高精度、全局優(yōu)化的無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)

(沈陽飛機設計研究所,沈陽 110035)

0 引言

Bingo航跡導航系統(tǒng)的主要作用有兩個：一是用以提醒飛行員剩余油量僅供支持飛機返航，二是指引飛機按照最優(yōu)軌跡進行返航。傳統(tǒng)的有人機Bingo航跡導航系統(tǒng)通常安裝在飛機上的飛管系統(tǒng)中，受機上計算資源約束，只能存儲飛機不同狀態(tài)點的飛行性能插值表，軌跡優(yōu)化計算時只對單一飛行階段(爬升、巡航、下滑)進行尋優(yōu)，飛行員按照優(yōu)化的結果進行飛行。傳統(tǒng)的有人機Bingo航跡導航系統(tǒng)特點使得其計算結果非全局最優(yōu)結果；當考慮多種構型、全要素時，數據將呈幾何級數的增長；并且必須人在環(huán)，無法完成自主飛行。隨著大型無人機的發(fā)展，飛機的續(xù)航能力不斷增強，傳統(tǒng)的Bingo航跡導航系統(tǒng)采用的局部優(yōu)化算法已經無法滿足無人機對高續(xù)航能力的需求；無人機平臺與發(fā)動機的設計更加精密，傳統(tǒng)的Bingo航跡導航系統(tǒng)無法滿足Bingo航跡導航高精度的計算要求。

為提高Bingo航跡導航系統(tǒng)計算精度和優(yōu)化效果，2005年，Ariel Dvorjetski[1]提出了一種Bingo航跡算法，采用完整的飛機和發(fā)動機模型對Bingo航跡導航進行解算，并應用于以色列空軍的不同飛機型號中。國內發(fā)表的公開論文對飛行剖面優(yōu)化相關方面進行了大量研究。文獻[2-5]針對不同類型有人機采用能量狀態(tài)法簡化飛機質點運動方程，并采用龐特里亞金最大值原理完成飛行航跡的優(yōu)化，得到整個飛行過程的全局最優(yōu)解，尚無針對大型無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)的研究。

本文作者針對大型無人機特點，設計了一種高精度、全局優(yōu)化的無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)。將傳統(tǒng)的機上計算改為地面控制站計算，其中硬件部分主要由數據傳輸鏈路、存儲和解算計算機、顯示器組成，軟件部分包括了實時狀態(tài)與任務航線數據的存儲與讀取，軌跡優(yōu)化、解算等模塊。通過對無人機實時狀態(tài)數據與任務航線數據庫的讀取與訪問，實現飛機狀態(tài)管理；通過飛機高度、速度的優(yōu)化；實現飛機軌跡點的全局最優(yōu)選擇；通過結合整個飛行優(yōu)化軌跡的油量與距離的解算，完成飛機整個Bingo航跡導航的計算與控制。

1 Bingo航跡導航系統(tǒng)結構設計

Bingo航跡導航系統(tǒng)主要由航線數據/飛機平臺參數采集和傳輸單元、Bingo航跡優(yōu)化與解算單元、人機交互單元組成，各組成單元依賴多種通信手段進行數據傳輸。航線數據/飛機平臺參數采集和傳輸單元主要具備系統(tǒng)初始化、自檢，數據采集與傳輸，實時數據記錄等功能；Bingo航跡優(yōu)化與解算單元主要實現航路信息解算、航跡狀態(tài)優(yōu)化等功能；人機交互單元主要實現Bingo返航提醒以及返航航跡顯示等功能。

系統(tǒng)的中間件和平臺軟件結構主要分為4個層次：系統(tǒng)綜合通信層、數據綜合處理層、軟件功能邏輯層和應用顯控層，并在輸出終端通實現視覺和聽覺的綜合狀態(tài)輸出。地面控制站通過衛(wèi)通/視距鏈路飛機遙控/遙測數據的傳輸，地面控制站加載的航線數據通過站內實時總線(千兆網)分布式存儲于地面控制站的各使用節(jié)點。地面控制站站內的數據通信通過內部實時總線完成，傳輸機制采用分布式實時通信中間件(DDS)，實現各個重要節(jié)點的數據傳輸。Bingo航跡導航系統(tǒng)作為地面控制站的一個重要計算模塊，通過DDS進行站內數據的實時傳輸。根據上述架構分析，得到系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構構架

根據圖1所示的總體設計架構進行Bingo航跡導航的模塊化設計。在最小功能模塊劃分主要分為數據采集模塊、航線庫查詢模塊、數據傳輸模塊、接口模塊、解算與優(yōu)化模塊，得到Bingo航跡導航的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)模塊組成

