直升機(jī)海上搜索航路輔助規(guī)劃算法

艾 兵, 楊 睿

(中國(guó)航空無線電電子研究所,上海 200030)

直升機(jī)海上搜索航路輔助規(guī)劃算法

艾 兵, 楊 睿

(中國(guó)航空無線電電子研究所,上海 200030)

隨著國(guó)家海上貿(mào)易、軍事活動(dòng)的日益增多，直升機(jī)作為海上搜救的重要工具，海上搜救能力需要不斷提高。搜索航路的合理性是提高直升機(jī)海上搜救的效率及成功率的關(guān)鍵因素。在能夠獲取目標(biāo)地點(diǎn)的前提下，給出不同場(chǎng)景下的搜索航路規(guī)劃方法。首先給出兩種手持設(shè)備場(chǎng)景下的電子航路規(guī)劃方法，然后重點(diǎn)分析了目力搜索航路規(guī)劃，給出了目力觀察范圍、存活時(shí)間估計(jì)、飛行高度限制、飛行速度限制、掃海寬度計(jì)算、搜索起始點(diǎn)的計(jì)算以及3種常用航路的選取原則與參數(shù)設(shè)置，最后給出了整個(gè)算法的流程圖及仿真分析。

航路輔助規(guī)劃； 直升機(jī)搜救； 搜索航路； 目力搜索

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與軍事的發(fā)展，跨地區(qū)、國(guó)家的海上貿(mào)易、軍事活動(dòng)日益增多，隨之而來的是對(duì)海上搜救能力越來越高的要求。直升機(jī)海上搜救具有快速機(jī)動(dòng)、覆蓋面廣、搜索效率高、救援效果好等特點(diǎn)，因而在海上搜救任務(wù)中受到重視。2015年6月1日，從南京出發(fā)、駛向重慶的客船“東方之星”在長(zhǎng)江中游湖北監(jiān)利水域遇到大風(fēng)導(dǎo)致翻沉。長(zhǎng)江航務(wù)等部門接報(bào)后，立即組織救援力量趕赴現(xiàn)場(chǎng)參加救援任務(wù)，其中包括6架直-8型直升機(jī)。

在航務(wù)、海事等部門接收到遇險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)出的求救信號(hào)并判明遇險(xiǎn)人員基本分布后，通知載有救援直升機(jī)的艦船到達(dá)遇險(xiǎn)人員分布區(qū)域進(jìn)行搜救。由于海上搜救場(chǎng)景中存在海流、風(fēng)生流、風(fēng)壓差等因素，遇險(xiǎn)人員分布區(qū)域會(huì)擴(kuò)大到一定范圍，研究如何在較大范圍內(nèi)高效地規(guī)劃航路對(duì)提高搜索效率具有重要的意義。文獻(xiàn)[1]利用人機(jī)工程學(xué)理論和運(yùn)籌學(xué)原理建立遇險(xiǎn)目標(biāo)及直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型和觀察人員發(fā)現(xiàn)概率模型；文獻(xiàn)[2]對(duì)搜尋方法尤其是視力搜尋方法進(jìn)行總結(jié)和分類,對(duì)各種搜尋方法予以評(píng)估。但是這些研究只給出了運(yùn)動(dòng)模型或搜尋方法，并未給海上搜索形成明確可行的規(guī)劃航路，本文在能夠獲取事故發(fā)生地點(diǎn)的前提下，結(jié)合海上目力搜索模型及海上搜救航路特點(diǎn)，給出搜索航路的輔助規(guī)劃算法。

1 電子搜索航路規(guī)劃

在海上搜索中，電子搜索是常用且效率、成功率較高的一種搜索方式，但該種搜索方式能夠應(yīng)用的前提為遇險(xiǎn)個(gè)體自身需配備手持設(shè)備，機(jī)載設(shè)備通過接收處理來自遇險(xiǎn)個(gè)體手持設(shè)備的無線電、北斗報(bào)文等信息來對(duì)其定位，從而完成救援任務(wù)。國(guó)內(nèi)的手持設(shè)備主要包括手持電臺(tái)、手持北斗用戶機(jī)等。

