高精度、全局優化的無人機Bingo航跡導航系統

(沈陽飛機設計研究所,沈陽 110035)

0 引言

Bingo航跡導航系統的主要作用有兩個：一是用以提醒飛行員剩余油量僅供支持飛機返航，二是指引飛機按照最優軌跡進行返航。傳統的有人機Bingo航跡導航系統通常安裝在飛機上的飛管系統中，受機上計算資源約束，只能存儲飛機不同狀態點的飛行性能插值表，軌跡優化計算時只對單一飛行階段(爬升、巡航、下滑)進行尋優，飛行員按照優化的結果進行飛行。傳統的有人機Bingo航跡導航系統特點使得其計算結果非全局最優結果；當考慮多種構型、全要素時，數據將呈幾何級數的增長；并且必須人在環，無法完成自主飛行。隨著大型無人機的發展，飛機的續航能力不斷增強，傳統的Bingo航跡導航系統采用的局部優化算法已經無法滿足無人機對高續航能力的需求；無人機平臺與發動機的設計更加精密，傳統的Bingo航跡導航系統無法滿足Bingo航跡導航高精度的計算要求。

為提高Bingo航跡導航系統計算精度和優化效果，2005年，Ariel Dvorjetski[1]提出了一種Bingo航跡算法，采用完整的飛機和發動機模型對Bingo航跡導航進行解算，并應用于以色列空軍的不同飛機型號中。國內發表的公開論文對飛行剖面優化相關方面進行了大量研究。文獻[2-5]針對不同類型有人機采用能量狀態法簡化飛機質點運動方程，并采用龐特里亞金最大值原理完成飛行航跡的優化，得到整個飛行過程的全局最優解，尚無針對大型無人機Bingo航跡導航系統的研究。

本文作者針對大型無人機特點，設計了一種高精度、全局優化的無人機Bingo航跡導航系統。將傳統的機上計算改為地面控制站計算，其中硬件部分主要由數據傳輸鏈路、存儲和解算計算機、顯示器組成，軟件部分包括了實時狀態與任務航線數據的存儲與讀取，軌跡優化、解算等模塊。通過對無人機實時狀態數據與任務航線數據庫的讀取與訪問，實現飛機狀態管理；通過飛機高度、速度的優化；實現飛機軌跡點的全局最優選擇；通過結合整個飛行優化軌跡的油量與距離的解算，完成飛機整個Bingo航跡導航的計算與控制。

1 Bingo航跡導航系統結構設計

Bingo航跡導航系統主要由航線數據/飛機平臺參數采集和傳輸單元、Bingo航跡優化與解算單元、人機交互單元組成，各組成單元依賴多種通信手段進行數據傳輸。航線數據/飛機平臺參數采集和傳輸單元主要具備系統初始化、自檢，數據采集與傳輸，實時數據記錄等功能；Bingo航跡優化與解算單元主要實現航路信息解算、航跡狀態優化等功能；人機交互單元主要實現Bingo返航提醒以及返航航跡顯示等功能。

系統的中間件和平臺軟件結構主要分為4個層次：系統綜合通信層、數據綜合處理層、軟件功能邏輯層和應用顯控層，并在輸出終端通實現視覺和聽覺的綜合狀態輸出。地面控制站通過衛通/視距鏈路飛機遙控/遙測數據的傳輸，地面控制站加載的航線數據通過站內實時總線(千兆網)分布式存儲于地面控制站的各使用節點。地面控制站站內的數據通信通過內部實時總線完成，傳輸機制采用分布式實時通信中間件(DDS)，實現各個重要節點的數據傳輸。Bingo航跡導航系統作為地面控制站的一個重要計算模塊，通過DDS進行站內數據的實時傳輸。根據上述架構分析，得到系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構構架

根據圖1所示的總體設計架構進行Bingo航跡導航的模塊化設計。在最小功能模塊劃分主要分為數據采集模塊、航線庫查詢模塊、數據傳輸模塊、接口模塊、解算與優化模塊，得到Bingo航跡導航的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 無人機Bingo航跡導航系統模塊組成

2 系統模塊化設計與實現

2.1 數據的采集與讀取

Bingo航跡導航系統計算所用數據主要分為兩部分：無人機飛行參數(飛機所在位置經緯度、高度、飛機油量等)和航線數據。

飛行參數從實時總線上獲取，每隔20ms飛行數據采集模塊從總線上采集飛行參數。

無人機航線數據分布式存儲在地面控制站內各計算節點。根據飛行參數中當前目標航線、航點ID，查詢主航線以及返航航線的目標航線、航點對應的航點屬性包括經度、緯度、巡航方式、航段類型、航線類型、航線指針以及航點指針等。

