無(wú)人機(jī)光電偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法

劉 洋，王 晶，周 明

( 1.西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué)第365研究所，西安 710065)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)方式的轉(zhuǎn)變，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位愈顯重要[1-3]，其主要作戰(zhàn)任務(wù)就是目標(biāo)的偵察、探測(cè)和監(jiān)視，相比有人機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，偵察無(wú)人機(jī)快速發(fā)展成為了無(wú)人機(jī)的主力軍，需要根據(jù)偵察的目標(biāo)和范圍進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃[4-10]，以便使機(jī)載偵察設(shè)備采集到需要的偵察信息，從而為其他武器協(xié)同作戰(zhàn)提供保障。

最基本的航線(xiàn)規(guī)劃方法是通過(guò)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)地面控制站軟件在數(shù)字地圖上設(shè)置航程點(diǎn)形成航線(xiàn)，然后將規(guī)劃的航線(xiàn)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)電數(shù)據(jù)鏈上傳至飛機(jī)，再由機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)控制飛機(jī)按照規(guī)劃航線(xiàn)飛行。這種人工手動(dòng)規(guī)劃的偵察任務(wù)航線(xiàn)，無(wú)法將光電載荷[11-13]的偵察特性和使用方式聯(lián)系起來(lái)，操作過(guò)程繁瑣，對(duì)操作人員要求較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低且精確度不高，難以適應(yīng)飛行時(shí)快速任務(wù)航線(xiàn)規(guī)劃的需要。

因此，本文提出了一種適用于光電載荷的無(wú)人機(jī)偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法，根據(jù)給定的目標(biāo)區(qū)域信息，自動(dòng)生成偵察任務(wù)航線(xiàn)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)執(zhí)行光電偵察任務(wù)。簡(jiǎn)化了操作流程，提高了光電偵察航線(xiàn)規(guī)劃的效率。

1 光電偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

光電偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示，由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、光電任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)鏈、以及地面控制車(chē)組成。無(wú)人機(jī)平臺(tái)包括無(wú)人機(jī)機(jī)體和飛行控制航電設(shè)備。數(shù)據(jù)鏈包括機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備和地面數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。地面控制車(chē)包括飛行控制、任務(wù)控制、任務(wù)規(guī)劃以及情報(bào)處理。

圖1 光電偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)無(wú)人機(jī)完成起飛并飛行到作戰(zhàn)區(qū)域上空時(shí)，根據(jù)光電載荷執(zhí)行任務(wù)[14-15]的模式，分為點(diǎn)偵察和區(qū)域偵察，地面飛行操作人員輸入待偵察的目標(biāo)或區(qū)域信息，地面控制車(chē)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)自動(dòng)生成偵察航線(xiàn)，并將規(guī)劃航線(xiàn)信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈上傳至機(jī)載，無(wú)人機(jī)接收到規(guī)劃航線(xiàn)和程控命令后將會(huì)按照航線(xiàn)飛行，同時(shí)光電載荷執(zhí)行偵察任務(wù)并將偵察信息實(shí)時(shí)下傳至地面控制車(chē)。

2 偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法

2.1 點(diǎn)偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法

2.1.1 點(diǎn)偵察參數(shù)輸入

接受偵察任務(wù)目標(biāo)參數(shù)輸入：駛?cè)肽繕?biāo)區(qū)域A點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)(LA,BA)，駛出目標(biāo)區(qū)域B點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)(LB,BB)，偵察目標(biāo)點(diǎn)T點(diǎn)經(jīng)緯度(LT,BT)，海拔高度為HT，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)相對(duì)目標(biāo)區(qū)域的高度為h，無(wú)人機(jī)圍繞目標(biāo)點(diǎn)作圓周飛行時(shí)的盤(pán)旋圓的半徑為RT，圖2中的長(zhǎng)方形為目標(biāo)點(diǎn)所在區(qū)域。

圖2 點(diǎn)偵察模式目標(biāo)信息示意圖

2.1.2 點(diǎn)偵察航線(xiàn)計(jì)算

分別將A點(diǎn)、B點(diǎn)以及T點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)(LA,BA) 、(LB,BB)以及(LT,BT)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)(XA,YA)、(XB,YB) 以及(XT,YT)，根據(jù)3點(diǎn)的位置計(jì)算出A點(diǎn)至T點(diǎn)的距離DAT，B點(diǎn)至T點(diǎn)的距離DBT，如式(1)所示：

(1)

通過(guò)A點(diǎn)作盤(pán)旋圓的切線(xiàn)，切點(diǎn)為S點(diǎn)，通過(guò)B點(diǎn)作盤(pán)旋圓的切線(xiàn)，切點(diǎn)為E點(diǎn)，如圖3所示；計(jì)算A點(diǎn)至S點(diǎn)的距離DAS以及B點(diǎn)至E點(diǎn)的距離DBE，如式(2)所示：

