無人機航跡規劃系統的設計與實現

金戎軒

摘 要：【目的】航跡規劃程序UFP（UAV飛行規劃）是無人機任務規劃系統的核心，也是目前科研人員研究的重點。為了確保無人機能順利完成各種作戰計劃任務，任務規劃系統必須對各種戰場因素進行綜合分析。【方法】通過人工設計和操作，可直接將任務指令傳輸給無人機，基于.NET的無人機航線規劃系統，使用數字高程模型圖，并采用Dijkstra算法來尋找最優的飛行航跡。【結果】選擇適合戰場因素和自身性能指標的最優航跡，從而確保無人機能安全、按時抵達任務區域，并按任務規劃來完成既定任務。【結論】無人機航跡規劃系統作為當今戰爭的重要支撐，運用該系統能大大提高作戰效能，進而鞏固國防。

關鍵詞：航跡規劃程序；Dijkstra算法；航跡規劃；高程模型

中圖分類號：TP391.41；V249? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0023-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.004

Design and Implementation of UAV Flight Planning Program

JIN Rongxuan

（Electronic Engineering College，Xi'an Aeronautical University， Xi'an 710077，China）

Abstract： [Purposes] The path planning program UFP （ UAV flight planning ） is the core of the UAV mission planning system and the focus of current research. In order to ensure that the UAV can successfully complete various combat planning tasks， the mission planning system must comprehensively analyze various battlefield factors. [Methods] Through manual design and operation， the task instructions can be directly transmitted to the UAV， whose route planning system based on. NET uses digital elevation model diagram and Dijkstra algorithm to find the optimal flight path. [Findings] The optimal trajectory suitable for battlefield factors and its own performance indicators is selected to ensure that the UAV can reach the mission area safely and on time， and complete the established task according to the mission planning. [Conclusions] As an important support for today's war， the UAV track planning system can greatly improve the combat effectiveness， make China's international standing more firm， and contribute more to China 's national defense.

Keywords： UFP; Dijkstra algorithm; flight planning; DEM

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的誕生可追溯到1914年。當時正處于第一次世界大戰的初期階段，英國的卡德爾和皮切爾兩位將軍向本國的軍事航空學會提出一項建議：研制一種不用人駕駛，而用無線電操縱的小型飛機，使其能飛到敵方某一目標區上空，并將事先裝在小飛機上的炸彈投下去。時至今日，隨著航空技術的飛速發展，無人機也逐漸步入鼎盛時期，世界上研制生產的無人機已近百種。而隨著計算機技術、自動駕駛技術和遙控遙測技術的發展和應用，以及對無人機戰術的研究，無人機在軍事領域中的應用也日益深入。軍用無人機具有無人員傷亡、使用限制少、隱蔽性好、效費比高等特點，從而使其具有極其重要的戰略性意義［1］。

無人機可根據人類制定的規則來完成或執行各種任務，如何準確、完整地給無人機制定任務，就要對其進行規劃。恰恰是因為“無人”的特點，無人機更依賴于任務規劃系統。因此，無人機任務規劃是無人機完成任務的重要一環［2］。

1 無人機任務規劃

1.1 無人機任務規劃系統

無人機任務規劃是根據無人機執行的任務來展開的，是對無人機要完成的具體軍事任務提前進行設計規劃和統籌安排。無人機任務規劃系統根據作戰環境的具體情況，全面考慮無人機狀態、性能、到達指定區域的時間、燃料消耗、威脅風險及空域等制約條件。由此，給無人機完成任務設計出一種或多種從起飛到打擊目標為止的最佳或適合航跡，同時設定測控數據鏈、載荷的配置參數以及控制工作計劃，從而確保無人機能順利、完美地完成打擊任務，并安全返回軍事基地［3］。無人機的任務規劃系統主要規劃功能如下。

1.1.1 航跡規劃。航跡規劃是指對無人機從起飛點到打擊目標點的航線進行優化，并對規劃好的航線進行檢查核實。在設定航跡時必須考慮環境對飛行的影響，無人機的性能必須滿足飛行要求，確保規劃航跡的可行性。因此，在制定航跡規劃時，主要工作有規劃算法的使用、實時信息的收發和處理、威脅突防模型的設計等［4］。

1.1.2 數據鏈規劃。根據戰場的電磁分布情況和頻率管控要求，制定不同飛行航跡階段控制鏈路的使用戰略規劃，包括衛星鏈路的選擇，使用頻點、時段、工作頻段及控制權的交互等。

1.1.3 任務載荷規劃。根據情報和作戰信息，合理安排無人機的載荷資源，并確定載荷設備的工作模式。

1.1.4 任務應急處置規劃。針對突發情況，可提前規劃好應急航跡、備降、返航航跡，并對鏈路故障等問題進行應急處置。

1.1.5 數據加載和生成。將制定好的航跡規劃、數據鏈規劃、載荷規劃、應急處置規劃等自動生成任務，并通過數據加載模塊和數據鏈路模塊，將數據加載到無人機任務規劃系統中［5］。

