無人機光電偵察航線自動規劃方法

劉 洋，王 晶，周 明

( 1.西安愛生技術集團公司，西安 710065； 2.西北工業大學第365研究所，西安 710065)

隨著現代戰爭作戰方式的轉變，無人機在戰爭中的地位愈顯重要[1-3]，其主要作戰任務就是目標的偵察、探測和監視，相比有人機具有明顯的優勢，偵察無人機快速發展成為了無人機的主力軍，需要根據偵察的目標和范圍進行航線規劃[4-10]，以便使機載偵察設備采集到需要的偵察信息，從而為其他武器協同作戰提供保障。

最基本的航線規劃方法是通過無人機系統地面控制站軟件在數字地圖上設置航程點形成航線，然后將規劃的航線信息通過無線電數據鏈上傳至飛機，再由機載導航系統控制飛機按照規劃航線飛行。這種人工手動規劃的偵察任務航線，無法將光電載荷[11-13]的偵察特性和使用方式聯系起來，操作過程繁瑣，對操作人員要求較高，費時費力效率低且精確度不高，難以適應飛行時快速任務航線規劃的需要。

因此，本文提出了一種適用于光電載荷的無人機偵察航線自動規劃方法，根據給定的目標區域信息，自動生成偵察任務航線引導無人機執行光電偵察任務。簡化了操作流程，提高了光電偵察航線規劃的效率。

1 光電偵察無人機系統組成

光電偵察無人機系統組成如圖1所示，由無人機平臺、光電任務載荷、數據鏈、以及地面控制車組成。無人機平臺包括無人機機體和飛行控制航電設備。數據鏈包括機載數據鏈設備和地面數據鏈設備。地面控制車包括飛行控制、任務控制、任務規劃以及情報處理。

圖1 光電偵察無人機系統組成框圖

當無人機完成起飛并飛行到作戰區域上空時，根據光電載荷執行任務[14-15]的模式，分為點偵察和區域偵察，地面飛行操作人員輸入待偵察的目標或區域信息，地面控制車任務規劃系統自動生成偵察航線，并將規劃航線信息通過數據鏈上傳至機載，無人機接收到規劃航線和程控命令后將會按照航線飛行，同時光電載荷執行偵察任務并將偵察信息實時下傳至地面控制車。

2 偵察航線自動規劃方法

2.1 點偵察航線自動規劃方法

2.1.1 點偵察參數輸入

接受偵察任務目標參數輸入：駛入目標區域A點經緯度坐標(LA,BA)，駛出目標區域B點經緯度坐標(LB,BB)，偵察目標點T點經緯度(LT,BT)，海拔高度為HT，無人機在執行偵察任務時相對目標區域的高度為h，無人機圍繞目標點作圓周飛行時的盤旋圓的半徑為RT，圖2中的長方形為目標點所在區域。

圖2 點偵察模式目標信息示意圖

2.1.2 點偵察航線計算

分別將A點、B點以及T點的經緯度坐標(LA,BA) 、(LB,BB)以及(LT,BT)轉換為平面直角坐標(XA,YA)、(XB,YB) 以及(XT,YT)，根據3點的位置計算出A點至T點的距離DAT，B點至T點的距離DBT，如式(1)所示：

(1)

通過A點作盤旋圓的切線，切點為S點，通過B點作盤旋圓的切線，切點為E點，如圖3所示；計算A點至S點的距離DAS以及B點至E點的距離DBE，如式(2)所示：

(2)

圖3 點偵察模式計算關系示意圖

A點與目標點T點連線的方向角(與正北方向夾角)為α，線段AT與AS形成的夾角為Δα，同樣B點與目標點T點連線的方向角(與正北方向夾角)為β，線段BT與BE形成的夾角為Δβ，計算出α和Δα，如式(3)所示，計算出β和Δβ，如式(4)所示：

(3)

(4)

如圖3所示，A點與S點連線的方向角(與正北方向夾角)為α′，B點與E點連線的方向角(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)

根據方向角α′和β′，A點直角坐標(XA,YA)和B點直角坐標(XB,YB)，距離DAS和距離DBE，計算S點和E點的位置(XS,YS)和(XE,YE)，如式(7)和式(8)所示：

(7)

(8)

利用坐標轉換將S點和E點的直角坐標(XS,YS)和(XE,YE)轉換為經緯度(LS,BS)和(LE,BE)。

根據以上計算和推導，得出點偵察模式下偵察航線的航點依次為：

A點駛入點： (LA,BA,HT+h)；

S點開始偵察點：(LS,BS,HT+h)，指令為開始偵察，盤旋半徑為RT，盤旋圓心為(LT,BT)，盤旋周期為n，經過n次盤旋后進入E點結束偵察；

E點結束偵察點：(LE,BE,HT+h)，指令為結束偵察；

B點駛出點：(LB,BB,HT+h)。

無人機進入任務程控后，由A點進入目標區，駛向S點，在S點開始執行偵察任務，以半徑為RT進行圓盤旋，對目標點進行偵察，經過n次盤旋后，在E點結束偵察任務，飛向B點，使出S區，點偵察任務結束。

