無人機(jī)航跡規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金戎軒

摘 要：【目的】航跡規(guī)劃程序UFP（UAV飛行規(guī)劃）是無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的核心，也是目前科研人員研究的重點(diǎn)。為了確保無人機(jī)能順利完成各種作戰(zhàn)計(jì)劃任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)必須對(duì)各種戰(zhàn)場因素進(jìn)行綜合分析?！痉椒ā客ㄟ^人工設(shè)計(jì)和操作，可直接將任務(wù)指令傳輸給無人機(jī)，基于.NET的無人機(jī)航線規(guī)劃系統(tǒng)，使用數(shù)字高程模型圖，并采用Dijkstra算法來尋找最優(yōu)的飛行航跡?！窘Y(jié)果】選擇適合戰(zhàn)場因素和自身性能指標(biāo)的最優(yōu)航跡，從而確保無人機(jī)能安全、按時(shí)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，并按任務(wù)規(guī)劃來完成既定任務(wù)?！窘Y(jié)論】無人機(jī)航跡規(guī)劃系統(tǒng)作為當(dāng)今戰(zhàn)爭的重要支撐，運(yùn)用該系統(tǒng)能大大提高作戰(zhàn)效能，進(jìn)而鞏固國防。

關(guān)鍵詞：航跡規(guī)劃程序；Dijkstra算法；航跡規(guī)劃；高程模型

中圖分類號(hào)：TP391.41；V249? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的誕生可追溯到1914年。當(dāng)時(shí)正處于第一次世界大戰(zhàn)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(xué)會(huì)提出一項(xiàng)建議：研制一種不用人駕駛，而用無線電操縱的小型飛機(jī)，使其能飛到敵方某一目標(biāo)區(qū)上空，并將事先裝在小飛機(jī)上的炸彈投下去。時(shí)至今日，隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)也逐漸步入鼎盛時(shí)期，世界上研制生產(chǎn)的無人機(jī)已近百種。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù)和遙控遙測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及對(duì)無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)的研究，無人機(jī)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益深入。軍用無人機(jī)具有無人員傷亡、使用限制少、隱蔽性好、效費(fèi)比高等特點(diǎn)，從而使其具有極其重要的戰(zhàn)略性意義［1］。

無人機(jī)可根據(jù)人類制定的規(guī)則來完成或執(zhí)行各種任務(wù)，如何準(zhǔn)確、完整地給無人機(jī)制定任務(wù)，就要對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃。恰恰是因?yàn)椤盁o人”的特點(diǎn)，無人機(jī)更依賴于任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。因此，無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃是無人機(jī)完成任務(wù)的重要一環(huán)［2］。

1 無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃

1.1 無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)

無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃是根據(jù)無人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)來展開的，是對(duì)無人機(jī)要完成的具體軍事任務(wù)提前進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃和統(tǒng)籌安排。無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的具體情況，全面考慮無人機(jī)狀態(tài)、性能、到達(dá)指定區(qū)域的時(shí)間、燃料消耗、威脅風(fēng)險(xiǎn)及空域等制約條件。由此，給無人機(jī)完成任務(wù)設(shè)計(jì)出一種或多種從起飛到打擊目標(biāo)為止的最佳或適合航跡，同時(shí)設(shè)定測控?cái)?shù)據(jù)鏈、載荷的配置參數(shù)以及控制工作計(jì)劃，從而確保無人機(jī)能順利、完美地完成打擊任務(wù)，并安全返回軍事基地［3］。無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)主要規(guī)劃功能如下。

1.1.1 航跡規(guī)劃。航跡規(guī)劃是指對(duì)無人機(jī)從起飛點(diǎn)到打擊目標(biāo)點(diǎn)的航線進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)規(guī)劃好的航線進(jìn)行檢查核實(shí)。在設(shè)定航跡時(shí)必須考慮環(huán)境對(duì)飛行的影響，無人機(jī)的性能必須滿足飛行要求，確保規(guī)劃航跡的可行性。因此，在制定航跡規(guī)劃時(shí)，主要工作有規(guī)劃算法的使用、實(shí)時(shí)信息的收發(fā)和處理、威脅突防模型的設(shè)計(jì)等［4］。