無人機任務規劃系統流程如圖1所示。根據無人機任務規劃的基本流程，其可適應任何情況下的作戰任務，并完成相關任務。

1.2 無人機任務規劃系統功能展望

1.2.1 軟件的通用性和兼容性。通用化的任務規劃系統軟件應具備通用的運行平臺、標準的基礎架構、兼容的數據格式、統一的操作方式、完善的操作界面等，還具備對不同型號無人機任務進行規劃的能力，能滿足未來無人機“一站控多機、一機多站控”的發展需求［6］。

1.2.2 實時動態規劃。盡管在任務開始前，要對無人機制定詳細完整的任務計劃，但在實際任務執行過程中，戰場態勢瞬息萬變，此時就要對無人機已制定好的任務計劃進行實時調整。一方面通過分析處理變化的戰場態勢信息，通過人工來實現調整、更改無人機任務規劃，另一方面通過嵌入的自動航跡規劃和任務選取算法來實現自動調整，并更改無人機的任務規劃。

1.2.3 智能自主規劃。在如今高科技體系作戰環境中，戰局環境會隨時發生改變，這就要求無人機任務規劃系統能及時、準確地自主調整和重新規劃任務，減少人工干預，并降低對數據鏈系統的依賴，從而實現智能化的自主任務規劃［3］。智能自主規劃的實現需要人工智能技術的進一步發展，這將是任務規劃的終極目標［4］。

2 無人機數字地圖技術

無人機在執行任務時需要有“環境”的支撐，其在無人機任務規劃系統中被稱為任務規劃環境。實際上，數字地圖是任務規劃環境的重要組成部分，而無人機任務規劃系統正是基于數字地圖平臺，通過對戰場環境進行分析來實現的［5］。在任務規劃系統中，航跡規劃是最核心的部分。無論是人工的方式，還是自動的方式來實現無人機飛行任務航跡的調整和規劃，都是在地理信息系統或數字地圖上實現的［6］。

地理坐標系采用的是全球統一的坐標系，用維度和經度來表示地球上的每一個點。把地球當作橢球體，將所有含有地軸的平面與橢球體的交線稱為經線，所有垂直于地軸的平面與橢球體面的交線稱為緯線。

以地球橢球體中心O為坐標原點，用X、Y、Z三條互為直角的坐標軸來表示空間中某一點位置的坐標，被稱作空間直角坐標系，其與基本的大地坐標系能相互轉換。在完成橢球體的定向與定位后，就能確立大地坐標系。目前，我國已制定了三種國家大地坐標系，分別是1954北京坐標系、1980西安坐標系及2000國家大地坐標系［7］。

在使用數字地圖時，通過將地球橢球體上的經線、緯線網格轉換成平面上相對應的經線、緯線網格的方法被稱為地圖投影。由于球面轉換成平面必然會發生投影變形，也就會存在誤差。為了減小誤差，有研究者提出多種投影方法，常用的有正圓柱、圓錐投影。而軍方對精度的要求比較高，常用高斯-克呂格投影［8］。

基于.NET的無人機航線規劃系統使用的數字地圖是數字正射影像圖、數字高程模型圖等［9］。其中，數字高程模型是數字地圖的關鍵要素之一，在數字地圖的應用中發揮著重要作用。無人機任務規劃系統離不開數字高程模型，包含整個航線規劃、鏈路規劃及載荷規劃等。數字高程模型（DEM）是用一組有序的數值陣列來描述地球表面高程或海拔高程信息及空間分布的數據集，同時也是對地球表面地形地貌的一種離散的數字表達［10］。

在無人機任務規劃中，必要條件是獲取作戰任務區域的DEM。為了得到某些不在網格點上的特定地點的高程，要對任務范圍內的數字地圖進行插值處理，在任務規劃系統中引入插值算法。考慮到飛行器的飛行安全和有效航程，就要在系統中對實際地形進行平滑處理，盡可能實現地形跟隨飛行，提高無人機飛行的安全性和機動能力。

3 無人機航線規劃

航跡規劃是無人機任務規劃系統中的核心內容，也是目前科研人員研究的重點。為了確保無人機能順利完成計劃的作戰任務，任務規劃系統就要對不同的戰場因素進行綜合分析，為無人機制定可行的飛行航跡，并采用合適的航跡規劃算法，選擇適合戰場因素和自身性能指標的最優航跡，從而確保無人機能安全、按時抵達任務區域，并按任務規劃來完成既定任務。