2.2 區域偵察航線自動規劃方法

2.2.1 區域偵察參數輸入

為了對區域進行全面無遺漏偵察，在執行任務時采用光柵式搜索路線(弓形航線)。接受偵察任務參數輸入：偵察區是寬度為DW、高度為DH的長方形，長方形偵察區的中心點C點的經緯度坐標為(LC,BC)，偵察區域傾斜角為θ，如圖4所示(一般情況下，為了避免無人機轉彎時帶來的誤差，選取的長方形偵察區域要大于實際的偵察區域)，區域海拔高為HS，無人機在執行任務時相對于偵察區域的高度為h，弓形航線的間距為d(間距d和光電平臺的視場角以及無人機飛行高度有關，選擇的間距一定要滿足圖像重疊率要求)。

圖4 區域偵察模式信息示意圖

2.2.2 區域偵察航線計算

假設偵察區域傾斜角為0度，將區域中心點C點的經緯度坐標(LC,BC)，轉換為直角坐標(XC,YC)，計算區域頂點0點(將該點作為弓形航線的起始點)的位置，如式(9)所示：

(9)

如圖5所示，以1、2、3、4四個點為一個循環，計算整個區域的循環次數n=?DW/2d」(?」為向下取整函數，即?X」表示不大于X的最大整數)，則整個區域的弓形航線航點數為N=4n+1，對i從0開始進行循環，i

(10)

(11)

(12)

(13)

利用給定角度的坐標變換計算偵察區域傾斜角為θ時的弓形航線航點位置，K為航點序號(K從0開始)，*代表偵察區域旋轉傾斜角θ之后的弓形航線航點，如式(14)所示：

(14)

將所有航點直角坐標位置轉化為經緯度坐標(LK,BK)，所有弓形航線航點高度均為H=HS+h。

圖5 區域偵察計算關系示意圖

3 偵察航線自動規劃實現

CPU的主頻為2.1 GHz;；內存為8 GB；硬盤為512 GB；網卡為1 000 Mbps。

操作系統為Microsoft Windows 7；開發平臺為Microsoft Visual Studio 2012；開發語言為C++。

偵察航線自動規劃方法被包含在地面控制車任務規劃軟件中。當無人機到達作戰區域上空時，地面指揮人員選擇任務模式(點偵察和區域偵察)，任務規劃軟件接收到任務監控發送的偵察點和偵察區域信息，并輸入偵察所需參數，地面控制車任務規劃軟件根據以上信息計算偵察航線航點位置，自動生成偵察航線，并將規劃航線信息通過數據鏈上傳至機載，無人機即進入程控并按照航線飛行，完成偵察任務。

基于光電載荷的無人機偵察航線自動規劃實現流程如圖6所示。

圖6 偵察航線自動規劃實現流程框圖

4 飛行驗證

該無人機偵察航線自動生成方法經某型光電偵察無人機系統飛行，通過任務規劃軟件將自動生成光電偵察航線嵌入到無人機巡航航線中。

圖7為某一架次飛行點偵察自動生成航線和實際無人機飛行航跡，圖中綠色線條為規劃航線，藍色虛線為自動規劃的圓盤旋航線，橙色為實際飛行航跡，由圖可看出點偵察圓盤旋實際飛行航跡基本與規劃的圓形航線吻合。

圖7 自動生成點偵察航線與實際飛行航跡

圖8為某一架次飛行區域偵察自動生成弓形航線和實際無人機飛行航跡，圖中綠色線條為規劃航線，橙色為實際飛行航跡。能夠看出，除了無人機轉彎半徑本身帶來的少許誤差(規劃的區域要比實際偵察的區域大，將此誤差抵消)，其余的真實飛行軌跡和規劃航線重合度良好。

圖8 自動生成區域偵察航線與實際飛行航跡

某型光電偵察無人機利用本光電偵察航線自動生成方法共飛行12架次，其中點偵察8次，區域偵察10次，累計偵察時長32 h。飛行試驗的應用驗證了該方法的可行性，能夠滿足無人機光電偵察任務的使用要求。

5 結論

本文采用基于光電載荷的無人機偵察航線規劃方法，利用已知目標區域和目標點信息，計算航點信息，在給定目標區域和目標點的參數后自動生成任務規劃航線。將該設計應用于某型偵察無人機系統中，飛行試驗結果證實了該方法可免除傳統人工在地圖上規劃航線，極大地提高了無人機光電載荷航線規劃效率。