2.2 數據傳輸與校驗

飛行參數數據存儲于機載設備。飛行參數數據首先由機載設備傳輸至鏈路機載端機，與其它信息共同組成下行遙測復合幀。下行遙測復合幀包括遙測信息、圖像信息、載荷數據等信息，具體格式由鏈路傳輸層確定，保證在一個復合幀內可以傳輸4個遙測信息幀，然后通過衛通/視距鏈路傳輸至地面鏈路終端的綜合數據處理單元。綜合數據處理單元對鏈路下行的遙測信息進行協議轉換，通過DDS中間件向站內發布，計算節點按需訂閱數據。同時，綜合數據處理單元訂閱各節點發布的上行數據，并進行協議轉換。Bingo航跡導航系統作為用戶之一，利用中間件從實時總線訂閱或發布數據。每一個消息內部，均使用交互式消息格式USOA消息，USOA為無人系統開發架構協議。使用USOA交互標準消息的優點有：消息按最小通信節點投遞，具備廣域擴展能力與良好的通用性；消息具有握手機制、優先級序列、連續幀屬性定義等。地空交互的所有數據需要加入CRC校驗，校驗范圍為完整的USOA消息，校驗字附加在USOA消息之后。

2.3 數據的優化與解算

2.3.1 航路信息解算

無人機Bingo航跡導航系統與傳統有人機Bingo航跡導航系統均是對返航過程中的高度、速度進行尋優；不同的是，由于沒有飛行員操縱，無人機須按照預先規劃的航線方向進行導航。在計算過程中，通過航路信息解算來完成每個航段間的距離解算。

飛機根據飛行參數數據獲取飛機當前所在位置的經度、緯度高度、飛機油量、目標航線、目標航點等信息。并根據目標航線、目標航點從航線數據中查詢下一點的位置信息(經度、緯度、高度)。航路信息解算是通過飛機所在位置的經緯度和目標點的經緯度，計算所在位置距目標航點的水平距離以及方向。在解算過程中，需考慮航線/航點的屬性問題，例如航段類型(直線航段、圓弧航段等)，航點類型(一般點、盤降點等)。相同經緯度航點之間，不同航線/航點屬性計算出的距離差異很大。

2.3.2 航跡優化方法

Bingo航跡導航問題是已知飛行距離(當前位置到目標機場，已通過航路信息解算求得)，在飛行條件限制(氣動、發動機推力、舵面使用等限制)的約束下，求解整個飛行過程(爬升-巡航-下滑)最省油飛行剖面的問題。

飛行動力學方程為：

(1)

哈密爾頓函數為[9-10]：

(2)

(3)

根據龐特里亞金最大值原理為了使目標函數最大，經過推導得[2]：

(4)

π=πmax

(5)

巡航段：

(6)

T=D

(7)

下滑段：

(8)

π=πmin

(9)

其中:T為飛機推力，D為飛機阻力，v為飛機真空速，π為發動機油門位置，σ為發動機耗油率。

根據上述推導，飛機總飛行距離是由爬升段、巡航段與下滑段組成。航跡優化首先對巡航段航跡進行優化，即在巡航飛行條件的約束下，確定使巡航段航程達到最大的最優巡航參數，包括飛機的飛行高度、馬赫數、以及與之相對應的飛行迎角、舵面偏度及發動機推力等。在飛機載油量一定的情況下，巡航段航程由飛機的千米耗油量決定。巡航段航跡優化的目的是使飛機始終處于千米耗油量最小的巡航狀態。爬升段是飛機能量由爬升初始時刻等效能量遞增到巡航狀態等效能量的過程，下滑過程段飛機能量是由巡航狀態等效能量遞減到下滑最終時刻等效能量的過程。在爬升段與下滑段，飛機獲得一定的爬升與下滑飛行距離，同時也使飛機在巡航段的可用燃油減少，從而損失一定巡航飛行距離。因此，爬升段和下滑段的航跡優化是利用變分法和龐特利亞金最大值原理，使爬升段與下滑段獲得的距離與損失的巡航距離之差都達到最大。

