.9m/s，即104km/h。这个结论数据虽然不是以原型机吹风数据为基础算出来的精确数据，但我们认为具有相当高的可靠性，完全可以用于指导飞行实践。实际飞行时，不可能用最低安全离架速度起飞，而应留有一定的安全余度，我们认为在海拔4000m高度车载起飞，离架速度110km/h-120km/h比较合适。
五、表速（IAS）与真空速（TAS）换算
表速（IAS）是指飞机仪表指示的速度。在无人机上，表速是由皮托管（空速管）测量得到的空气动压与静压的差值，经解算成km/h的数值，再传到地面站显示出来的。真速（TAS）是飞机与空气的相对运动速度。表速是以海平面标准气压和空气密度为计算基准的，在海平面高度，表速等于真速。当飞行高度升高，外界气压和密度降低，表速就不能反映飞机的真实飞行速度。
对于飞机操控性能来讲，表速更应当引起重视。在低海拔地区进
