無人機隨艦飛行時的航路勾徑偏移

吳波

（南京模擬技術研究所，南京 210016）

0 引言

無人機系列產品是南京模擬技術研究所眾多模擬訓練產品中的一類，海用型無人機系列產品是眾多無人機系列產品中的一類。海用型無人機具備陸地和艦上起飛、海上回收、伴艦飛行、協同編隊等能力。海用型無人機伴艦飛行時，飛行航線會跟隨艦船移動的方向和速度實時移動，始終保證航線相對艦船的方向、位置不變。

為了滿足訓練時無人機飛行航路對艦勾徑變化的需求，需要在飛行時調整某段航路的位置。調整飛行航路，就需要修改無人機存儲的飛行航線。首先在測控軟件上修改本機航線的位置，再通過遙調功能修改無人機的航線信息。一種方法是手動調整本機航線段，再依次將調整的位置、高度等信息反饋給無人機。但是手動調整本機航線的位置等信息，計算復雜，精度較低，且手動反饋的速度太慢。另一種方法是自動化調整，開發自動調整航線對艦勾徑的功能。該功能在選擇好相對的艦船和偏移的航線段后，輸入最終的勾徑值，按照此勾徑值對該段航線整體偏移，重新繪制，并將航線變化的位置等信息反饋給無人機。無人機再調整飛行航路，進而達到勾徑偏移的效果。鑒于實際任務需要，設計了“航點勾徑偏移”（即“航路勾徑偏移”）功能。

1 功能描述

當無人機測控軟件收到無人機和艦船的數據后，接入該架無人機的遙控、遙調控制權限。通過界面顯示的“艦船回傳計數”信息，可以確保無人機收到艦船數據。之后上傳本機航線信息至無人機飛行控制系統。無人機起飛后，進入航線自動飛行。無人機飛行至待調整勾徑航線段前時，打開“航點勾徑偏移”對話框，如圖1所示。

圖1 航點勾徑偏移

具體內容介紹如下：

（1）艦船編號。艦船的編號信息。飛行航線調整時，計算偏移航線位置信息使用的艦船編號。

（2）本地航線號。無人機測控軟件主視圖界面上顯示的飛行航線編號。

（3）上傳航線號。向無人機發送航點數據包時，數據包的航線信息識別碼（數據包包含航線信息識別碼、航點信息識別碼）。

（4）起始點。偏移的起始航點。

（5）終止點。偏移的結束航點。

（6）勾徑值。偏移后的航線段距離艦船的垂直距離。

選擇完起始點、終止點后，軟件會自動計算并在下方顯示該航線段當前的對艦勾徑值。以計算出的當前勾徑值為參考，輸入調整后的勾徑值（例如5000）。點擊“確定”按鈕，測控軟件會自動將該段航線調整至勾徑值為5000 m 處，重新繪制航線，并將調整的航線段信息發送給無人機。發送成功后，無人機會按照調整后的航線伴艦飛行。

2 算法實現

航線段起始點高斯坐標P（1a1，b1），終止點高斯坐標P（2a2，b2），艦船高斯坐標P（3a3，b3），調 整 后 的 勾 徑 值 dfGoujing （PI =3.1415926535897932）。

圖2 算法示意圖

起始點和結束點經過的直線方程Ax+By+C=0。 計算得A=（b2-b1），B=（a1-a2），C=（a2×b1-a1×b2）。艦船高斯坐標點與直線的垂足坐標為P（4x，y），可得：

x=（a3×B×B-b3×A×B-A×C）（/A×A+B×B）

y=（b3×A×A-a3×A×B-B×C）（/A×A+B×B）

由艦船坐標P3和垂足坐標P4

計算艦船當前勾徑：

double dfDistance = sqrt（（x-a3）*（x-a3）+（yb3）*（y-b3））

需要調整的勾徑值double dfOffsetDis=dfGoujing-dfDistance;

計算艦船相對直線的方向：

為了預防艦船剛好出現在航線段上的特殊情況：

計算航點P（1a1，b1）與航點P（2a2，b2）的方向為dfDirectionLine（與計算艦船相對直線的方向的方法相同）。當dfDistance<1 m時，始終計算