(2)

圖3 點(diǎn)偵察模式計(jì)算關(guān)系示意圖

A點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)T點(diǎn)連線(xiàn)的方向角(與正北方向夾角)為α，線(xiàn)段AT與AS形成的夾角為Δα，同樣B點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)T點(diǎn)連線(xiàn)的方向角(與正北方向夾角)為β，線(xiàn)段BT與BE形成的夾角為Δβ，計(jì)算出α和Δα，如式(3)所示，計(jì)算出β和Δβ，如式(4)所示：

(3)

(4)

如圖3所示，A點(diǎn)與S點(diǎn)連線(xiàn)的方向角(與正北方向夾角)為α′，B點(diǎn)與E點(diǎn)連線(xiàn)的方向角(與正北方向夾角)為β′。若α-β>0，則α′和β′如式(5)所示；若α-β<0，則α′和β′如式(6)所示：

(5)

(6)

根據(jù)方向角α′和β′，A點(diǎn)直角坐標(biāo)(XA,YA)和B點(diǎn)直角坐標(biāo)(XB,YB)，距離DAS和距離DBE，計(jì)算S點(diǎn)和E點(diǎn)的位置(XS,YS)和(XE,YE)，如式(7)和式(8)所示：

(7)

(8)

利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將S點(diǎn)和E點(diǎn)的直角坐標(biāo)(XS,YS)和(XE,YE)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度(LS,BS)和(LE,BE)。

根據(jù)以上計(jì)算和推導(dǎo)，得出點(diǎn)偵察模式下偵察航線(xiàn)的航點(diǎn)依次為：

A點(diǎn)駛?cè)朦c(diǎn)： (LA,BA,HT+h)；

S點(diǎn)開(kāi)始偵察點(diǎn)：(LS,BS,HT+h)，指令為開(kāi)始偵察，盤(pán)旋半徑為RT，盤(pán)旋圓心為(LT,BT)，盤(pán)旋周期為n，經(jīng)過(guò)n次盤(pán)旋后進(jìn)入E點(diǎn)結(jié)束偵察；

E點(diǎn)結(jié)束偵察點(diǎn)：(LE,BE,HT+h)，指令為結(jié)束偵察；

B點(diǎn)駛出點(diǎn)：(LB,BB,HT+h)。

無(wú)人機(jī)進(jìn)入任務(wù)程控后，由A點(diǎn)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)，駛向S點(diǎn)，在S點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行偵察任務(wù)，以半徑為RT進(jìn)行圓盤(pán)旋，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行偵察，經(jīng)過(guò)n次盤(pán)旋后，在E點(diǎn)結(jié)束偵察任務(wù)，飛向B點(diǎn)，使出S區(qū)，點(diǎn)偵察任務(wù)結(jié)束。

2.2 區(qū)域偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法

2.2.1 區(qū)域偵察參數(shù)輸入

為了對(duì)區(qū)域進(jìn)行全面無(wú)遺漏偵察，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)采用光柵式搜索路線(xiàn)(弓形航線(xiàn))。接受偵察任務(wù)參數(shù)輸入：偵察區(qū)是寬度為DW、高度為DH的長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形偵察區(qū)的中心點(diǎn)C點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(LC,BC)，偵察區(qū)域傾斜角為θ，如圖4所示(一般情況下，為了避免無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)帶來(lái)的誤差，選取的長(zhǎng)方形偵察區(qū)域要大于實(shí)際的偵察區(qū)域)，區(qū)域海拔高為HS，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)相對(duì)于偵察區(qū)域的高度為h，弓形航線(xiàn)的間距為d(間距d和光電平臺(tái)的視場(chǎng)角以及無(wú)人機(jī)飛行高度有關(guān)，選擇的間距一定要滿(mǎn)足圖像重疊率要求)。

圖4 區(qū)域偵察模式信息示意圖

2.2.2 區(qū)域偵察航線(xiàn)計(jì)算

假設(shè)偵察區(qū)域傾斜角為0度，將區(qū)域中心點(diǎn)C點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)(LC,BC)，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)(XC,YC)，計(jì)算區(qū)域頂點(diǎn)0點(diǎn)(將該點(diǎn)作為弓形航線(xiàn)的起始點(diǎn))的位置，如式(9)所示：

(9)

如圖5所示，以1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)為一個(gè)循環(huán)，計(jì)算整個(gè)區(qū)域的循環(huán)次數(shù)n=?DW/2d」(?」為向下取整函數(shù)，即?X」表示不大于X的最大整數(shù))，則整個(gè)區(qū)域的弓形航線(xiàn)航點(diǎn)數(shù)為N=4n+1，對(duì)i從0開(kāi)始進(jìn)行循環(huán)，i

