針對(duì)當(dāng)時(shí)空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)依賴于懸?；蜓仡A(yù)設(shè)軌道飛翔的監(jiān)測(cè)辦法，不能充分利用空中渠道機(jī)動(dòng)靈活的才能，無(wú)法取得最佳丈量方位和丈量值的問(wèn)題，剖析了空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)使命和監(jiān)測(cè)進(jìn)程，在現(xiàn)有空中電磁頻譜測(cè)向定位辦法的基礎(chǔ)上，提出一種多旋翼無(wú)人機(jī)自主途徑規(guī)劃辦法，根據(jù)監(jiān)測(cè)使命實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)線電監(jiān)測(cè)，將循環(huán)迭代的監(jiān)測(cè)成果作為自主途徑規(guī)劃的根據(jù)，研討包含無(wú)人機(jī)飛翔的高度、方向、轉(zhuǎn)向判據(jù)和轉(zhuǎn)向視點(diǎn)的操控辦法，并規(guī)劃了無(wú)人機(jī)途徑規(guī)劃流程。
關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī)；空中頻譜監(jiān)測(cè)；使命規(guī)劃；途徑規(guī)劃
引言
基于無(wú)人空中渠道的無(wú)線電監(jiān)測(cè)從20世紀(jì)90年代末就開(kāi)端有相關(guān)測(cè)驗(yàn)。到現(xiàn)在為止，無(wú)人空中監(jiān)測(cè)首要選用升空懸停監(jiān)測(cè)和預(yù)先規(guī)劃軌道監(jiān)測(cè)兩種辦法。升空懸停監(jiān)測(cè)僅僅單純地提升了接收機(jī)和天線的高度，擴(kuò)展了監(jiān)測(cè)規(guī)模，進(jìn)步了某些參數(shù)的丈量精度，可觀測(cè)的內(nèi)容與地上監(jiān)測(cè)站大體一致。預(yù)先規(guī)劃軌道監(jiān)測(cè)需求在無(wú)人渠道升空前，由操作人員依據(jù)既定丈量使命、監(jiān)測(cè)區(qū)域地勢(shì)、地物、地貌以及丈量經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定飛翔道路?？墒强臻g電磁環(huán)境十分雜亂，固定的飛翔道路不能有針對(duì)性的施行監(jiān)測(cè)使命，無(wú)法滿意尋覓無(wú)線電信號(hào)最佳丈量時(shí)機(jī)和丈量方位的準(zhǔn)確丈量需求。
現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)主動(dòng)途徑規(guī)劃都是用于完結(jié)既定使命、躲避地上和空中障礙物的途徑規(guī)劃辦法，比較于預(yù)先規(guī)劃飛翔軌道，主動(dòng)途徑規(guī)劃的環(huán)境適應(yīng)性更好，可以在愈加雜亂的動(dòng)態(tài)環(huán)境下完結(jié)既定使命，但現(xiàn)在這些途徑規(guī)劃算法的規(guī)劃準(zhǔn)則與無(wú)線電監(jiān)測(cè)無(wú)關(guān)，對(duì)進(jìn)步空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)功能沒(méi)有任何協(xié)助，但這種適應(yīng)環(huán)境改變的反饋式途徑規(guī)劃思維是值得學(xué)習(xí)的。依據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)的不同，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)的辦法、最佳方位都不相同，因而本文測(cè)驗(yàn)設(shè)計(jì)一種新的空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)辦法，在空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)中引入主動(dòng)途徑規(guī)劃的思維，使途徑規(guī)劃準(zhǔn)則與無(wú)線電監(jiān)測(cè)直接相關(guān)，即依據(jù)前一階段監(jiān)測(cè)剖析的成果規(guī)劃下一階段無(wú)人機(jī)的飛翔途徑，在飛翔過(guò)程中接連監(jiān)測(cè)，循環(huán)迭代監(jiān)測(cè)成果批改航線，以期繼續(xù)取得最佳丈量方位和丈量值，滿意無(wú)線電準(zhǔn)確丈量的需求。
1空中頻譜監(jiān)測(cè)的相關(guān)測(cè)驗(yàn)
