一种无人机视距数据链通视分析方法_戴善溪.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 2 期数据采集与处理收稿日期:2022 01 22引用格式:戴善溪，陈文，王浩，等 一种无人机视距数据链通视分析方法 J 测控技术，2023，42(2):94 98DAI S X，CHEN W，WANG H，et al Intervisibility Analysis Method of UAV LOS Data Link J Measurement Control Technol-ogy，2023，42(2):94 98一种无人机视距数据链通视分析方法戴善溪*，陈文，王浩，王爽(彩虹无人机科技有限公司，北京100074)摘要:中大型无人机系统具有良好的航程航时性能，其配备的视距数据链的理论作用距离通常可达数百公里，但受限于无线电通视条件，实际作用距离变化显著，影响飞行控制操作和任务完成度。提出了一种无人机视距数据链通视分析方法，利用 Global Mapper 软件基于地理信息系统(GIS)处理能力，分析在不同飞行高度下的视距地面数据终端与无人机的通视区域，可推广至无人机载荷对地侦察任务区域分析，协助预先和在线进行飞行任务航迹规划，确定空域限制条件。经过实际检验，证明本方法快速高效、符合度高，特别适用于无人机执飞高原和山区等地形地貌复杂区域。关键词:无人机;视距数据链;地理信息;通视分析中图分类号:V279+2文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0094 05doi:10 19708/j ckjs 2023 02 016Intervisibility Analysis Method of UAV LOS Data LinkDAI Shan-xi*，CHEN Wen，WANG Hao，WANG Shuang(Caihong UAV Technology Co，Ltd，Beijing 100074，China)Abstract:The medium and large UAV system has good range and endurance performance The theoretical op-erating distance of the line of sight(LOS)data link equipped with it can usually reach hundreds of kilometersHowever，due to the wireless communication conditions，the actual operating distance changes significantly，which affects the flight control operation and mission completion A LOS analysis method of UAV LOS data linkis proposed，which uses Global Mapper software to analyze the LOS area between ground data terminal andUAV at different flight altitudes based on the processing ability of geographic information system(GIS)，whichcan be extended to the analysis of UAV payload ground reconnaissance mission area，assist in flight missionpath planning in advance and online，and determine airspace constraints The practical test shows that thismethod is fast，efficient and has high consistency，which is especially suitable for UAV flying in plateau，moun-tainous area and other areas with complex terrain and landformKey words:UAV;LOS data-link;GIS;visibility analysis当前，各国高度重视军用无人装备的发展，力图抢占科技制高点，以期达到不战而屈人之兵的目的。情报信息的及时传递和处理是军事行动顺利开展的必要条件，中大型无人机先进的数据传输系统采用视距(Line of Sight，LOS)和卫通数据链系统，兼顾高速可靠传输和广域覆盖的应用特点1 4。电磁波覆盖范围是通信覆盖范围和雷达探测范围等分析的基础，不但受地球球面和大气折射的影响，而且与地形遮蔽密切相关。采用等效地球半径的方式，简化了工程计算，将由于大气折射而弯曲的无线电波射线等效为直线，即在一定的条件下，将实际地球半径用某种等效的地球半径替代，从而使大气等效为均匀 5。传统通视分析方法是在地形平缓地带，采取仅考虑地球曲率因素的方法，且较为适用;若在多山地区，49需要结合地形起伏因素，采用粗略制定飞行航迹，对航路点逐个分析的方法6。逐个采样的数据较易出现疏漏且准确度不足，通过人工赴重要点位进行实地踏勘作为补充手段可提高准确度但效率低7 9。本文提出一种无人机视距数据链通视分析方法，基于 Global Mapper 软件10，利用地理信息数据，有针对性地分析不同高度、大范围的通视区域，对重点区域实现高效、自动化详细分析，结合任务需求列出飞行限制条件，协助完成飞行和任务规划的工作，提升传统分析方法的准确性和效率。1基本原理仅考虑地球曲率因素，将地球简化为光滑规则球体模型 11，如图1 所示。