一種無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈通視分析方法

戴善溪， 陳 文， 王 浩， 王 爽

(彩虹無人機(jī)科技有限公司，北京 100074)

當(dāng)前，各國高度重視軍用無人裝備的發(fā)展，力圖搶占科技制高點，以期達(dá)到不戰(zhàn)而屈人之兵的目的。情報信息的及時傳遞和處理是軍事行動順利開展的必要條件，中大型無人機(jī)先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用視距(Line of Sight,LOS)和衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，兼顧高速可靠傳輸和廣域覆蓋的應(yīng)用特點[1-4]。

電磁波覆蓋范圍是通信覆蓋范圍和雷達(dá)探測范圍等分析的基礎(chǔ)，不但受地球球面和大氣折射的影響，而且與地形遮蔽密切相關(guān)。采用等效地球半徑的方式，簡化了工程計算，將由于大氣折射而彎曲的無線電波射線等效為直線，即在一定的條件下，將實際地球半徑用某種等效的地球半徑替代，從而使大氣等效為均勻[5]。

傳統(tǒng)通視分析方法是在地形平緩地帶，采取僅考慮地球曲率因素的方法，且較為適用；若在多山地區(qū)，需要結(jié)合地形起伏因素，采用粗略制定飛行航跡，對航路點逐個分析的方法[6]。逐個采樣的數(shù)據(jù)較易出現(xiàn)疏漏且準(zhǔn)確度不足，通過人工赴重要點位進(jìn)行實地踏勘作為補(bǔ)充手段可提高準(zhǔn)確度但效率低[7-9]。

本文提出一種無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈通視分析方法，基于Global Mapper軟件[10]，利用地理信息數(shù)據(jù)，有針對性地分析不同高度、大范圍的通視區(qū)域，對重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效、自動化詳細(xì)分析，結(jié)合任務(wù)需求列出飛行限制條件，協(xié)助完成飛行和任務(wù)規(guī)劃的工作，提升傳統(tǒng)分析方法的準(zhǔn)確性和效率。

1 基本原理

僅考慮地球曲率因素，將地球簡化為光滑規(guī)則球體模型[11]，如圖1所示。為計算兩點之間最大通視范圍，設(shè)視距地面數(shù)據(jù)終端位于A點，無人機(jī)位于B點，最大通視條件下，A點和B點之間連線與地表相切于C點，視距地面數(shù)據(jù)終端到無人機(jī)的距離為直線AB長度。

圖1 僅考慮地球曲率因素的分析模型

計算過程使用平均地球半徑，即R為6371 km。視距地面數(shù)據(jù)終端天線離地高度h1簡化取值為4 m。因為地球半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h1和飛機(jī)離地高度h2，經(jīng)過勾股定理推導(dǎo)并略去遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計算結(jié)果的過程變量即可得出通視分析公式為

(1)

式中：d為視距地面數(shù)據(jù)終端到無人機(jī)的距離(km)；h1為天線離地高度；h2為飛機(jī)離地高度。

實際應(yīng)用中，大氣折射對無線電電波傳輸?shù)耐ㄒ暰嚯x具有顯著影響。為簡化工程應(yīng)用模型，提高迭代計算效率，在標(biāo)準(zhǔn)大氣下，取等效地球半徑系數(shù)α為實際的4/3倍，等效地球半徑為8500 km[1]，因此得出通視分析公式為

(2)

式(2)為基礎(chǔ)的分析公式，代入地理信息系統(tǒng)中位置、高程等數(shù)據(jù)，設(shè)定坐標(biāo)采樣間隔，通過軟件由點及面的計算，將地表起伏因素納入分析，即可形成符合實際地理條件的通視區(qū)域[5-6]。

