基于GIS 的无人机超低空飞行航线规划方法

2020-12-26马德友

火力与指挥控制 2020年11期

徐明，宋明，马德友

（解放军63850 部队，吉林白城 137001）

0 引言

从20 世纪80 年代初的英阿马岛战争、20 世纪90 年代初的海湾战争和北约对南联盟的轰炸看出，利用地形遮蔽作用，在敌防御系统盲区内低空或超低空飞行，可有效突破敌方防御系统，达到突防目的［1-3］。超低空突防模式对现代战争发挥了重要作用，对未来的防空体系与武器系统的发展产生了重要影响，因此，世界各主要军事强国针对超低空突防战术和技术研究经久不衰［4-6］。但是，无人机对于超低空目标的模拟仍处于较低水平，国内现有高速无人机超低空飞行主要采用相对某一基准高度定高飞行模式，这种模式地形匹配效果差，在强起伏地势航段飞行安全隐患大。

本文基于某型亚声速无人机开展超低空飞行方法研究，在不改变该型无人机飞行性能的前提下，采用基于GIS 对无人机超低空飞行航线进行设计，仿真结果表明，无人机超低空飞行航迹能够更好地跟踪地形起伏，有效提高超低空目标模拟能力。

1 规划区域GIS 模型构建

利用GIS 进行航线规划需获取规划区域地理信息，即生成规划区域数字地图。采用NASA 提供的DEM（Digital Enhanced Model，数字高程模型），在Arcgis10.0 平台上进行格式转换、截取和合成，在飞行区域构建超低空飞行区域三维地理信息模型。DEM 高程模型是以各省行政界划分，由于飞行区域处于内蒙古自治区内，所以需在内蒙古数字高程模型中提取地形数据，生成具有经度、纬度和高程信息的三维地形文件［7］，航路规划范围确定具体如下：1）功能：生成可视化地形文件，用于规划航路；2）输入：地形数据（大致范围40 km×60 km，包括经度、纬度和高度）；3）过程：根据DEM 高程模型提取地形数据，生成具有经度、纬度和高度信息的三维地形文件；4）输出：三维地形，在软件中可以通过鼠标和键盘漫游。

2 航线最优化选择

2.1 超低空航线最优化选择

超低空飞行试验目的主要检验雷达在地杂波背景条件下对超低空目标的搜索、探测和跟踪能力。这类试验要求航线正下方投影地形尽可能平坦，因为平坦地形对雷达信号遮挡小，是考核地杂波影响的理想条件。飞行区域地形整体较平坦，但是各个区域平缓程度各不相同，需要在给定约束条件下，在飞行区域选择出起伏最平缓的超低空飞行航路，这既是超低空飞行试验考核科目的要求，又是超低空飞行试验无人机安全飞行测控的要求。无人机在飞行区域的地理坐标是已知的，航路捷径、航路长度、退出点与雷达距离等根据无人机特点和试验科目不同而各不相同，作为待定的约束条件，在获得已知条件和约束条件参数后，即可通过优选原则，对超低空航线进行最优化选择，本文采用均方差最小优选原则进行筛选。

最优化选择的过程为：首先，输入约束条件参数。包括航路长度、航路捷径、退出点与雷达距离，其中，雷达位置是明确数值。其次，基于碰撞检测原则筛选出可选航线。从航线0°开始，每5°拟选一条航线，碰撞检测即根据约束条件参数和无人机飞行高度生成超低空航线，航线上各个点与雷达点进行碰撞检测，当两点之间出现不通视的碰撞点时，该航线为不合理航线，将其剔除，保留剩余初选航线。最后，按平缓度顺序列出优选航线。逐条计算各初选航线的均方差之和，包括初选航线、该航线左侧50 m 和100 m 平行航线、右侧50 m 和100 m 平行航线，共5 条航线在地面上投影地形高度的均方差之和［8］，均方差之和最小即为最平缓航线。

在初选航线左、右两侧各选择两条平行航线参与优选计算的目的，是为了确保无人机飞行航线具有一定宽度。实际飞行过程中，由于GPS 定位误差、无人机水平控制误差和气流扰动等因素影响，无人机飞行航迹与理论设定航线存在一定偏差，因此，仅优选的单一航线满足最佳平缓度要求是不够的，需水平宽度为200 m 的一条航线最平缓才可以满足实际超低空飞行要求，超低空航线最优化选择计算过程如图1 所示。

图1 超低空航线最优化选择计算过程

2.2 地形高度数据提取

航线投影地形数据是无人机超低空飞行高度纵向飞行控制的目标航线，在获取超低空最优航线起止坐标后，根据DEM 模型［9］精度在最优航线上等间距差值，获取航线上各点经纬度坐标。在DEM模型中，确定各投影点所在的经度区间和纬度区间，在4 个区间点中，计算距离该投影点最近的点，该点对应的高度值即作为该投影点的高度。按照上述提出方法，对2.1 中选择的最优化航路投影地形进行提取，得到的地形高度曲线如图2 所示。

图2 航线投影地形高度曲线

3 地形匹配与仿真分析

无人机采用离线规划三维程控跟随法，即预先将航线关键点的经度、纬度和高度参数发送至无人机飞控系统，飞行过程中，无人机根据当前GPS 定位的经、纬度参数和高度传感器采集的高度参数，按照一定的控制率逐渐逼近目标航点坐标。以超低空直线飞行为例，在水平横向上，无人机对正任务航线后，只需保持固定航向飞向航线终点即可；而在高度纵向上，无人机需根据地形的起伏规律做机动飞行，使飞行航迹尽可能与地形跟随。

3.1 地形匹配航点设计

地形匹配航点设计需兼顾两方面原则，一是引导无人机使其飞行高度航迹尽可能与航线投影地形特征接近；二是无人机自身机动过载能力满足机动过载要求。以2.2 航线投影地形为例，原始地形高程起伏剧烈，无人机过载无法满足大机动航线跟随要求。对原始高程数据取上包络特征点，再利用离散的特征点进行线性插值，获取原始高程曲线的上包络平滑曲线，既减少地形剧烈起伏区域，又保留地形上包络关键起伏特征。

3.2 仿真分析

将上包络平滑高程曲线定义为目标地形，将地形高程上包络平滑特征点定义为二维矩阵IN，该矩阵包括距离和高程两个向量，将该矩阵作为程控给定航点输入至无人机纵向控制数值仿真模型，可以得到其对应的纵向仿真航迹矩阵OU，目标地形与初始仿真航迹对比如图3 所示。从图3（a）、图3（b）可以看出，初始仿真航迹与目标地形两者整体趋势一致，但是部分航段并不一致，仿真航迹没有较好地跟随目标地形。在同一坐标系下求两条非线性曲线的相似程度有很多种方法，通过调整IN 矩阵特征点，可以使仿真航迹与目标地形达到满意的程度，模拟飞行航迹高度与目标地形高度最大偏差小于15 m 如图3（c）所示。