2008年開(kāi)端進(jìn)行空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)的討論，提出了空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)對(duì)無(wú)人機(jī)的要求，對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)對(duì)飛翔高度、續(xù)航時(shí)刻以及操控方法等無(wú)人機(jī)研制急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了剖析。
2012年成都九華圓通公司使用無(wú)人直升機(jī)搭載無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了空中監(jiān)測(cè)渠道與地上監(jiān)測(cè)設(shè)備構(gòu)成的立體監(jiān)測(cè)。提高了在雜亂地理環(huán)境下的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)才干。2014年西華大學(xué)研制出依據(jù)多旋翼機(jī)器人的空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)體系，選用比幅法丈量輻射源方向，并選用交叉定位法取得信號(hào)源方位，測(cè)向定位差錯(cuò)為200米。隨后浙江省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站、寧波市無(wú)線電監(jiān)測(cè)站、成都華日通訊、上海創(chuàng)遠(yuǎn)儀器別離試驗(yàn)和制作了依據(jù)旋翼無(wú)人機(jī)的空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)體系，使用形式均選用多旋翼無(wú)人機(jī)裝載無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備，經(jīng)過(guò)遙控方法遍及選用預(yù)先規(guī)劃軌道或?qū)崟r(shí)地上操控。
2015年西華大學(xué)研制的用于無(wú)線電監(jiān)測(cè)的空中智能機(jī)器人是國(guó)內(nèi)首個(gè)使用自主途徑規(guī)劃的有用空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)體系，選用監(jiān)測(cè)得到的場(chǎng)強(qiáng)散布成果引導(dǎo)無(wú)人機(jī)自主途徑規(guī)劃，但沒(méi)有揭露更多其自主途徑規(guī)劃性能指標(biāo)。
國(guó)外空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)使用方面，除一個(gè)用于查找播送天線體系故障的無(wú)人機(jī)頻譜監(jiān)測(cè)使用外，其他查到的空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)體系都用于軍事，盡管沒(méi)有揭露闡明其軍事使用的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)體系操控方法，但從其可以主動(dòng)定位盯梢方針等描繪中猜想其無(wú)人機(jī)體系應(yīng)該裝載有自主和人工兩種操控形式。
空中渠道在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的懸停監(jiān)測(cè)或沿預(yù)設(shè)軌道飛翔監(jiān)測(cè)方法中僅起到升空接納的作用，而依據(jù)丈量使命和空中實(shí)時(shí)丈量成果進(jìn)行飛翔軌道規(guī)劃的無(wú)線電丈量方法還剛起步，如何充分使用機(jī)動(dòng)性、通視性等空中渠道優(yōu)勢(shì)取得最佳丈量時(shí)機(jī)和方位是當(dāng)時(shí)研討的一個(gè)難點(diǎn)。
2空中監(jiān)測(cè)使命
無(wú)人空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)是指把監(jiān)測(cè)設(shè)備裝載在無(wú)人空中渠道進(jìn)行的無(wú)線電監(jiān)測(cè)方法?？罩斜O(jiān)測(cè)使命首要包含丈量指定區(qū)域電磁頻譜環(huán)境、無(wú)線電信號(hào)參數(shù)，對(duì)信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)向定位，并依此生成區(qū)域電磁態(tài)勢(shì)。常見(jiàn)的可用于空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)的無(wú)人渠道有固定翼、單旋翼、多旋翼無(wú)人機(jī)以及氣球、飛艇等。無(wú)人渠道的挑選對(duì)完結(jié)快速、高精度無(wú)線電信號(hào)丈量和測(cè)向使命具有決定性含義。多旋翼無(wú)人機(jī)是一種較為抱負(fù)的空中丈量渠道，其操控簡(jiǎn)潔，可實(shí)現(xiàn)半自主式和全自主式操控，可以完結(jié)懸停、小半徑直角轉(zhuǎn)向等飛翔動(dòng)作，既滿意空中飛翔機(jī)動(dòng)靈活的要求，也可以供給空中監(jiān)測(cè)設(shè)備的載荷需求。
