基于遮擋物仰角的數(shù)據(jù)鏈通視算法研究

無人直升機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如森林火災(zāi)監(jiān)視、目標(biāo)偵察與監(jiān)視、物資運(yùn)送等領(lǐng)域，它由一架或多架無人直升機(jī)、地面控制站組成。從目前技術(shù)看，無人直升機(jī)自主性還未達(dá)到令人滿意的先進(jìn)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(jī)獲取的情報(bào)。

無人直升機(jī)的控制與通信密不可分，無人機(jī)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(jī)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?zhǔn)且环N基于微波通信技術(shù)的系統(tǒng)。微波頻率很高，波長(zhǎng)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(jī)與地面控制站進(jìn)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(jì)算一般用于計(jì)算和分析機(jī)載天線和地面天線之間保持無遮擋通信時(shí)的最大距離。

地面控制站布站點(diǎn)附近往往存在復(fù)雜的地形、地物等遮擋物。針對(duì)無人直升機(jī)低空作戰(zhàn)對(duì)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(jì)算，此通視模型獲取布站點(diǎn)附近遮擋物的仰角，分析飛行航線的各個(gè)航點(diǎn)是否滿足數(shù)據(jù)鏈通視條件，以便任務(wù)規(guī)劃軟件進(jìn)一步優(yōu)化無人直升機(jī)飛行航線。基于此通視模型，本文分析地球半徑取值、布站點(diǎn)海拔高度對(duì)通視計(jì)算結(jié)果的影響。無人直升機(jī)飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，該通視模型用于任務(wù)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(duì)于低空飛行的無人直升機(jī)而言，影響數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)天線通視的主要因素是地球曲率。當(dāng)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(shí)，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(jì)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(jì)算公式（1）是以地面控制站布站點(diǎn)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(jié)合三角函數(shù)推導(dǎo)出來的。但是，無人直升機(jī)在實(shí)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(diǎn)附近的環(huán)境條件復(fù)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(jì)算公式（1）的使用受到限制。無人直升機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸信息的示意圖詳見圖2，本文假設(shè)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(dāng)信息傳輸路徑存在遮擋物時(shí)，無人直升機(jī)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(jì)算與分析需要考慮地面控制站布站點(diǎn)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(duì)通信造成了遮擋，導(dǎo)致地面控制站不能監(jiān)控?zé)o人直升機(jī)。為了滿足無人直升機(jī)的通信需求，無人直升機(jī)的無線電仰角θ應(yīng)大于所有遮擋物的最大仰角φmax。

地球半徑取值對(duì)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(duì)視距數(shù)據(jù)鏈通視計(jì)算結(jié)果的影響，本文假設(shè)地面控制站布站點(diǎn)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(jì)算公式（2）可得到，當(dāng)?shù)厍虬霃饺〔煌陌霃綌?shù)值時(shí)，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(duì)數(shù)據(jù)鏈通視計(jì)算結(jié)果影響不大。因此，任務(wù)規(guī)劃軟件利用通視計(jì)算公式（2）對(duì)航點(diǎn)進(jìn)行通視計(jì)算與分析時(shí)，地球半徑R取平均半徑6371km即可。

布站點(diǎn)海拔高度對(duì)無線電視距的影響

通視計(jì)算策略

無人直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)需要復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃，而任務(wù)規(guī)劃是指軟件根據(jù)地形信息、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，綜合考慮無人機(jī)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(jì)算與分析是任務(wù)規(guī)劃不可或缺的約束條件之一，它與任務(wù)規(guī)劃密不可分。地形、地物等遮擋對(duì)無人直升機(jī)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(shí)時(shí)有效掌握無人直升機(jī)的飛行動(dòng)態(tài)，忽視數(shù)據(jù)鏈通視狀況將影響無人直升機(jī)的飛行安全。

在開展無人直升機(jī)任務(wù)規(guī)劃時(shí)，任務(wù)規(guī)劃軟件結(jié)合通視模型進(jìn)行視距數(shù)據(jù)鏈通視計(jì)算與分析，確保無人直升機(jī)的每個(gè)航點(diǎn)滿足數(shù)據(jù)鏈通視條件。下面闡述任務(wù)規(guī)劃軟件對(duì)航點(diǎn)進(jìn)行通視計(jì)算與分析的策略。

第一，當(dāng)布站點(diǎn)附近無遮擋時(shí)，操控員結(jié)合飛行經(jīng)驗(yàn)，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(dāng)布站點(diǎn)附近存在建筑、樹木等地物遮擋時(shí)，操控員評(píng)估地物遮擋物參數(shù)，距離L和高度h0，然后在任務(wù)規(guī)劃軟件中輸入遮擋物參數(shù)，軟件自動(dòng)計(jì)算地物遮擋物的仰角，進(jìn)而確定視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角。

第三，當(dāng)布站點(diǎn)附近有高山、丘陵等地形遮擋時(shí)，任務(wù)規(guī)劃軟件自動(dòng)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(diǎn)與地面控制站布站點(diǎn)之間的距離，從而算出地形遮擋物仰角，進(jìn)而確定視距數(shù)據(jù)鏈無線電仰角。

飛行試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果

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

地面控制站布站點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)之間的距離L2約為11.1km。無人直升機(jī)部分飛行航線如圖7所示。

綜上所述，無人直升機(jī)的數(shù)據(jù)鏈無線電仰角θ應(yīng)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(yàn)中，當(dāng)無線電視距S0為100km時(shí)，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(jì)算公式（2），無人直升機(jī)飛行高度h2應(yīng)為2672m。公式（4）計(jì)算得出，無人直升機(jī)飛行的海拔高度h2′應(yīng)為2947m，與飛行監(jiān)控軟件界面顯示的無人直升機(jī)實(shí)際飛行的海拔高度相差2m，誤差值在允許范圍內(nèi)。

結(jié)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(jī)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(diǎn)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(shí)提高任務(wù)規(guī)劃軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通視計(jì)算的效率。

當(dāng)完成地面控制站部署后，操控員利用任務(wù)規(guī)劃軟件對(duì)無人直升機(jī)的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)地面控制站布站點(diǎn)附近遮擋物的分布情況及仰角，運(yùn)用本文提出的通視計(jì)算與分析策略，完成無人直升機(jī)航點(diǎn)通視計(jì)算與分析，合理規(guī)劃無人直升機(jī)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(jī)的飛行試驗(yàn)表明，本文提出的數(shù)據(jù)鏈通視模型理論簡(jiǎn)單可行，實(shí)用性好，可以滿足無人直升機(jī)飛行航點(diǎn)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(jī)任務(wù)規(guī)劃軟件。