基于.NET的無人機航線規劃系統一般是按照以下步驟來對航跡進行規劃的。①根據任務需求及任務區域的信息來確定航線規劃的空間模型。②根據UAV性能指標及鏈路和載荷的性能，來確定航線規劃的數學模型。③通過嵌入合適的航跡規劃算法，得到一條最優的航跡。④根據得到的航跡進行插值、平滑處理等，對航跡空間模型進行調整，并改進或重新規劃航線。⑤輸出最終的航跡規劃數據，并下達指令至無人機，執行飛行操作。

綜上所述，無人機航跡規劃系統的核心是通過航跡規劃算法來尋找最優的飛行航跡，使無人機能安全、準時抵達任務區域，從而有效完成作戰任務。為了能達到最佳的性能和效率，要從最短航跡距離、最大飛行安全可靠性、最小燃料消耗、最佳飛行高度等角度出發，進行算法分析。本研究介紹一種改進過的搜索算法，即Dijkstra搜索算法。

Dijkstra搜索算法充分考慮當前節點與起始節點之間的距離代價值，對實際的路徑規劃問題，從起點到斜對著的相鄰方格的距離往往會比其他的要大。假定每個方格大小為10，按照Dijkstra算法，該距離就是當前代價函數g（n）所取的值D（n，S）。如果按g（n）值從小到大進行排序，從而優先選擇出排在最前面的方格節點，并進行下一步擴展。接下來，按照相同的方法，再優先選擇g（n）值最小的節點進行擴展。通過這樣的方式，就能很快找到一條到達目標節點的最短路徑。可以看出，Dijkstra算法按g（n）值由小到大的順序重新排列OPEN表中的所有節點，即按g（n）值大小對OPEN表進行排序，根據路徑長度及最后進入CLOSED表的總節點個數，找出一條最短的路徑［11］。

由于Dijkstra搜索算法在算法流程上與通用圖搜索算法一致，非常容易實現。Dijkstra算法流程如圖2所示。

4 航跡規劃軟件界面實現

4.1 總體功能

UAV飛行規劃（UAV Flight Planning，UFP）的運行環境為2000年以后發行的各版本Windows操作系統，要安裝.NET Framework 4.0。UFP軟件實現的主要功能有以下兩點，即基于二維坐標視圖的單條UAV航線創建、查看和修改功能，以及航跡數據的文件存儲和文件讀取功能。

4.2 程序菜單欄設計

UAV航跡規劃程序菜單欄包括以下三個部分，即文件、航跡設置和軟件其他信息。文件欄包括六個基本選項，即新建航線、打開航線、保存航線、另存為、清空航線和關閉程序。航跡設置欄包括六個基本操作選項，即航線、設置、UDP、發送數據、測試連接、UDP配置。軟件其他信息欄包括關于、幫助、版權信息等選項。

4.3 航線數據工具欄設計

航跡數據工具欄有多個編輯菜單，包括七個功能選項，即開始編輯/關閉編輯，新建點Point、生成直線Line、生成圓弧線Arc、上移點、下移點、刪除選中對象及刷新等。

4.4 航線數據顯示設計

航跡數據是由多個點、點間的連線組成的數據表，組成情況見表1。其中，點為坐標點，由名稱、緯度、經度、高度組成。兩點之間的連線有兩類。①直線Line。由開始坐標、結束坐標構成。②弧線Arc。既可由圓心坐標、半徑、開始角度、結束角度構成，也可以由起點坐標、結束點坐標、圓心坐標構成。

表1中圓弧線A1的起點為P2、終點為P3，如果這兩點已確定，那么弧線圓心的坐標不能完全確定，每次應通過起、終點和假定的弧線圓心坐標來計算出近似點坐標值。

4.5 航線規劃系統軟件界面

按照UAV航跡規劃程序菜單的操作，可在無人機加載數字地圖后基本實現對航跡規劃飛行的控制，從而為無人機制定出可行的飛行航跡，采用合適的航跡規劃算法，選擇適合戰場因素和自身性能指標的最優航跡，從容確保無人機能安全、按時抵達任務區域，并按規劃完成既定任務。無人機航跡規劃編輯界面如圖3所示。

通過航跡規劃，可實現同一時空下合理的飛行軌跡和任務安排，找到最優航跡，確保無人機安全、按時抵達任務區域，并按任務規劃來完成既定任務。

5 結語

隨著以無人機為代表的高科技無人化裝備的應用，“航線任務規劃”已成為軍事中的重要一環，體現出完全有別于傳統軍事規劃的安排。一方面從規劃內容上來看，其已完全超出對作戰任務的既定指揮和單一的定量計算，對作戰全流程的詳細規劃是通過數字化、精準化、自動化模式下的作戰環境、作戰配置及作戰方式來體現。另一方面通過人工設計和操作，直接將任務指令傳輸給無人機，信息化的任務規劃與裝備作戰緊密結合，使作戰的有效打擊能得到大幅度提高。

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