2 軟件分析方法

2.1 軟件介紹

Global Mapper 是一款地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序，提供各種地圖或空間數(shù)據(jù)集的訪問，內(nèi)置了距離和面積計算高程查詢和通視計算等功能，具有三維方式查看高程地圖的功能[10]。本文提出的基于Global Mapper視距數(shù)據(jù)鏈通視分析方法[12]，利用豐富的地理信息數(shù)據(jù)和視線分析等工具，適用于預(yù)先飛行和任務(wù)規(guī)劃的工作。

2.2 軟件分析流程

無人機(jī)系統(tǒng)通視分析步驟包括：首先，明確起飛機(jī)場和任務(wù)空域條件，可據(jù)此制定起降航跡；其次，明確任務(wù)區(qū)域、禁飛空域邊界等頂層條件；然后，結(jié)合飛行器能力，響應(yīng)限時到達(dá)指定空域、緊急避讓空域、惡劣氣象區(qū)、應(yīng)急返航航線等輸入條件；最后，通過調(diào)整無人機(jī)飛行高度、優(yōu)化每條航線設(shè)計和初選在線航路等，迭代驗證在最佳通視工況下工作，也可重點針對局部區(qū)域開展詳細(xì)的三維地形分析，避開氣象不佳等不利區(qū)域，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)系統(tǒng)通視分析流程圖

3 試驗結(jié)果分析

當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)所需的場地、供電和信號接入等系統(tǒng)部署條件明確后，即可在起降機(jī)場或任務(wù)控制區(qū)域初步完成指揮控制站和地面數(shù)據(jù)終端的場址部署[13]。

當(dāng)飛行空域和任務(wù)區(qū)域劃分明確后，可針對飛行和偵察任務(wù)開展預(yù)設(shè)航跡規(guī)劃。

3.1 分析方法

3.1.1 視距數(shù)據(jù)鏈無線電通視區(qū)域分析

本文以多山的某地區(qū)為應(yīng)用場景，設(shè)定起降機(jī)場，并在起降機(jī)場部署視距地面數(shù)據(jù)終端和指揮控制站，簡稱起降地面站，在海拔3570 m處完成飛行起降和視距范圍內(nèi)的偵察任務(wù)[14]。由于起降機(jī)場的通視條件限制，在任務(wù)前沿區(qū)域設(shè)置用于任務(wù)的視距地面數(shù)據(jù)終端和指揮控制站，簡稱任務(wù)地面站，在海拔4350 m處利用通視有力條件對任務(wù)區(qū)域進(jìn)行飛行控制及偵察。

在任務(wù)需求初步明確的情況下，根據(jù)式(1)和式(2)計算出不同飛行高度下地面站與無人機(jī)之間的理論通視距離，包括無大氣折射因素和含大氣折射因素兩類數(shù)據(jù)，按最低離地高度500 m計算，理論通視距離均超過87 km。通過Global Mapper軟件通視分析迭代，得出了在無人機(jī)海拔高度5000 m條件下，分別以起降地面站和任務(wù)地面站為中心的100 km范圍內(nèi)的通視覆蓋情況[10]。

表1為不同飛行高度理論通視距離。對比無人機(jī)在同等海拔高度下理論通視距離，兩個地面站在多個空域方向均由于地表起伏而顯著縮短了通視距離，在兩側(cè)山體方向甚至不足15 km，如圖3箭頭處。

表1 不同飛行高度理論通視距離

起降地面站和任務(wù)地面站通視區(qū)域有重疊并相互彌補(bǔ)，在通視交疊區(qū)設(shè)置飛行控制權(quán)交接區(qū)，可協(xié)同配合完成既定任務(wù)[15]，經(jīng)過與多個架次實際飛行驗證，符合度較高，有效避開飛行盲區(qū)，保證了飛行安全，如圖3所示。

根據(jù)無人機(jī)與地面站的通視情況，也可進(jìn)行兩點之間的通視分析，進(jìn)而根據(jù)信號遮蔽位置進(jìn)行航線的高度和航向等飛行策略調(diào)整，如圖4所示。

