基于遮擋物仰角的數(shù)據(jù)鏈通視算法研究

無人直升機系統(tǒng)應用領域非常廣泛，如森林火災監(jiān)視、目標偵察與監(jiān)視、物資運送等領域，它由一架或多架無人直升機、地面控制站組成。從目前技術看，無人直升機自主性還未達到令人滿意的先進水平，所以地面控制站操控員的監(jiān)督和控制必不可少，操控員必須采取合適的方法接收無人直升機獲取的情報。

無人直升機的控制與通信密不可分，無人機數(shù)據(jù)鏈包括視距（LOS）、超視距（BLOS）兩種。在低空作戰(zhàn)的小型無人直升機與地面控制站之間的通信主要依靠視距數(shù)據(jù)鏈。視距數(shù)據(jù)鏈是一種基于微波通信技術的系統(tǒng)。微波頻率很高，波長很短，沒有繞射能力。視距數(shù)據(jù)鏈僅在收發(fā)天線之間沒有物體遮擋的情況下才能正常通信。無人直升機與地面控制站進行數(shù)據(jù)傳輸必須依賴可靠、連續(xù)、穩(wěn)定的視距數(shù)據(jù)鏈。視距數(shù)據(jù)鏈通視計算一般用于計算和分析機載天線和地面天線之間保持無遮擋通信時的最大距離。

地面控制站布站點附近往往存在復雜的地形、地物等遮擋物。針對無人直升機低空作戰(zhàn)對通信的需求，本文提出一種快速便捷的視距數(shù)據(jù)鏈通視模型，通過計算，此通視模型獲取布站點附近遮擋物的仰角，分析飛行航線的各個航點是否滿足數(shù)據(jù)鏈通視條件，以便任務規(guī)劃軟件進一步優(yōu)化無人直升機飛行航線。基于此通視模型，本文分析地球半徑取值、布站點海拔高度對通視計算結果的影響。無人直升機飛行試驗結果表明，該通視模型用于任務規(guī)劃軟件是可行的。

基于地球曲率的通視模型

地球是球面體，對于低空飛行的無人直升機而言，影響數(shù)據(jù)鏈收發(fā)天線通視的主要因素是地球曲率。當收發(fā)天線的高度確定之后，收發(fā)天線之間的連線與地面相切時，收發(fā)天線之間的距離稱為無線電視距，如圖1所示。只考慮地球曲率，無線電視距的計算公式如式（1）所述。

基于遮擋物仰角的通視模型

視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角

無線電視距計算公式（1）是以地面控制站布站點附近無遮擋物，收發(fā)天線之間的連線和地面相切為條件，結合三角函數(shù)推導出來的。但是，無人直升機在實際飛行中通常面臨高山、丘陵、樹木、建筑物等地形地物的遮擋，而且地面控制站布站點附近的環(huán)境條件復雜，不能滿足信息傳輸所需的通視條件，通信極易被遮擋，因此無線電視距計算公式（1）的使用受到限制。無人直升機數(shù)據(jù)鏈傳輸信息的示意圖詳見圖2，本文假設收發(fā)天線之間的連線與水平面的夾角為數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ，θ的單位是°，水平面向上為正。當信息傳輸路徑存在遮擋物時，無人直升機需爬升或者縮短與地面控制站之間的距離，確保數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ大于遮擋物仰角φ，從而使信息傳輸路徑避開遮擋物。

遮擋物仰角

視距數(shù)據(jù)鏈通視計算與分析需要考慮地面控制站布站點附近地形、地物的遮擋，例如圖4中的建筑物、山體1、山體2的遮擋。山體1對通信造成了遮擋，導致地面控制站不能監(jiān)控無人直升機。為了滿足無人直升機的通信需求，無人直升機的無線電仰角θ應大于所有遮擋物的最大仰角φmax。

地球半徑取值對無線電視距的影響

地球并非規(guī)則物體，地球半徑常用值包括地球赤道半徑6378km、地球極半徑6357km、地球平均半徑6371km等數(shù)值。為分析不同地球半徑取值對視距數(shù)據(jù)鏈通視計算結果的影響，本文假設地面控制站布站點附近無遮擋物，數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ為0°，地面控制站天線高度h1為3m，由通視計算公式（2）可得到，當?shù)厍虬霃饺〔煌陌霃綌?shù)值時，飛行高度h2的相差值Δh1的最大值為5m，不同地球半徑取值對數(shù)據(jù)鏈通視計算結果影響不大。因此，任務規(guī)劃軟件利用通視計算公式（2）對航點進行通視計算與分析時，地球半徑R取平均半徑6371km即可。