2 系統(tǒng)模塊化設計與實現

2.1 數據的采集與讀取

Bingo航跡導航系統(tǒng)計算所用數據主要分為兩部分：無人機飛行參數(飛機所在位置經緯度、高度、飛機油量等)和航線數據。

飛行參數從實時總線上獲取，每隔20ms飛行數據采集模塊從總線上采集飛行參數。

無人機航線數據分布式存儲在地面控制站內各計算節(jié)點。根據飛行參數中當前目標航線、航點ID，查詢主航線以及返航航線的目標航線、航點對應的航點屬性包括經度、緯度、巡航方式、航段類型、航線類型、航線指針以及航點指針等。

2.2 數據傳輸與校驗

飛行參數數據存儲于機載設備。飛行參數數據首先由機載設備傳輸至鏈路機載端機，與其它信息共同組成下行遙測復合幀。下行遙測復合幀包括遙測信息、圖像信息、載荷數據等信息，具體格式由鏈路傳輸層確定，保證在一個復合幀內可以傳輸4個遙測信息幀，然后通過衛(wèi)通/視距鏈路傳輸至地面鏈路終端的綜合數據處理單元。綜合數據處理單元對鏈路下行的遙測信息進行協議轉換，通過DDS中間件向站內發(fā)布，計算節(jié)點按需訂閱數據。同時，綜合數據處理單元訂閱各節(jié)點發(fā)布的上行數據，并進行協議轉換。Bingo航跡導航系統(tǒng)作為用戶之一，利用中間件從實時總線訂閱或發(fā)布數據。每一個消息內部，均使用交互式消息格式USOA消息，USOA為無人系統(tǒng)開發(fā)架構協議。使用USOA交互標準消息的優(yōu)點有：消息按最小通信節(jié)點投遞，具備廣域擴展能力與良好的通用性；消息具有握手機制、優(yōu)先級序列、連續(xù)幀屬性定義等。地空交互的所有數據需要加入CRC校驗，校驗范圍為完整的USOA消息，校驗字附加在USOA消息之后。

2.3 數據的優(yōu)化與解算

2.3.1 航路信息解算

無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)與傳統(tǒng)有人機Bingo航跡導航系統(tǒng)均是對返航過程中的高度、速度進行尋優(yōu)；不同的是，由于沒有飛行員操縱，無人機須按照預先規(guī)劃的航線方向進行導航。在計算過程中，通過航路信息解算來完成每個航段間的距離解算。

飛機根據飛行參數數據獲取飛機當前所在位置的經度、緯度高度、飛機油量、目標航線、目標航點等信息。并根據目標航線、目標航點從航線數據中查詢下一點的位置信息(經度、緯度、高度)。航路信息解算是通過飛機所在位置的經緯度和目標點的經緯度，計算所在位置距目標航點的水平距離以及方向。在解算過程中，需考慮航線/航點的屬性問題，例如航段類型(直線航段、圓弧航段等)，航點類型(一般點、盤降點等)。相同經緯度航點之間，不同航線/航點屬性計算出的距離差異很大。

2.3.2 航跡優(yōu)化方法

Bingo航跡導航問題是已知飛行距離(當前位置到目標機場，已通過航路信息解算求得)，在飛行條件限制(氣動、發(fā)動機推力、舵面使用等限制)的約束下，求解整個飛行過程(爬升-巡航-下滑)最省油飛行剖面的問題。

飛行動力學方程為：

(1)

哈密爾頓函數為[9-10]：

(2)

(3)

根據龐特里亞金最大值原理為了使目標函數最大，經過推導得[2]：

(4)

π=πmax

(5)

巡航段：

(6)

T=D

(7)

下滑段：

(8)

π=πmin

(9)

其中:T為飛機推力，D為飛機阻力，v為飛機真空速，π為發(fā)動機油門位置，σ為發(fā)動機耗油率。

根據上述推導，飛機總飛行距離是由爬升段、巡航段與下滑段組成。航跡優(yōu)化首先對巡航段航跡進行優(yōu)化，即在巡航飛行條件的約束下，確定使巡航段航程達到最大的最優(yōu)巡航參數，包括飛機的飛行高度、馬赫數、以及與之相對應的飛行迎角、舵面偏度及發(fā)動機推力等。在飛機載油量一定的情況下，巡航段航程由飛機的千米耗油量決定。巡航段航跡優(yōu)化的目的是使飛機始終處于千米耗油量最小的巡航狀態(tài)。爬升段是飛機能量由爬升初始時刻等效能量遞增到巡航狀態(tài)等效能量的過程，下滑過程段飛機能量是由巡航狀態(tài)等效能量遞減到下滑最終時刻等效能量的過程。在爬升段與下滑段，飛機獲得一定的爬升與下滑飛行距離，同時也使飛機在巡航段的可用燃油減少，從而損失一定巡航飛行距離。因此，爬升段和下滑段的航跡優(yōu)化是利用變分法和龐特利亞金最大值原理，使爬升段與下滑段獲得的距離與損失的巡航距離之差都達到最大。