1.1 手持電臺(tái)場(chǎng)景

超短波電臺(tái)通常主要由收發(fā)信機(jī)、控制盒、電源和天線組成，與短波電臺(tái)相比，具有更寬的通頻，并且傳輸信號(hào)更穩(wěn)定。在海上救援中，主要使用救生電臺(tái)設(shè)備的救生搜索、語(yǔ)音通話功能，具有3個(gè)固定的救生頻率，分別為121.5 MHz(AM),156.8 MHz(FM)和243 MHz(AM)。

執(zhí)行搜救任務(wù)時(shí)，航路的規(guī)劃依據(jù)搜救區(qū)域的大小分為兩種：1) 當(dāng)搜索區(qū)域小于機(jī)載電臺(tái)的作用范圍時(shí)，航路規(guī)劃會(huì)給出直飛規(guī)劃，航路終點(diǎn)定為搜索區(qū)域的中心，若在前往搜索區(qū)域中心的過程中發(fā)現(xiàn)待救人員則終止航路并進(jìn)行人員營(yíng)救；2) 當(dāng)搜索區(qū)域大于機(jī)載電臺(tái)的作用范圍時(shí)，通常采用梯形線搜尋方位，梯形航線的間距為機(jī)載電臺(tái)的作用距離，其航線參數(shù)信息參見本文2.6節(jié)。

直升機(jī)飛行到遇險(xiǎn)人員分布區(qū)域前，需要將電臺(tái)主接收機(jī)設(shè)置在對(duì)應(yīng)頻段的救生頻率上，以便接收來自遇險(xiǎn)個(gè)體的救生頻率信號(hào)。

1.2 手持北斗設(shè)備場(chǎng)景

北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，手持北斗設(shè)備利用北斗系統(tǒng)完成定位及通信，定位精度最高可達(dá)5 m以內(nèi)[3]，具有全天候的定位、守時(shí)和雙向報(bào)文通信功能，支持基于文本/航跡圖/指南針等多種方式的移動(dòng)導(dǎo)航等。

國(guó)內(nèi)直升機(jī)較多配備了北斗綜合衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，系統(tǒng)可以接收來自其他北斗機(jī)的報(bào)文信息，遇險(xiǎn)個(gè)體可以通過手持北斗設(shè)備向其他北斗機(jī)發(fā)送求救報(bào)文、自身位置信息。此類場(chǎng)景的救援中，搜救直升機(jī)可以獲取遇險(xiǎn)個(gè)體的精確位置，輔助航路規(guī)劃模型在獲取遇險(xiǎn)個(gè)體的位置信息后，會(huì)自動(dòng)生成直飛航路，在飛行過程中根據(jù)遇險(xiǎn)個(gè)體位置對(duì)航路進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

2 目力搜索航路規(guī)劃

2.1 目力觀察范圍

機(jī)上人員在目力搜索過程中視力會(huì)處于松馳狀態(tài)，其垂直平面內(nèi)的自然視線低于水平38°，對(duì)海洋(藍(lán)色)的水平視野為左右各40°，垂直視野中上下方向?yàn)?0°，人員每次瞥視的區(qū)域?yàn)樗阶笥腋?°，垂直視野中上下方向?yàn)?0°[1]，上方向需要根據(jù)目力發(fā)現(xiàn)海面漂浮人員的最大距離及直升機(jī)高度共同決定。視力觀察范圍剖面圖如圖1所示。圖中:P點(diǎn)表示飛機(jī)，飛行方向見圖中標(biāo)注;h表示飛機(jī)的飛行高度。

圖1 搜索區(qū)域剖面圖Fig.1 Sectional view of the search area

2.2 存活時(shí)間估計(jì)

遇險(xiǎn)個(gè)體落水后，身體會(huì)浸泡在水里，能夠存活的時(shí)間主要依賴于個(gè)體抵御寒冷的能力以及水面溫度的高低。存活時(shí)間的估計(jì)對(duì)于航路規(guī)劃有著重要的意義，因?yàn)橹挥性谟鲭U(xiǎn)個(gè)體還在存活時(shí)間內(nèi)時(shí)，搜救工作意義才大。在實(shí)際的搜索救援中，個(gè)體的御寒能力差異性無法估計(jì)，只能根據(jù)水面溫度來估計(jì)存活時(shí)間。表1為不同水溫下生存時(shí)間參考數(shù)據(jù)。