2.3.3 返航邏輯判斷

獲得優化的高度、速度以及距目標航點的距離后，利用飛機運動方程解算從當前位置到達目標點的油量和時間，計算所有航段之間的油量和時間之和，求得剩余航線的所需油量。獲得所需油量后判斷是否返航。若飛機機內余油大于所需油量(返航航程計算用油量加上儲備油量)[6]，視為油量充足；若飛機機內余油小于所需油量，則由無人機指揮員決策是否立即改航到返航航線。儲備油量主要考慮兩部分：一是等待燃油，指以等待速度在目的地機場跑道上空500米(或指定高度)，在標準溫度條件下飛行30分鐘所需要的油量。二是應急燃油，指應急返航飛行到目的地機場并著陸所需總飛行時間10%的一段時間內的飛行所需要的油量，主要考慮遠程飛行時可能出現預報誤差或特殊情況。

2.4 系統模型的校準

計算分析過程中，飛機Bingo航跡導航計算的精確性主要取決于飛機本體模型和環境風場模型的準確性。

飛機本體特性由氣動力特性和發動機特性共同構成，為獲得精確模型，通過如下試飛[7]辨識公式校準氣動力模型和發動機模型[8]。

(10)

其中:m為飛行重量，為飛機空重與燃油耗量之和；P為發動機推力，根據飛行狀態代入發動機模型求的，修正非標影響及功率提取；nxt為體軸X軸過載；nzt為體軸Z軸過載；α為飛行迎角；?P為發動機安裝角。

通過以上體軸受力方程可計算得到升力及阻力，進而可計算得該時刻升力系數及阻力系數。選取飛行過程較穩定的時間區間，對該區間內的每一飛參記錄時刻進行計算，對計算結果取平均值，得到辨識的升力系數及阻力系數，在氣動力辨識準確后，按高空巡航的小時耗油量校核發動機耗油率。

大型無人機續航能力受風影響較大[11]，高空風會影響大型無人機飛行的油耗和時間。在飛行距離相同時，順風飛行將減少飛機的航線飛行時間并降低油耗，逆風飛行將增加飛機的航線飛行時間并增加油耗。為保證Bingo航跡導航計算準確，需獲得較準確的風場信息。系統采用實時風場解算與統計風場模型結合的方法獲得風速和風向數據。通過統計風場模型構建全球不同地區不同季節的風場數據，并通過實時風場數據對該風場模型進行完善和校準。實時風場利用飛行參數中的真空速、迎角、側滑角、歐拉角以及GPS速度等信息進行實時解算。首先將風軸真空速轉換至體軸系上，然后將體軸空速轉換至地軸系下，再與飛機的GPS速度共同解算風速風向。理論風場模型使用不同地區的風場統計數據。

2.5 硬件配置要求

在上述模塊設計基礎上進行硬件平臺設計，Bingo航跡導航系統是地面控制站的重要計算模塊,硬件配置要求與地面控制站的飛控計算機協調一致。解算與優化模塊由高性能處理器完成。數據通過地空數據鏈路、光纖、中間件以及內部局域網進行高速傳輸。輸出終端的硬件包括音箱和分辨率1280×1024的顯示器，可在輸出終端上獲取Bingo航跡導航解算結果與返航告警信息。硬件配置清單見表1。

表1 Bingo航跡導航系統的硬件配置清單

3 系統測試與分析

為了測試本文設計的高精度、全局優化的無人機Bingo航跡導航系統的應用性能，進行了仿真計算與無人機實際試飛測試結果的對比分析。將實際試飛的初始數據(飛行初始油量、機場高度、飛行航線數據等)作為Bingo航跡導航系統的初始化參數,從試飛起始時刻對飛行全程的Bingo油量以及飛行時間進行了仿真計算，Bingo航跡導航系統計算的結果與實際試飛的結果如圖3和圖4所示。

圖3 航點與時間關系

通過將實飛數據與系統計算結果對比可知，Bingo航跡導航計算結果與實際試飛結果基本吻合(誤差小于2%)，且地面控制站完成一次Bingo航跡導航計算時間較短(小于1 s)。

4 結束語

本文研究了高精度、全局優化的無人機Bingo航跡導航系統，采用更精確的飛機本體和風場模型來滿足高精度需求，并通過龐特里亞金最大值原理保證全局的優化結果。本文主要對Bingo航跡導航系統的結構設計、各模塊設計原理和硬件配置要求進行了詳細描述。系統測試結果表明，該Bingo航跡導航系統對Bingo返航油量、時間預測精度高，對大型無人機的安全返航具有重大意義。

圖4 實飛耗油與Bingo航跡導航計算耗油