2.3.3 返航邏輯判斷

獲得優(yōu)化的高度、速度以及距目標航點的距離后，利用飛機運動方程解算從當前位置到達目標點的油量和時間，計算所有航段之間的油量和時間之和，求得剩余航線的所需油量。獲得所需油量后判斷是否返航。若飛機機內余油大于所需油量(返航航程計算用油量加上儲備油量)[6]，視為油量充足；若飛機機內余油小于所需油量，則由無人機指揮員決策是否立即改航到返航航線。儲備油量主要考慮兩部分：一是等待燃油，指以等待速度在目的地機場跑道上空500米(或指定高度)，在標準溫度條件下飛行30分鐘所需要的油量。二是應急燃油，指應急返航飛行到目的地機場并著陸所需總飛行時間10%的一段時間內的飛行所需要的油量，主要考慮遠程飛行時可能出現預報誤差或特殊情況。

2.4 系統(tǒng)模型的校準

計算分析過程中，飛機Bingo航跡導航計算的精確性主要取決于飛機本體模型和環(huán)境風場模型的準確性。

飛機本體特性由氣動力特性和發(fā)動機特性共同構成，為獲得精確模型，通過如下試飛[7]辨識公式校準氣動力模型和發(fā)動機模型[8]。

(10)

其中:m為飛行重量，為飛機空重與燃油耗量之和；P為發(fā)動機推力，根據飛行狀態(tài)代入發(fā)動機模型求的，修正非標影響及功率提??；nxt為體軸X軸過載；nzt為體軸Z軸過載；α為飛行迎角；?P為發(fā)動機安裝角。

通過以上體軸受力方程可計算得到升力及阻力，進而可計算得該時刻升力系數及阻力系數。選取飛行過程較穩(wěn)定的時間區(qū)間，對該區(qū)間內的每一飛參記錄時刻進行計算，對計算結果取平均值，得到辨識的升力系數及阻力系數，在氣動力辨識準確后，按高空巡航的小時耗油量校核發(fā)動機耗油率。

大型無人機續(xù)航能力受風影響較大[11]，高空風會影響大型無人機飛行的油耗和時間。在飛行距離相同時，順風飛行將減少飛機的航線飛行時間并降低油耗，逆風飛行將增加飛機的航線飛行時間并增加油耗。為保證Bingo航跡導航計算準確，需獲得較準確的風場信息。系統(tǒng)采用實時風場解算與統(tǒng)計風場模型結合的方法獲得風速和風向數據。通過統(tǒng)計風場模型構建全球不同地區(qū)不同季節(jié)的風場數據，并通過實時風場數據對該風場模型進行完善和校準。實時風場利用飛行參數中的真空速、迎角、側滑角、歐拉角以及GPS速度等信息進行實時解算。首先將風軸真空速轉換至體軸系上，然后將體軸空速轉換至地軸系下，再與飛機的GPS速度共同解算風速風向。理論風場模型使用不同地區(qū)的風場統(tǒng)計數據。

2.5 硬件配置要求

在上述模塊設計基礎上進行硬件平臺設計，Bingo航跡導航系統(tǒng)是地面控制站的重要計算模塊,硬件配置要求與地面控制站的飛控計算機協調一致。解算與優(yōu)化模塊由高性能處理器完成。數據通過地空數據鏈路、光纖、中間件以及內部局域網進行高速傳輸。輸出終端的硬件包括音箱和分辨率1280×1024的顯示器，可在輸出終端上獲取Bingo航跡導航解算結果與返航告警信息。硬件配置清單見表1。

表1 Bingo航跡導航系統(tǒng)的硬件配置清單

3 系統(tǒng)測試與分析

為了測試本文設計的高精度、全局優(yōu)化的無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)的應用性能，進行了仿真計算與無人機實際試飛測試結果的對比分析。將實際試飛的初始數據(飛行初始油量、機場高度、飛行航線數據等)作為Bingo航跡導航系統(tǒng)的初始化參數,從試飛起始時刻對飛行全程的Bingo油量以及飛行時間進行了仿真計算，Bingo航跡導航系統(tǒng)計算的結果與實際試飛的結果如圖3和圖4所示。

圖3 航點與時間關系

通過將實飛數據與系統(tǒng)計算結果對比可知，Bingo航跡導航計算結果與實際試飛結果基本吻合(誤差小于2%)，且地面控制站完成一次Bingo航跡導航計算時間較短(小于1 s)。

4 結束語

本文研究了高精度、全局優(yōu)化的無人機Bingo航跡導航系統(tǒng)，采用更精確的飛機本體和風場模型來滿足高精度需求，并通過龐特里亞金最大值原理保證全局的優(yōu)化結果。本文主要對Bingo航跡導航系統(tǒng)的結構設計、各模塊設計原理和硬件配置要求進行了詳細描述。系統(tǒng)測試結果表明，該Bingo航跡導航系統(tǒng)對Bingo返航油量、時間預測精度高，對大型無人機的安全返航具有重大意義。

圖4 實飛耗油與Bingo航跡導航計算耗油