影響空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)精度的首要因素是天線方向和監(jiān)測(cè)間隔，所以在監(jiān)測(cè)過(guò)程中不斷優(yōu)化二者才干取得更精確的信號(hào)參數(shù)?？罩袩o(wú)線電監(jiān)測(cè)可劃分為三個(gè)階段：一是發(fā)現(xiàn)信號(hào)階段，此階段旋翼機(jī)在某預(yù)先規(guī)劃的飛翔軌道升空飛翔，實(shí)時(shí)丈量空間頻譜，發(fā)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)；二是定位信號(hào)源階段，發(fā)現(xiàn)方針后使用旋翼機(jī)載監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)向，經(jīng)過(guò)初始測(cè)向成果斷定“當(dāng)時(shí)最佳丈量方位”，在規(guī)則的丈量時(shí)刻內(nèi)使用“當(dāng)時(shí)最佳丈量方位批改算法”進(jìn)行迭代運(yùn)算，實(shí)時(shí)規(guī)劃丈量途徑，尋覓當(dāng)時(shí)最佳丈量方位；三是取得最優(yōu)丈量參數(shù)，歸納信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、頻譜和信號(hào)源方位等參數(shù)生成區(qū)域電磁態(tài)勢(shì)。本文著重對(duì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)后的第二階段旋翼機(jī)途徑規(guī)劃進(jìn)行討論。
3依據(jù)丈量使命尋覓最佳丈量途徑
針對(duì)監(jiān)測(cè)使命需求預(yù)先規(guī)劃多旋翼無(wú)人機(jī)飛翔高度和預(yù)先飛翔軌道，依據(jù)地域的巨細(xì)和地勢(shì)地貌，斷定旋翼機(jī)升空高度，依據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地勢(shì)地貌斷定預(yù)先飛翔軌道。
在發(fā)現(xiàn)信號(hào)后，依據(jù)第一階段監(jiān)測(cè)過(guò)程中測(cè)得的信號(hào)源方向，實(shí)時(shí)斷定轉(zhuǎn)向視點(diǎn)，不斷迭代調(diào)整飛翔方向，達(dá)到最佳監(jiān)測(cè)作用。假定監(jiān)測(cè)使命是獲取半徑120km區(qū)域內(nèi)信號(hào)源的頻譜占用度、場(chǎng)強(qiáng)散布、方位等信息。
依據(jù)丈量使命的描繪，在未知輻射源散布規(guī)則的前提下，需求丈量節(jié)點(diǎn)針對(duì)某一個(gè)輻射源丈量并逐次迫臨，丈量不同參數(shù)，需求的丈量方法不同，例如丈量電磁環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)散布需求在盡量多的方位靜止地測(cè)出所在方位的場(chǎng)強(qiáng)值，這樣依據(jù)傳達(dá)模型預(yù)測(cè)出的電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)散布才愈加精確；而丈量輻射源方位，則需求在運(yùn)動(dòng)中丈量輻射源的方向，再依據(jù)丈量的成果挑選恰當(dāng)?shù)姆轿晦D(zhuǎn)向恰當(dāng)?shù)姆较颍饾u迫臨輻射源所在方位的上空，以期取得更精確的方位丈量成果。
3.1多旋翼無(wú)人機(jī)飛翔高度規(guī)劃
多旋翼無(wú)人機(jī)飛翔與的鴻溝連線構(gòu)成一個(gè)與地球相切的圓錐面，切線在地球外表圍成的丈量規(guī)模是一個(gè)球冠的上外表。
3.2初始飛翔方向規(guī)劃
穿插定位精度受監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與信號(hào)源方向夾角、測(cè)向精度、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、監(jiān)測(cè)定位時(shí)刻等要素影響，信號(hào)源方向及其相反方向是測(cè)向穿插定位的盲區(qū)，空中平臺(tái)的初始飛翔方向首先要掃除這兩個(gè)方向。