表1 不同水溫下生存時(shí)間參考數(shù)據(jù)

利用上述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Matlab進(jìn)行曲線擬合，幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)值點(diǎn)函數(shù)近似冪函數(shù)特征，獲得0～25 ℃下的溫度與存活時(shí)間的函數(shù)(見圖2),即

y=0.062 6x3+0.468 9x2+6.462 3x+6.303 8。

(1)

圖2 溫度-存活時(shí)間曲線Fig.2 Temperature vs survival time

2.3 掃海寬度計(jì)算

在海面目力搜索時(shí)，當(dāng)眼睛無法分辨人體肩寬長(zhǎng)度的物體時(shí)，發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)個(gè)體的概率幾乎為零。根據(jù)瑞利判據(jù)，當(dāng)兩個(gè)衍射斑中心的角距離等于衍射斑的角半徑時(shí)，兩個(gè)相應(yīng)的物點(diǎn)恰能分辨。視力恰好能夠分辨的角分辨力為

δ=(1.22·λ)/D

(2)

式中：λ表示分辨目標(biāo)的波長(zhǎng)，遇險(xiǎn)個(gè)體的救生衣一般為橙色，橙色的波長(zhǎng)為600 nm左右；D表示人眼瞳孔的直徑，一般取值為3.00 mm。遇險(xiǎn)人員海面漂浮時(shí)，兩肩外延兩點(diǎn)之間距離較長(zhǎng)，用S表示，一般為35 cm左右。飛行員所能分辨的S間距的物點(diǎn)的最大距離為

Lmax=S/δ。

(3)

經(jīng)計(jì)算，搜救觀察員能夠發(fā)現(xiàn)海面漂浮單個(gè)人員的最大距離為1 434.4 m左右。在目力搜索中，最遠(yuǎn)距離可參見圖3中的PC段。

圖3 觀察范圍示意圖Fig.3 Range of observation

由2.1節(jié)可以獲得飛行人員的機(jī)上視野范圍，則掃海寬度CB的長(zhǎng)度Lsearch為

Lsearch=2·CE=2Lmax·sin 40° 。

(4)

2.4 飛行速度限制

在2.1節(jié)中，機(jī)上觀察人員可以觀察到的范圍為水平各40°，所以水平區(qū)域的視野范圍約為80°，垂直自然視野上下各20°。正常情況下，人一次觀察的區(qū)域范圍為中心視線左右各2°，垂直自然視野上下各20°，則需要觀察的時(shí)間為

(5)

(6)

2.5 搜索起始點(diǎn)計(jì)算

遇險(xiǎn)者在海上漂流主要依靠風(fēng)和洋流兩種力量。為了計(jì)算幸存者的大致位置，就必須估算漂移的方向和速度。漂移的兩個(gè)組成部分是總流壓差(TWC)和風(fēng)壓差。其中：風(fēng)壓差是風(fēng)作用于遇險(xiǎn)者暴露在水面上的部分，使人體隨著風(fēng)向漂移；總流壓差主要包含海流、風(fēng)生流和內(nèi)河水流等[4]。在本文分析的場(chǎng)景中遇險(xiǎn)對(duì)象為海上個(gè)體，暴露在水面上的部分較小，風(fēng)壓差影響可以忽略，總流壓差則不需要考慮內(nèi)河水流影響。因此，在估算出搜尋區(qū)域的風(fēng)生流和海流的大小后，通過計(jì)算兩者的矢量疊加，得出漂移的方向和速度。

獲取遇險(xiǎn)個(gè)體的位置、失蹤時(shí)間、漂移速度和近鄰直升機(jī)的位置、最大巡航速度后，根據(jù)余弦定理計(jì)算出直升機(jī)與漂移的遇險(xiǎn)者交匯時(shí)的時(shí)間，進(jìn)而可以計(jì)算出交匯點(diǎn)位置。在2.6節(jié)中的擴(kuò)展矩形及扇形的航路中，交匯點(diǎn)即為搜索起始點(diǎn)；在梯形航路中，交匯點(diǎn)為梯形航路的中心點(diǎn)。