1.1.2 數(shù)據(jù)鏈規(guī)劃。根據(jù)戰(zhàn)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(zhàn)略規(guī)劃，包括衛(wèi)星鏈路的選擇，使用頻點(diǎn)、時(shí)段、工作頻段及控制權(quán)的交互等。

1.1.3 任務(wù)載荷規(guī)劃。根據(jù)情報(bào)和作戰(zhàn)信息，合理安排無人機(jī)的載荷資源，并確定載荷設(shè)備的工作模式。

1.1.4 任務(wù)應(yīng)急處置規(guī)劃。針對(duì)突發(fā)情況，可提前規(guī)劃好應(yīng)急航跡、備降、返航航跡，并對(duì)鏈路故障等問題進(jìn)行應(yīng)急處置。

1.1.5 數(shù)據(jù)加載和生成。將制定好的航跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈規(guī)劃、載荷規(guī)劃、應(yīng)急處置規(guī)劃等自動(dòng)生成任務(wù)，并通過數(shù)據(jù)加載模塊和數(shù)據(jù)鏈路模塊，將數(shù)據(jù)加載到無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中［5］。

無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)流程如圖1所示。根據(jù)無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的基本流程，其可適應(yīng)任何情況下的作戰(zhàn)任務(wù)，并完成相關(guān)任務(wù)。

1.2 無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)功能展望

1.2.1 軟件的通用性和兼容性。通用化的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)軟件應(yīng)具備通用的運(yùn)行平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)架構(gòu)、兼容的數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一的操作方式、完善的操作界面等，還具備對(duì)不同型號(hào)無人機(jī)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃的能力，能滿足未來無人機(jī)“一站控多機(jī)、一機(jī)多站控”的發(fā)展需求［6］。

1.2.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃。盡管在任務(wù)開始前，要對(duì)無人機(jī)制定詳細(xì)完整的任務(wù)計(jì)劃，但在實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過程中，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，此時(shí)就要對(duì)無人機(jī)已制定好的任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。一方面通過分析處理變化的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，通過人工來實(shí)現(xiàn)調(diào)整、更改無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃，另一方面通過嵌入的自動(dòng)航跡規(guī)劃和任務(wù)選取算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，并更改無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃。

1.2.3 智能自主規(guī)劃。在如今高科技體系作戰(zhàn)環(huán)境中，戰(zhàn)局環(huán)境會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變，這就要求無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地自主調(diào)整和重新規(guī)劃任務(wù)，減少人工干預(yù)，并降低對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的依賴，從而實(shí)現(xiàn)智能化的自主任務(wù)規(guī)劃［3］。智能自主規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)需要人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這將是任務(wù)規(guī)劃的終極目標(biāo)［4］。

2 無人機(jī)數(shù)字地圖技術(shù)

無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要有“環(huán)境”的支撐，其在無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中被稱為任務(wù)規(guī)劃環(huán)境。實(shí)際上，數(shù)字地圖是任務(wù)規(guī)劃環(huán)境的重要組成部分，而無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)正是基于數(shù)字地圖平臺(tái)，通過對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)的［5］。在任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，航跡規(guī)劃是最核心的部分。無論是人工的方式，還是自動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行任務(wù)航跡的調(diào)整和規(guī)劃，都是在地理信息系統(tǒng)或數(shù)字地圖上實(shí)現(xiàn)的［6］。

地理坐標(biāo)系采用的是全球統(tǒng)一的坐標(biāo)系，用維度和經(jīng)度來表示地球上的每一個(gè)點(diǎn)。把地球當(dāng)作橢球體，將所有含有地軸的平面與橢球體的交線稱為經(jīng)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(biāo)原點(diǎn)，用X、Y、Z三條互為直角的坐標(biāo)軸來表示空間中某一點(diǎn)位置的坐標(biāo)，被稱作空間直角坐標(biāo)系，其與基本的大地坐標(biāo)系能相互轉(zhuǎn)換。在完成橢球體的定向與定位后，就能確立大地坐標(biāo)系。目前，我國已制定了三種國家大地坐標(biāo)系，分別是1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系及2000國家大地坐標(biāo)系［7］。