(10)

(11)

(12)

(13)

利用給定角度的坐標(biāo)變換計(jì)算偵察區(qū)域傾斜角為θ時(shí)的弓形航線(xiàn)航點(diǎn)位置，K為航點(diǎn)序號(hào)(K從0開(kāi)始)，*代表偵察區(qū)域旋轉(zhuǎn)傾斜角θ之后的弓形航線(xiàn)航點(diǎn)，如式(14)所示：

(14)

將所有航點(diǎn)直角坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)(LK,BK)，所有弓形航線(xiàn)航點(diǎn)高度均為H=HS+h。

圖5 區(qū)域偵察計(jì)算關(guān)系示意圖

3 偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)

CPU的主頻為2.1 GHz;；內(nèi)存為8 GB；硬盤(pán)為512 GB；網(wǎng)卡為1 000 Mbps。

操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 7；開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Microsoft Visual Studio 2012；開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C++。

偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃方法被包含在地面控制車(chē)任務(wù)規(guī)劃軟件中。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域上空時(shí)，地面指揮人員選擇任務(wù)模式(點(diǎn)偵察和區(qū)域偵察)，任務(wù)規(guī)劃軟件接收到任務(wù)監(jiān)控發(fā)送的偵察點(diǎn)和偵察區(qū)域信息，并輸入偵察所需參數(shù)，地面控制車(chē)任務(wù)規(guī)劃軟件根據(jù)以上信息計(jì)算偵察航線(xiàn)航點(diǎn)位置，自動(dòng)生成偵察航線(xiàn)，并將規(guī)劃航線(xiàn)信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈上傳至機(jī)載，無(wú)人機(jī)即進(jìn)入程控并按照航線(xiàn)飛行，完成偵察任務(wù)。

基于光電載荷的無(wú)人機(jī)偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 偵察航線(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)流程框圖

4 飛行驗(yàn)證

該無(wú)人機(jī)偵察航線(xiàn)自動(dòng)生成方法經(jīng)某型光電偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃軟件將自動(dòng)生成光電偵察航線(xiàn)嵌入到無(wú)人機(jī)巡航航線(xiàn)中。

圖7為某一架次飛行點(diǎn)偵察自動(dòng)生成航線(xiàn)和實(shí)際無(wú)人機(jī)飛行航跡，圖中綠色線(xiàn)條為規(guī)劃航線(xiàn)，藍(lán)色虛線(xiàn)為自動(dòng)規(guī)劃的圓盤(pán)旋航線(xiàn)，橙色為實(shí)際飛行航跡，由圖可看出點(diǎn)偵察圓盤(pán)旋實(shí)際飛行航跡基本與規(guī)劃的圓形航線(xiàn)吻合。

圖7 自動(dòng)生成點(diǎn)偵察航線(xiàn)與實(shí)際飛行航跡

圖8為某一架次飛行區(qū)域偵察自動(dòng)生成弓形航線(xiàn)和實(shí)際無(wú)人機(jī)飛行航跡，圖中綠色線(xiàn)條為規(guī)劃航線(xiàn)，橙色為實(shí)際飛行航跡。能夠看出，除了無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑本身帶來(lái)的少許誤差(規(guī)劃的區(qū)域要比實(shí)際偵察的區(qū)域大，將此誤差抵消)，其余的真實(shí)飛行軌跡和規(guī)劃航線(xiàn)重合度良好。

圖8 自動(dòng)生成區(qū)域偵察航線(xiàn)與實(shí)際飛行航跡

某型光電偵察無(wú)人機(jī)利用本光電偵察航線(xiàn)自動(dòng)生成方法共飛行12架次，其中點(diǎn)偵察8次，區(qū)域偵察10次，累計(jì)偵察時(shí)長(zhǎng)32 h。飛行試驗(yàn)的應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的可行性，能夠滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)光電偵察任務(wù)的使用要求。

5 結(jié)論

本文采用基于光電載荷的無(wú)人機(jī)偵察航線(xiàn)規(guī)劃方法，利用已知目標(biāo)區(qū)域和目標(biāo)點(diǎn)信息，計(jì)算航點(diǎn)信息，在給定目標(biāo)區(qū)域和目標(biāo)點(diǎn)的參數(shù)后自動(dòng)生成任務(wù)規(guī)劃航線(xiàn)。將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于某型偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，飛行試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法可免除傳統(tǒng)人工在地圖上規(guī)劃航線(xiàn)，極大地提高了無(wú)人機(jī)光電載荷航線(xiàn)規(guī)劃效率。