實(shí)踐丈量過(guò)程中，測(cè)向差錯(cuò)會(huì)跟著丈量節(jié)點(diǎn)與信號(hào)源的間隔拉大而則增大，所以初始飛翔方向信號(hào)源方向初值夾角小于90°，否則會(huì)由于間隔增大而導(dǎo)致差錯(cuò)增加，如圖1：
3.3轉(zhuǎn)向方位和轉(zhuǎn)向視點(diǎn)規(guī)劃
多旋翼無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)向方位和轉(zhuǎn)向方向由轉(zhuǎn)向前的一切丈量成果迭代決議。轉(zhuǎn)向前的丈量成果存在兩種狀況：丈量成果收斂、丈量成果發(fā)散。如圖3-3，測(cè)向穿插定位的丈量成果是一個(gè)四邊形含糊區(qū)域，在測(cè)向精度一定的狀況下，四邊形面積縮小，即丈量成果收斂，表明信號(hào)源定位的成果比較穩(wěn)定，是可信的定位成果，闡明當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向是較好的丈量方位和運(yùn)動(dòng)方向；丈量成果發(fā)散，代表當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向是較差的丈量方位和運(yùn)動(dòng)方向，不能測(cè)得信號(hào)源方位。丈量成果收斂時(shí)，持續(xù)丈量直到在這個(gè)飛翔方向上到達(dá)抱負(fù)的丈量長(zhǎng)度；丈量成果發(fā)散時(shí)，立即中止這個(gè)方向上的丈量，根據(jù)最終測(cè)得的信號(hào)源方向從頭尋覓初始飛翔方向。
從圖3中暗影區(qū)域的構(gòu)成能發(fā)現(xiàn)用來(lái)交匯的兩個(gè)方向夾角越小，含糊區(qū)域在垂直于飛翔方向的方向上越延伸，夾角越大，含糊區(qū)域在飛翔方向上越延伸，并且對(duì)于測(cè)向穿插定位來(lái)說(shuō)，兩頭測(cè)向成果相交的夾角要遠(yuǎn)大于測(cè)向成果的含糊角，測(cè)向成果相交的含糊區(qū)域能夠近似看作平行四邊形，多個(gè)高度持平的平行四邊形明顯邊長(zhǎng)最小的矩形面積最小，因而當(dāng)且僅當(dāng)兩方向線彼此正交時(shí)，含糊區(qū)域最小。所以發(fā)作轉(zhuǎn)向的方位應(yīng)該是測(cè)向成果與測(cè)向初始值彼此正交的方位。
其次，要判別轉(zhuǎn)向視點(diǎn)，如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為向信號(hào)源方向90°時(shí)，跟著丈量的進(jìn)行，旋翼機(jī)會(huì)逐步逼近信號(hào)源，一起處理了無(wú)線電丈量和抵近信號(hào)源的問(wèn)題，所以應(yīng)取轉(zhuǎn)向方向?yàn)樾盘?hào)源方向90°。
綜上所述，基于任務(wù)的多旋翼無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃流程如圖5所示：
4結(jié)語(yǔ)
本文以充分利用旋翼無(wú)人機(jī)特性，提出了根據(jù)丈量任務(wù)的途徑規(guī)劃辦法，該辦法將主動(dòng)途徑規(guī)劃的思維與頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)合，對(duì)進(jìn)步空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)的精確度有協(xié)助，使空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)能夠習(xí)慣更加雜亂的動(dòng)態(tài)丈量環(huán)境，并減小頻譜監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)操作者的操作難度，使旋翼機(jī)能夠在最佳方位得到抱負(fù)的丈量成果。但本文提出的途徑規(guī)劃辦法還僅僅一個(gè)開(kāi)始設(shè)想，沒(méi)有進(jìn)行什物或仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提出的無(wú)人機(jī)途徑規(guī)劃辦法也是本文主要后續(xù)作業(yè)。
今日薦文的作者為裝甲兵工程學(xué)院專家劉玉軍，張行知，陳坤和裝甲兵學(xué)院專家蔡猛等。本篇節(jié)選自論文《基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的多旋翼無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃》，發(fā)表于《中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》第12卷第1期。