在使用數(shù)字地圖時(shí)，通過將地球橢球體上的經(jīng)線、緯線網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成平面上相對(duì)應(yīng)的經(jīng)線、緯線網(wǎng)格的方法被稱為地圖投影。由于球面轉(zhuǎn)換成平面必然會(huì)發(fā)生投影變形，也就會(huì)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(duì)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(jī)航線規(guī)劃系統(tǒng)使用的數(shù)字地圖是數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型圖等［9］。其中，數(shù)字高程模型是數(shù)字地圖的關(guān)鍵要素之一，在數(shù)字地圖的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)離不開數(shù)字高程模型，包含整個(gè)航線規(guī)劃、鏈路規(guī)劃及載荷規(guī)劃等。數(shù)字高程模型（DEM）是用一組有序的數(shù)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(shù)據(jù)集，同時(shí)也是對(duì)地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表達(dá)［10］。

在無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃中，必要條件是獲取作戰(zhàn)任務(wù)區(qū)域的DEM。為了得到某些不在網(wǎng)格點(diǎn)上的特定地點(diǎn)的高程，要對(duì)任務(wù)范圍內(nèi)的數(shù)字地圖進(jìn)行插值處理，在任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中引入插值算法?？紤]到飛行器的飛行安全和有效航程，就要在系統(tǒng)中對(duì)實(shí)際地形進(jìn)行平滑處理，盡可能實(shí)現(xiàn)地形跟隨飛行，提高無人機(jī)飛行的安全性和機(jī)動(dòng)能力。

3 無人機(jī)航線規(guī)劃

航跡規(guī)劃是無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中的核心內(nèi)容，也是目前科研人員研究的重點(diǎn)。為了確保無人機(jī)能順利完成計(jì)劃的作戰(zhàn)任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)就要對(duì)不同的戰(zhàn)場因素進(jìn)行綜合分析，為無人機(jī)制定可行的飛行航跡，并采用合適的航跡規(guī)劃算法，選擇適合戰(zhàn)場因素和自身性能指標(biāo)的最優(yōu)航跡，從而確保無人機(jī)能安全、按時(shí)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，并按任務(wù)規(guī)劃來完成既定任務(wù)。

基于.NET的無人機(jī)航線規(guī)劃系統(tǒng)一般是按照以下步驟來對(duì)航跡進(jìn)行規(guī)劃的。①根據(jù)任務(wù)需求及任務(wù)區(qū)域的信息來確定航線規(guī)劃的空間模型。②根據(jù)UAV性能指標(biāo)及鏈路和載荷的性能，來確定航線規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。③通過嵌入合適的航跡規(guī)劃算法，得到一條最優(yōu)的航跡。④根據(jù)得到的航跡進(jìn)行插值、平滑處理等，對(duì)航跡空間模型進(jìn)行調(diào)整，并改進(jìn)或重新規(guī)劃航線。⑤輸出最終的航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)，并下達(dá)指令至無人機(jī)，執(zhí)行飛行操作。

綜上所述，無人機(jī)航跡規(guī)劃系統(tǒng)的核心是通過航跡規(guī)劃算法來尋找最優(yōu)的飛行航跡，使無人機(jī)能安全、準(zhǔn)時(shí)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，從而有效完成作戰(zhàn)任務(wù)。為了能達(dá)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(fā)，進(jìn)行算法分析。本研究介紹一種改進(jìn)過的搜索算法，即Dijkstra搜索算法。

Dijkstra搜索算法充分考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與起始節(jié)點(diǎn)之間的距離代價(jià)值，對(duì)實(shí)際的路徑規(guī)劃問題，從起點(diǎn)到斜對(duì)著的相鄰方格的距離往往會(huì)比其他的要大。假定每個(gè)方格大小為10，按照Dijkstra算法，該距離就是當(dāng)前代價(jià)函數(shù)g（n）所取的值D（n，S）。如果按g（n）值從小到大進(jìn)行排序，從而優(yōu)先選擇出排在最前面的方格節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行下一步擴(kuò)展。接下來，按照相同的方法，再優(yōu)先選擇g（n）值最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。通過這樣的方式，就能很快找到一條到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑?？梢钥闯?，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(jié)點(diǎn)，即按g（n）值大小對(duì)OPEN表進(jìn)行排序，根據(jù)路徑長度及最后進(jìn)入CLOSED表的總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，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(shí)現(xiàn)。Dijkstra算法流程如圖2所示。

4 航跡規(guī)劃軟件界面實(shí)現(xiàn)