布站點海拔高度對無線電視距的影響

通視計算策略

無人直升機執(zhí)行任務需要復雜的任務規(guī)劃，而任務規(guī)劃是指軟件根據(jù)地形信息、戰(zhàn)場環(huán)境信息，綜合考慮無人機性能、威脅等約束條件，規(guī)劃最優(yōu)或者次優(yōu)航線。數(shù)據(jù)鏈通視計算與分析是任務規(guī)劃不可或缺的約束條件之一，它與任務規(guī)劃密不可分。地形、地物等遮擋對無人直升機視距數(shù)據(jù)鏈通視產(chǎn)生較大影響，鏈路盲區(qū)使得地面人員無法實時有效掌握無人直升機的飛行動態(tài)，忽視數(shù)據(jù)鏈通視狀況將影響無人直升機的飛行安全。

在開展無人直升機任務規(guī)劃時，任務規(guī)劃軟件結合通視模型進行視距數(shù)據(jù)鏈通視計算與分析，確保無人直升機的每個航點滿足數(shù)據(jù)鏈通視條件。下面闡述任務規(guī)劃軟件對航點進行通視計算與分析的策略。

第一，當布站點附近無遮擋時，操控員結合飛行經(jīng)驗，綜合考慮各種因素，并利用軟件確定視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角。

第二，當布站點附近存在建筑、樹木等地物遮擋時，操控員評估地物遮擋物參數(shù)，距離L和高度h0，然后在任務規(guī)劃軟件中輸入遮擋物參數(shù)，軟件自動計算地物遮擋物的仰角，進而確定視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角。

第三，當布站點附近有高山、丘陵等地形遮擋時，任務規(guī)劃軟件自動基于數(shù)字地形模型（DTM）的地理信息系統(tǒng)（GIS）獲取地形遮擋物的海拔高度，以及遮擋物最高點與地面控制站布站點之間的距離，從而算出地形遮擋物仰角，進而確定視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角。

飛行試驗與計算結果

2021年7月，AR-500無人直升機在內(nèi)蒙古自治區(qū)的阿榮旗通用機場完成飛行試驗。在最遠航點處，AR-500無人直升機在海拔高度2949m飛行，與地面控制站布站點之間的距離為100km。在飛行過程中，無人直升機上下行數(shù)據(jù)鏈鎖定正常且無誤碼。

地面控制站布站點的海拔高度h1′為275m，地面控制站天線的高度h1約為3m。山體1海拔高度約535m，與地面控制站布站點之間的距離L1約為13.7km。山體2海拔高度約425m，與地面控制站布站點之間的距離L2約為11.1km。無人直升機部分飛行航線如圖7所示。

綜上所述，無人直升機的數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ應大于所有遮擋物的最大仰角φmax。因此，仰角θ不小于1.074°。在此次試驗中，當無線電視距S0為100km時，數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ約1.08°，飛行監(jiān)控軟件界面顯示的部分參數(shù)如表1所述。

根據(jù)通視計算公式（2），無人直升機飛行高度h2應為2672m。公式（4）計算得出，無人直升機飛行的海拔高度h2′應為2947m，與飛行監(jiān)控軟件界面顯示的無人直升機實際飛行的海拔高度相差2m，誤差值在允許范圍內(nèi)。

結論

本文建立了地形、地物等遮擋物影響下的視距數(shù)據(jù)鏈通視模型，研究了無人直升機視距數(shù)據(jù)鏈通視算法。此算法能較好解決地面控制站布站點附近地形、地物等遮擋物影響視距數(shù)據(jù)鏈通視的問題，同時提高任務規(guī)劃軟件進行數(shù)據(jù)鏈通視計算的效率。

當完成地面控制站部署后，操控員利用任務規(guī)劃軟件對無人直升機的任務進行規(guī)劃，根據(jù)地面控制站布站點附近遮擋物的分布情況及仰角，運用本文提出的通視計算與分析策略，完成無人直升機航點通視計算與分析，合理規(guī)劃無人直升機飛行航線，避免了通信受遮擋而中斷的問題。

AR-500無人直升機的飛行試驗表明，本文提出的數(shù)據(jù)鏈通視模型理論簡單可行，實用性好，可以滿足無人直升機飛行航點的數(shù)據(jù)鏈通視分析需求，適用于低空飛行的無人直升機任務規(guī)劃軟件。