2.6 搜索航路選擇

在規(guī)劃中，常用的主要包括擴(kuò)展矩形、梯形、扇形3種航路，其示意圖如圖4所示。

圖4 搜索航路示意圖Fig.4 Schematics of search route

2.6.1 擴(kuò)展矩形

擴(kuò)展矩形搜索適用場(chǎng)景為：搜索目標(biāo)位置處于海流、風(fēng)生流較小，遇險(xiǎn)個(gè)體位置相對(duì)移動(dòng)較小。此種場(chǎng)景下，遇險(xiǎn)個(gè)體位置可以較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而以遇險(xiǎn)個(gè)體位置預(yù)測(cè)點(diǎn)為搜索起始點(diǎn)，以擴(kuò)展矩形來展開搜索工作。該模式下輔助航路規(guī)劃給出的主要參數(shù)為：1) 起始點(diǎn)經(jīng)緯度，即搜索航路的起始點(diǎn)；2)初始角度，即搜索航路從起始點(diǎn)出發(fā)時(shí)的飛行角度；3) 增量，指在擴(kuò)展矩形航路中，兩條平行航線之間的距離，會(huì)根據(jù)遇險(xiǎn)個(gè)體存活剩余時(shí)間估計(jì)值及直升機(jī)續(xù)航時(shí)間來調(diào)節(jié)；4) 左/右旋，指飛機(jī)從初始點(diǎn)出發(fā)后第一次更改航向的方向。

2.6.2 梯形

梯形搜索航路是指沿著一個(gè)方向，不斷擴(kuò)大搜索范圍的航路，主要適用場(chǎng)景為：遇險(xiǎn)海域存在海流、風(fēng)生流等因素，會(huì)使得遇險(xiǎn)個(gè)體向某個(gè)方向以近似不變的速度移動(dòng)。此種場(chǎng)景中，航路輔助規(guī)劃給出的航路信息的主要參數(shù)如下：1) 起始點(diǎn)經(jīng)緯度,即搜索航路的起始點(diǎn)經(jīng)緯度；2) 搜索方向,即預(yù)測(cè)的遇險(xiǎn)個(gè)體移動(dòng)方向；3) 向前方向增量,指搜索方向上，兩條平行航路之間的距離間隔，會(huì)根據(jù)遇險(xiǎn)個(gè)體存活剩余時(shí)間估計(jì)值來調(diào)節(jié);4) 左右方向增量，指垂直于搜索方向上，搜索航路中軸線一側(cè)的兩條平行航路之間的距離間隔，會(huì)根據(jù)遇險(xiǎn)個(gè)體存活剩余時(shí)間估計(jì)值及直升機(jī)續(xù)航時(shí)間來調(diào)節(jié)。

2.6.3 扇形

扇形航路主要使用場(chǎng)景為：遇險(xiǎn)個(gè)體的位置準(zhǔn)確(移動(dòng)速度較小)、需要搜尋區(qū)域較小 (尤其適用于直升機(jī)能夠快速到達(dá)海難現(xiàn)場(chǎng)的情況)，其主要用于搜尋以預(yù)測(cè)海難現(xiàn)場(chǎng)為中心的圓形搜索域[5]。扇形搜索方式能對(duì)中心區(qū)域更全面覆蓋，外側(cè)區(qū)域基本覆蓋。此種場(chǎng)景中，航路輔助規(guī)劃給出的航路信息的主要參數(shù)如下：1) 起始點(diǎn)經(jīng)緯度，即搜索航路的起始點(diǎn)經(jīng)緯度；2) 初始角度，即初始搜索的角度；3) 扇面角，指搜索航路扇面的中心角；4)搜索半徑，即搜索航路的半徑；5)左/右旋，指順時(shí)針或逆時(shí)針方向搜索。