4.1 總體功能

UAV飛行規(guī)劃（UAV Flight Planning，UFP）的運(yùn)行環(huán)境為2000年以后發(fā)行的各版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)，要安裝.NET Framework 4.0。UFP軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有以下兩點(diǎn)，即基于二維坐標(biāo)視圖的單條UAV航線創(chuàng)建、查看和修改功能，以及航跡數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)和文件讀取功能。

4.2 程序菜單欄設(shè)計(jì)

UAV航跡規(guī)劃程序菜單欄包括以下三個(gè)部分，即文件、航跡設(shè)置和軟件其他信息。文件欄包括六個(gè)基本選項(xiàng)，即新建航線、打開航線、保存航線、另存為、清空航線和關(guān)閉程序。航跡設(shè)置欄包括六個(gè)基本操作選項(xiàng)，即航線、設(shè)置、UDP、發(fā)送數(shù)據(jù)、測試連接、UDP配置。軟件其他信息欄包括關(guān)于、幫助、版權(quán)信息等選項(xiàng)。

4.3 航線數(shù)據(jù)工具欄設(shè)計(jì)

航跡數(shù)據(jù)工具欄有多個(gè)編輯菜單，包括七個(gè)功能選項(xiàng)，即開始編輯/關(guān)閉編輯，新建點(diǎn)Point、生成直線Line、生成圓弧線Arc、上移點(diǎn)、下移點(diǎn)、刪除選中對(duì)象及刷新等。

4.4 航線數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

航跡數(shù)據(jù)是由多個(gè)點(diǎn)、點(diǎn)間的連線組成的數(shù)據(jù)表，組成情況見表1。其中，點(diǎn)為坐標(biāo)點(diǎn)，由名稱、緯度、經(jīng)度、高度組成。兩點(diǎn)之間的連線有兩類。①直線Line。由開始坐標(biāo)、結(jié)束坐標(biāo)構(gòu)成。②弧線Arc。既可由圓心坐標(biāo)、半徑、開始角度、結(jié)束角度構(gòu)成，也可以由起點(diǎn)坐標(biāo)、結(jié)束點(diǎn)坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)構(gòu)成。

表1中圓弧線A1的起點(diǎn)為P2、終點(diǎn)為P3，如果這兩點(diǎn)已確定，那么弧線圓心的坐標(biāo)不能完全確定，每次應(yīng)通過起、終點(diǎn)和假定的弧線圓心坐標(biāo)來計(jì)算出近似點(diǎn)坐標(biāo)值。

4.5 航線規(guī)劃系統(tǒng)軟件界面

按照UAV航跡規(guī)劃程序菜單的操作，可在無人機(jī)加載數(shù)字地圖后基本實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡規(guī)劃飛行的控制，從而為無人機(jī)制定出可行的飛行航跡，采用合適的航跡規(guī)劃算法，選擇適合戰(zhàn)場因素和自身性能指標(biāo)的最優(yōu)航跡，從容確保無人機(jī)能安全、按時(shí)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，并按規(guī)劃完成既定任務(wù)。無人機(jī)航跡規(guī)劃編輯界面如圖3所示。

通過航跡規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)同一時(shí)空下合理的飛行軌跡和任務(wù)安排，找到最優(yōu)航跡，確保無人機(jī)安全、按時(shí)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，并按任務(wù)規(guī)劃來完成既定任務(wù)。

5 結(jié)語

隨著以無人機(jī)為代表的高科技無人化裝備的應(yīng)用，“航線任務(wù)規(guī)劃”已成為軍事中的重要一環(huán)，體現(xiàn)出完全有別于傳統(tǒng)軍事規(guī)劃的安排。一方面從規(guī)劃內(nèi)容上來看，其已完全超出對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的既定指揮和單一的定量計(jì)算，對(duì)作戰(zhàn)全流程的詳細(xì)規(guī)劃是通過數(shù)字化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化模式下的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)配置及作戰(zhàn)方式來體現(xiàn)。另一方面通過人工設(shè)計(jì)和操作，直接將任務(wù)指令傳輸給無人機(jī)，信息化的任務(wù)規(guī)劃與裝備作戰(zhàn)緊密結(jié)合，使作戰(zhàn)的有效打擊能得到大幅度提高。

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