4 功能實現

4.1 航點信息處理

測控軟件與無人機之間通信如圖3所示。

圖3 數據傳輸

地面測控站作為工作電腦與無人機的中繼站，與個人工作電腦通過網絡連接，與無人機之間通過電磁波通信。

（1）個人工作電腦運行測控軟件。操作人員操作測控軟件，執行指令。測控軟件將指令打包成數據幀后通過網線發送給地面工作站。由于指令發送對速度、實時性要求較高，所以測控軟件與地面測控站之間使用了UPD傳輸協議。

（2）地面測控站通過天線設備向無人機發送指令數據幀。無指令觸發時，地面測控站以固定頻率持續發送空指令。當地面測控站接收到個人工作電腦通過網絡發送的指令，則將指令裝載后發送給無人機。

（3）無人機接收到指令后，會以校驗數據包的形式回傳指令信息。校驗數據包通過天線反饋給地面測控站，地面測控站再通過網絡發送給個人工作電腦。運行在個人工作電腦上的測控軟件接收到校驗數據包后，先對校驗數據包進行校驗。校驗正確后，再使用之前發送的指令數據包與校驗數據包進行比對。如果比對正確，則認為該指令已成功發送給無人機，并輸出發送成功標識。

（4）依據上述（1）—（3）通信過程，將調整的航點信息發送給無人機。具體流程如圖4 所示。

圖4 航點上傳流程

1）啟動多航點上傳線程。由于啟動下一個航點的上傳需要等待上一個航點上傳完成，所以多航點上傳耗時較久，因此需要單獨開辟多航點上傳線程：

之后再對處理的經緯度數據包加上幀頭、航線信息識別碼、航點信息識別碼、校驗碼。

3）上傳當前航點數據。上傳過程采取先進先出原則，超時等待時間為3 s。當前數據包發送后，如果3 s 內接收到無人機回傳的確認數據包，則進行數據比對。比對成功，則認為本次上傳成功；比對失敗，則上傳失敗。如果3 s內沒有收到無人機回傳的確認數據包，則認為發送超時，上傳失敗。無論是否收到回傳的確認數據包，超過3 秒后，當前數據包都要出隊列，執行下一個數據包的處理過程。

4）循環處理。依步驟3），對所有調整的航點進行處理。直到處理完所有待調整的航點信息或者中途失敗，則處理結束，返回處理結果（成功/失敗）。

4.2 GDI繪制航點

圖形設備接口（GDI，graphics device interface）是Windows 的子系統，它負責在顯示器和打印機上顯示圖形，是程序與計算機硬件之間的橋梁，是Windows 重要組成部分之一。不但一般的Windows 應用系統在顯示視覺信息時使用GDI，而且Windows 本身也使用GDI 來顯示用戶界面對象。

為了實時監控無人機狀態信息，主視圖界面以300 ms 的周期持續刷新。界面上的航線圖也會跟著界面不斷刷新。一旦航點信息發生變化，航線圖會按照新的航點信息重新繪制。測控軟件采用GDI方法繪制主界面航線圖，具體步驟如下：

（1）創建畫筆對象。

航線段偏移到預期位置，意味著主界面航線繪制完成。無人機會沿著調整后的航線完成剩下的飛行過程。

5 程序運行界面效果

下面為調節前后的航線對比圖。圖5 顯示的是調節前航線，圖6 顯示的是調節后航線。1 號艦船為無人機飛行跟隨艦，2 號艦船為輔助艦，航線段的調整計算方式依賴1號艦的位置。

圖5 初始航線

圖6 調節后航線

上圖調節的目標航點段為09→10 航線段，為了使無人機沿著1 號艦船的艦尾1000 米勾徑直線飛行，使用“航點勾徑偏移”，調整09→10 航線段的勾徑值為1000 m。

6 結語

本文介紹了航路勾徑偏移功能的算法實現和功能實現。“航點勾徑偏移”功能可以精確計算偏移后的航點信息，自動向無人機發送新航點信息，重新繪制新航點。既滿足了飛行訓練時無人機對艦勾徑精度的需求，又簡化了操作人員的操作步驟，減輕了操作人員的操作壓力，幫助操作人員更好的完成飛行保障任務。