为计算两点之间最大通视范围，设视距地面数据终端位于 A 点，无人机位于 B 点，最大通视条件下，A 点和 B 点之间连线与地表相切于 C点，视距地面数据终端到无人机的距离为直线 AB 长度。图 1仅考虑地球曲率因素的分析模型计算过程使用平均地球半径，即 为 6371 km。视距地面数据终端天线离地高度 h1简化取值为 4 m。因为地球半径 远远大于 h1和飞机离地高度 h2，经过勾股定理推导并略去远远小于计算结果的过程变量即可得出通视分析公式为d=3 57(h1+h2)(1)式中:d 为视距地面数据终端到无人机的距离(km);h1为天线离地高度;h2为飞机离地高度。实际应用中，大气折射对无线电电波传输的通视距离具有显著影响。为简化工程应用模型，提高迭代计算效率，在标准大气下，取等效地球半径系数 为实际的 4/3 倍，等效地球半径为 8500 km1，因此得出通视分析公式为d=4 12(h1+h2)(2)式(2)为基础的分析公式，代入地理信息系统中位置、高程等数据，设定坐标采样间隔，通过软件由点及面的计算，将地表起伏因素纳入分析，即可形成符合实际地理条件的通视区域5 6。2软件分析方法2 1软件介绍Global Mapper 是一款地理信息系统数据处理应用程序，提供各种地图或空间数据集的访问，内置了距离和面积计算高程查询和通视计算等功能，具有三维方式查看高程地图的功能10。本文提出的基于 Glob-al Mapper 视距数据链通视分析方法12，利用丰富的地理信息数据和视线分析等工具，适用于预先飞行和任务规划的工作。2 2软件分析流程无人机系统通视分析步骤包括:首先，明确起飞机场和任务空域条件，可据此制定起降航迹;其次，明确任务区域、禁飞空域边界等顶层条件;然后，结合飞行器能力，响应限时到达指定空域、紧急避让空域、恶劣气象区、应急返航航线等输入条件;最后，通过调整无人机飞行高度、优化每条航线设计和初选在线航路等，迭代验证在最佳通视工况下工作，也可重点针对局部区域开展详细的三维地形分析，避开气象不佳等不利区域，如图 2 所示。图 2无人机系统通视分析流程图3试验结果分析当无人机系统所需的场地、供电和信号接入等59一种无人机视距数据链通视分析方法系统部署条件明确后，即可在起降机场或任务控制区域初步完成指挥控制站和地面数据终端的场址部署13。当飞行空域和任务区域划分明确后，可针对飞行和侦察任务开展预设航迹规划。3 1分析方法3 1 1视距数据链无线电通视区域分析本文以多山的某地区为应用场景，设定起降机场，并在起降机场部署视距地面数据终端和指挥控制站，简称起降地面站，在海拔 3570 m 处完成飞行起降和视距范围内的侦察任务14。由于起降机场的通视条件限制，在任务前沿区域设置用于任务的视距地面数据终端和指挥控制站，简称任务地面站，在海拔 4350 m处利用通视有力条件对任务区域进行飞行控制及侦察。在任务需求初步明确的情况下，根据式(1)和式(2)计算出不同飞行高度下地面站与无人机之间的理论通视距离，包括无大气折射因素和含大气折射因素两类数据，按最低离地高度 500 m 计算，理论通视距离均超过 87 km。通过 Global Mapper 软件通视分析迭代，得出了在无人机海拔高度 5000 m 条件下，分别以起降地面站和任务地面站为中心的 100 km 范围内的通视覆盖情况10。表 1 为不同飞行高度理论通视距离。对比无人机在同等海拔高度下理论通视距离，两个地面站在多个空域方向均由于地表起伏而显著缩短了通视距离，在两侧山体方向甚至不足 15 km，如图 3 箭头处。表 1不同飞行高度理论通视距离h/md/km(无大气折射)d/km(含大气折射)500871001000120139150015316830002032345000260300起降地面站和任务地面站通视区域有重叠并相互弥补，在通视交叠区设置飞行控制权交接区，可协同配合完成既定任务15，经过与多个架次实际飞行验证，符合度较高，有效避开飞行盲区，保证了飞行安全，如图 3 所示。根据无人机与地面站的通视情况，也可进行两点之间的通视分析，进而根据信号遮蔽位置进行航线的高度和航向等飞行策略调整，如图 4 所示。可针对感兴趣区域进行重点局部详细分析，以三维视角识别山峰和峡谷等地表起伏，识别障碍、乱流等潜在风险区，如图 5 所示。图 3起降地面站和任务地面站通视区分析图 4两点之间通视分析图 5局部三维视角分析3 1 2任务区域载荷对地侦察区域分析在前沿任务区，为适应光电载荷、通信中继16、合成孔径雷达等任务载荷对侦察区域不同飞行高度需求，应识别无人机载荷对地侦察盲区，优化详查航线，避免浪费任务航时。确有需要的侦察盲区，需采取抵近侦察等方式对重点区域进行详察，如图 6 所示。经实际验证，在飞行高度差异显著的多山地区，雷达和光电等任务载荷对地侦察的通视范围不同，低空飞行尤其须关注侦察通视区域变化5，如图 7所示。在航空物探、航空测绘和电力巡线等特殊行业应用中17，为提升载荷数据采集精度，需要沿地表起伏超低空飞行，除通视分析外，无人机地形跟随安全飞行成为迫切需求，利用 Global Mapper 软件10 的高度剖面分析功能，可制定地形精准匹配的航线，如图 8 所示。69测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期图 6对地侦察区域分析流程图图 7不同飞行高度空地通视区分析图 8航线起伏分析3 2分析方法与实际需求的差距无人机视距通视分析在工程应用中为最佳任务航迹的制定提供了有力支持，给出飞行安全区域判定依据，在多山地区、异地起降任务构型中18 得到充分验证。在通视条件的约束下，无人机系统可采取多个视距地面数据终端以地面接力控制方式补齐盲区短板，也可配备卫星数据链进行无人机超视距控制，延伸作用距离，同时要注意卫通带宽受限和传输延时等因素。无线电通视分析是因素多样的系统工程。全球的地理信息数据一般基于卫星遥感和航空遥感采集，坐标信息和数字高程信息的分辨率和实时性更新不足，局部区域尤其是近距离小范围区域的通视分析与预期结果相差偏大。例如，视距地面数据