3 算法流程

整個(gè)算法的流程如圖5所示。

圖5 算法流程圖Fig.5 Flow chart of the algorithm

4 仿真結(jié)果分析

軟件設(shè)計(jì)中需要的主要參數(shù)輸入包含場(chǎng)景環(huán)境參數(shù)、遇險(xiǎn)個(gè)體信息、近鄰直升機(jī)信息3個(gè)種類。其中:場(chǎng)景的環(huán)境參數(shù)主要包含海流速度、海流流向、風(fēng)生流速度、風(fēng)生流方向、海面氣溫、海洋表面水溫；遇險(xiǎn)個(gè)體信息主要包含失蹤時(shí)間、手持設(shè)備、估計(jì)經(jīng)緯度；近鄰直升機(jī)信息主要包含近鄰直升機(jī)經(jīng)緯度、續(xù)航時(shí)間。航路規(guī)劃可以根據(jù)上述參數(shù)，選擇相應(yīng)的規(guī)劃方案，生成該方案下的航路參數(shù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取航路點(diǎn)信息。同時(shí)，根據(jù)所處的場(chǎng)景及平臺(tái)信息，給出對(duì)飛機(jī)的高度及速度的推薦值。軟件仿真界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 Matlab仿真設(shè)計(jì)圖Fig.6 The Matlab simulation interface

設(shè)定的場(chǎng)景中，海流速度為1 m/s，方向?yàn)楸逼珫|35°，風(fēng)生流的速度為0.2 m/s，方向?yàn)楸逼珫|25°，遇險(xiǎn)位置為N27.52°，E128.51°，海面空氣溫度20 ℃，表層水溫為15 ℃。遇險(xiǎn)個(gè)體失蹤1 h，且無手持設(shè)備。距離估算失蹤位置點(diǎn)最近的直升機(jī)位置為N30.52°，E118.51°，直升機(jī)續(xù)航時(shí)間為4 h。最終給出的航路規(guī)劃結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation result

算法給出的為目力搜索模式的梯形搜索航路，并根據(jù)遇險(xiǎn)者所處環(huán)境因素進(jìn)行了搜索起始點(diǎn)的預(yù)測(cè)，根據(jù)存活時(shí)間等因素確定了直升機(jī)的搜索速度等，規(guī)劃結(jié)果符合常用直升機(jī)海上搜索實(shí)際規(guī)劃，節(jié)省了規(guī)劃時(shí)間，能夠提高救援的成功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了直升機(jī)海上搜索航路的輔助規(guī)劃算法，給出了電子搜索和目力搜索兩種方式下的算法，考慮因素較全，并利用Matlab編寫了相應(yīng)的仿真軟件，通過測(cè)試場(chǎng)景，給出了該場(chǎng)景下的航路規(guī)劃，適用于突發(fā)海上救援，能夠快速給出搜索方案，提高海上搜索救援的反應(yīng)時(shí)間及成功率。

[1] 張福光.直升機(jī)海上搜救最優(yōu)模式研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001(3):87-91.

[2] 邱平.海上最佳搜尋區(qū)域與搜尋方法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2006.

[3] 小記.北斗手持型用戶機(jī)——個(gè)人[單兵]掌控的北斗用戶產(chǎn)品[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2007(12):54-55.

[4] 劉凱燕.對(duì)海上落水人員漂流軌跡的預(yù)測(cè)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(23):1-3,6.

[5] 中華人民共和國(guó)海事局.國(guó)際航空和海上搜尋救助手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社,2002.

AnAlgorithmofAuxiliaryRoutePlanningforHelicopterMarineSearch

AI Bing, YANG Rui

(Chinese Aeronautical Radio Electronics Research Institute,Shanghai 200030,China)

The helicopter is a crucial tool of marine search,and its searching ability needs to be improved with the increase of national marine trade and military activities. The rationality of the search route is the key to an efficient search and a high success rate. Under the premise of the access to the target location,this paper provides the route-planning methods under different scenarios. At first,two kinds of electronic route-planning methods are given under the scenario of using handheld device. Then,the route-planning method for visual search is analyzed emphatically,with the range of visual observation,the estimation of survival time,the limits on flight height,the limits on flight speed,the calculation of marine search width,the calculation of the starting point of searching,and the selecting principle and parameter settings of the three common routes. At last,the flow chart of the whole algorithm is presented with the simulation analysis.

auxiliary route-planning; helicopter maritime search; search route; visual searching

艾兵，楊睿.直升機(jī)海上搜索航路輔助規(guī)劃算法[J].電光與控制，2017，24( 11) : 91-94，99.AI B，YANG R.An algorithm of auxiliary route planning for helicopter marine searching[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 91-94，99．

2016-12-14

2016-12-22

艾 兵(1990 —),男,山東泰安人,碩士,研究方向?yàn)樾畔⑴c信號(hào)處理。

TN956； O221.6

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.019