可針對感興趣區(qū)域進(jìn)行重點局部詳細(xì)分析，以三維視角識別山峰和峽谷等地表起伏，識別障礙、亂流等潛在風(fēng)險區(qū)，如圖5所示。

圖3 起降地面站和任務(wù)地面站通視區(qū)分析

圖4 兩點之間通視分析

圖5 局部三維視角分析

3.1.2 任務(wù)區(qū)域載荷對地偵察區(qū)域分析

在前沿任務(wù)區(qū)，為適應(yīng)光電載荷、通信中繼[16]、合成孔徑雷達(dá)等任務(wù)載荷對偵察區(qū)域不同飛行高度需求，應(yīng)識別無人機(jī)載荷對地偵察盲區(qū)，優(yōu)化詳查航線，避免浪費(fèi)任務(wù)航時。確有需要的偵察盲區(qū)，需采取抵近偵察等方式對重點區(qū)域進(jìn)行詳察，如圖6所示。

經(jīng)實際驗證，在飛行高度差異顯著的多山地區(qū)，雷達(dá)和光電等任務(wù)載荷對地偵察的通視范圍不同，低空飛行尤其須關(guān)注偵察通視區(qū)域變化[5]，如圖7所示。

在航空物探、航空測繪和電力巡線等特殊行業(yè)應(yīng)用中[17]，為提升載荷數(shù)據(jù)采集精度，需要沿地表起伏超低空飛行，除通視分析外，無人機(jī)地形跟隨安全飛行成為迫切需求，利用Global Mapper軟件[10]的高度剖面分析功能，可制定地形精準(zhǔn)匹配的航線，如圖8所示。

圖6 對地偵察區(qū)域分析流程圖

圖7 不同飛行高度空地通視區(qū)分析

圖8 航線起伏分析

3.2 分析方法與實際需求的差距

無人機(jī)視距通視分析在工程應(yīng)用中為最佳任務(wù)航跡的制定提供了有力支持，給出飛行安全區(qū)域判定依據(jù)，在多山地區(qū)、異地起降任務(wù)構(gòu)型中[18]得到充分驗證。

在通視條件的約束下，無人機(jī)系統(tǒng)可采取多個視距地面數(shù)據(jù)終端以地面接力控制方式補(bǔ)齊盲區(qū)短板，也可配備衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行無人機(jī)超視距控制，延伸作用距離，同時要注意衛(wèi)通帶寬受限和傳輸延時等因素。

無線電通視分析是因素多樣的系統(tǒng)工程。全球的地理信息數(shù)據(jù)一般基于衛(wèi)星遙感和航空遙感采集，坐標(biāo)信息和數(shù)字高程信息的分辨率和實時性更新不足，局部區(qū)域尤其是近距離小范圍區(qū)域的通視分析與預(yù)期結(jié)果相差偏大。例如，視距地面數(shù)據(jù)終端附近的建筑和植被等對地面天線的遮擋具有顯著影響，且地表的建筑、植被、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施是動態(tài)變化的，通視分析還需統(tǒng)籌考慮，并留有設(shè)計余量[13]。

無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、吊艙掛架等外掛物隨無人機(jī)飛行姿態(tài)、航向變化可能產(chǎn)生對機(jī)載天線遮擋[16]，須結(jié)合天線布局、飛機(jī)數(shù)字模型和應(yīng)用場景等開展天線方向圖等分析。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈通視分析方法存在模型單一、準(zhǔn)確度不足和效率偏低問題。本文提出的無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈通視分析方法，綜合考慮地球曲率、大氣折射和地表起伏綜合因素，適用于大范圍和精準(zhǔn)化分析，為飛行任務(wù)航跡的制定提供了支持，還可推廣至任務(wù)載荷對地偵察分析、航線起伏分析等方面。經(jīng)過實際檢驗，本方法快速高效、符合度高，特別適合于視距數(shù)據(jù)鏈在高原和山區(qū)等地形地貌復(fù)雜區(qū)域的應(yīng)用。