一種無人機視距數據鏈通視分析方法

戴善溪， 陳 文， 王 浩， 王 爽

(彩虹無人機科技有限公司，北京 100074)

當前，各國高度重視軍用無人裝備的發展，力圖搶占科技制高點，以期達到不戰而屈人之兵的目的。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，中大型無人機先進的數據傳輸系統采用視距(Line of Sight,LOS)和衛通數據鏈系統，兼顧高速可靠傳輸和廣域覆蓋的應用特點[1-4]。

電磁波覆蓋范圍是通信覆蓋范圍和雷達探測范圍等分析的基礎，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。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，需要結合地形起伏因素，采用粗略制定飛行航跡，對航路點逐個分析的方法[6]。逐個采樣的數據較易出現疏漏且準確度不足，通過人工赴重要點位進行實地踏勘作為補充手段可提高準確度但效率低[7-9]。

本文提出一種無人機視距數據鏈通視分析方法，基于Global Mapper軟件[10]，利用地理信息數據，有針對性地分析不同高度、大范圍的通視區域，對重點區域實現高效、自動化詳細分析，結合任務需求列出飛行限制條件，協助完成飛行和任務規劃的工作，提升傳統分析方法的準確性和效率。

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，設視距地面數據終端位于A點，無人機位于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，視距地面數據終端到無人機的距離為直線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。視距地面數據終端天線離地高度h1簡化取值為4 m。因為地球半徑R遠遠大于h1和飛機離地高度h2，經過勾股定理推導并略去遠遠小于計算結果的過程變量即可得出通視分析公式為

(1)

式中：d為視距地面數據終端到無人機的距離(km)；h1為天線離地高度；h2為飛機離地高度。

實際應用中，大氣折射對無線電電波傳輸的通視距離具有顯著影響。為簡化工程應用模型，提高迭代計算效率，在標準大氣下，取等效地球半徑系數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)為基礎的分析公式，代入地理信息系統中位置、高程等數據，設定坐標采樣間隔，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數據處理應用程序，提供各種地圖或空間數據集的訪問，內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視距數據鏈通視分析方法[12]，利用豐富的地理信息數據和視線分析等工具，適用于預先飛行和任務規劃的工作。

2.2 軟件分析流程

無人機系統通視分析步驟包括：首先，明確起飛機場和任務空域條件，可據此制定起降航跡；其次，明確任務區域、禁飛空域邊界等頂層條件；然后，結合飛行器能力，響應限時到達指定空域、緊急避讓空域、惡劣氣象區、應急返航航線等輸入條件；最后，通過調整無人機飛行高度、優化每條航線設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域開展詳細的三維地形分析，避開氣象不佳等不利區域，如圖2所示。

圖2 無人機系統通視分析流程圖

3 試驗結果分析

當無人機系統所需的場地、供電和信號接入等系統部署條件明確后，即可在起降機場或任務控制區域初步完成指揮控制站和地面數據終端的場址部署[13]。

當飛行空域和任務區域劃分明確后，可針對飛行和偵察任務開展預設航跡規劃。

3.1 分析方法

3.1.1 視距數據鏈無線電通視區域分析

本文以多山的某地區為應用場景，設定起降機場，并在起降機場部署視距地面數據終端和指揮控制站，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的偵察任務[14]。由于起降機場的通視條件限制，在任務前沿區域設置用于任務的視距地面數據終端和指揮控制站，簡稱任務地面站，在海拔4350 m處利用通視有力條件對任務區域進行飛行控制及偵察。

在任務需求初步明確的情況下，根據式(1)和式(2)計算出不同飛行高度下地面站與無人機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據，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，得出了在無人機海拔高度5000 m條件下，分別以起降地面站和任務地面站為中心的100 km范圍內的通視覆蓋情況[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

起降地面站和任務地面站通視區域有重疊并相互彌補，在通視交疊區設置飛行控制權交接區，可協同配合完成既定任務[15]，經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，保證了飛行安全，如圖3所示。

根據無人機與地面站的通視情況，也可進行兩點之間的通視分析，進而根據信號遮蔽位置進行航線的高度和航向等飛行策略調整，如圖4所示。

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

圖3 起降地面站和任務地面站通視區分析

圖4 兩點之間通視分析

圖5 局部三維視角分析

3.1.2 任務區域載荷對地偵察區域分析

在前沿任務區，為適應光電載荷、通信中繼[16]、合成孔徑雷達等任務載荷對偵察區域不同飛行高度需求，應識別無人機載荷對地偵察盲區，優化詳查航線，避免浪費任務航時。確有需要的偵察盲區，需采取抵近偵察等方式對重點區域進行詳察，如圖6所示。

經實際驗證，在飛行高度差異顯著的多山地區，雷達和光電等任務載荷對地偵察的通視范圍不同，低空飛行尤其須關注偵察通視區域變化[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應用中[17]，為提升載荷數據采集精度，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，可制定地形精準匹配的航線，如圖8所示。

圖6 對地偵察區域分析流程圖

圖7 不同飛行高度空地通視區分析

圖8 航線起伏分析

3.2 分析方法與實際需求的差距

無人機視距通視分析在工程應用中為最佳任務航跡的制定提供了有力支持，給出飛行安全區域判定依據，在多山地區、異地起降任務構型中[18]得到充分驗證。

在通視條件的約束下，無人機系統可采取多個視距地面數據終端以地面接力控制方式補齊盲區短板，也可配備衛星數據鏈進行無人機超視距控制，延伸作用距離，同時要注意衛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工程。全球的地理信息數據一般基于衛星遙感和航空遙感采集，坐標信息和數字高程信息的分辨率和實時性更新不足，局部區域尤其是近距離小范圍區域的通視分析與預期結果相差偏大。例如，視距地面數據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、車輛和基礎設施是動態變化的，通視分析還需統籌考慮，并留有設計余量[13]。

無人機機體結構、吊艙掛架等外掛物隨無人機飛行姿態、航向變化可能產生對機載天線遮擋[16]，須結合天線布局、飛機數字模型和應用場景等開展天線方向圖等分析。

4 結束語

傳統的無人機視距數據鏈通視分析方法存在模型單一、準確度不足和效率偏低問題。本文提出的無人機視距數據鏈通視分析方法，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化分析，為飛行任務航跡的制定提供了支持，還可推廣至任務載荷對地偵察分析、航線起伏分析等方面。經過實際檢驗，本方法快速高效、符合度高，特別適合于視距數據鏈在高原和山區等地形地貌復雜區域的應用。