CN104406589B

CN104406589B - 一种飞行器穿越雷达区的飞行方法

Info

Publication number: CN104406589B
Application number: CN201410641242.9A
Authority: CN
Inventors: 陶坤旺; 张福浩; 胡璐锦; 仇阿根
Original assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Current assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: CN104406589A

Abstract

本发明涉及飞行器导航领域，具体涉及一种飞行器穿越雷达区的飞行方法，包括以下步骤：S1获得雷达站点分布数据、雷达属性数据、雷达部署区域地形数据和飞行器属性；S2根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，计算雷达的可视范围；S3计算雷达不可视区域内栅格点的联通性分析，得出所有可达栅格点集合构建为安全飞行规划路径；S4按照步骤S3中的安全飞行规划路径对飞机进行导航。本发明充分考虑了复杂的地形环境障碍，以及飞行器自身属性约束，最突出的是考虑了雷达区的约束，对复杂的战场环境进行了充分的模拟和分析，无限接近真实战场地理环境，为飞行器安全通过雷达部署区域提供了优化的路径导航。

Description

一种飞行器穿越雷达区的飞行方法

技术领域

本发明涉及飞行器导航领域，尤其涉及一种飞行器穿越雷达区的飞行方法。

背景技术

随着科技的发展，路径规划作为一些领域的关键技术，国内外有很多学者对路径规划进行了研究并取得了不少成果。路径规划的应用范围很广，目前主要用于线路导航、虚拟现实、智能计算以及机器人领域。

路径规划是运动规划的主要研究内容之一。运动规划由路径规划和轨迹规划组成，连接起点位置和终点位置的序列点或曲线称之为路径，构成路径的策略称之为路径规划。路径规划在机器人学与虚拟现实中研究较多，主要研究内容可概括为：1)静态结构化环境下的路径规划；2)动态已知环境下的路径规划；3)动态不确定环境下的路径规划。根据规划体对环境信息知道的程度不同，路径规划可分为两种类型：环境信息完全已知的全局路径规划，又称静态或离线路径规划；环境信息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划，又称动态或在线路径规划。局部路径规划和全局路径规划并有本质区别。很多适用于全局路径规划的方法经过改进都可以用于局部路径规划；而适用于局部路径规划的方法都可以适用于全局路径规划。

同时针对路径规划所服务的对象的不同，路径规划又可分为面向地面实体如坦克、汽车、机器人等，以及面向空中实体的路径规划，如各种不同的飞行器。

传统的飞行路径规划，往往只考虑地球表层地形环境、气象环境，是针对自动躲避障碍物如高山等而设计，而少有同时考虑复杂地形环境下，雷达危险区域的约束控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种参照复杂地形环境、雷达危险区域的约束控制，合理进行飞行路径预规划的飞行器穿越雷达区的飞行方法。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

1、一种飞行器穿越雷达区的飞行方法，包括以下步骤：

S1获得雷达站点分布数据、雷达属性数据、雷达部署区域地形数据和飞行器属性；

S2根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，计算雷达的可视范围；

S3计算雷达不可视区域内栅格点的联通性分析，得出所有可达栅格点集合构建为安全飞行规划路径，联通性判断方法是：判断当前栅格点与八方向相邻栅格单元是否均属于当前栅格点的可视栅格区域；如果属于当前栅格点的可视栅格区域，则判断为可联通，否则，判断为不可联通；

S4按照步骤S3中的安全飞行规划路径对飞机进行导航；

所述步骤S1中，雷达部署区域地形数据的处理分析采用数字地形分析中DEM数据分析；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21按照雷达部署区域地形数据的分辨率为基础，以雷达部署点为中心点，考虑雷达的可视半径，计算无地形环境的可视范围图；

S22根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，循环计算雷达中心点到平坦雷达可视范围内可视数据栅格点，得出可视数据栅格点的集合；

所述步骤S21中，雷达部署区域地形数据以10米分辨率为基础，设置雷达可视域的栅格计算图；

所述步骤S22包括以下步骤：

I.采用下述公式1计算雷达中心点和目标点的最大直视距离L；

公式1：

然后以雷达中心点为视点，计算视点和目标点的地心惯性坐标，计算两者之间的直线距离d，若d大于L，则判定不能通视；否则，进行以下步骤的计算；

II.计算雷达中心点与目标点连线之间球面所经过栅格数据点的经纬度坐标的视点集S{P₁，P₂，P₃，...Pn}，其中P代表视线所经过的每个栅格点；

III.循环计算视点集S中的栅格数据点的真实高程值Hti；真实高程值Hti为所处经纬度点原始高程H_ori与地面曲率影响下所抬高的高程H_s之和，建立雷达中心点与目标点所经每个栅格点的可视高程阈值H_i与当前栅格点与雷达中心点距离d_i之间的变量关系；

公式2：

H_i＝k(d_i-D)+H_t

其中，d_i为当前栅格点与雷达中心点距离；D为雷达中心点与目标点之间的距离，H_t为目标点的真实高程，k为直线斜率；

公式3：

k＝(H_t-H_c)/(D-0)

，其中，Hc为雷达中心点的真实高程；

如果在视点集中，存在计算的真实高程值Hti大于可视高程阈值H_i，则判断雷达中心点与目标点两点不可视；如果循环结束，真实高程值Hti均小于可视高程阈值H_i，则两点可视。

优选地，所述步骤S1中，飞行器属性包括飞机进入雷达部署区域的初始位置P、飞机自身参数以及飞行最大限制高度。

优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31根据飞行器的属性，从飞机进入雷达部署区域位置P开始，逐个栅格点计算飞行路径，且计算当前栅格点是否满足以下条件，如果满足以下条件，则当前栅格点作为路径点之一：

a.属于雷达不可视范围区域；

b.飞机飞行高度值小于相邻最近的一个或多个雷达点被阻挡的高程；

c.计算与当前所处雷达半径范围内雷达站点是否可视；

d.飞机高度小于飞机的最大高程限制；

S32循环至整个雷达部署区域，找出所有满足步骤S31条件的栅格点进行联通性判断，所有相邻并具有联通性的栅格点集合构建为安全可达飞行路径。

优选地，所述步骤S32的联通性判断方法是：判断当前栅格点与八方向相邻栅格单元是否均属于当前栅格点的可视栅格区域；如果属于当前栅格点的可视栅格区域，则判断为可联通，否则，判断为不可联通。

优选地，所述步骤S4中，飞行器可从规划的多条安全飞行规划路径中，根据最短距离或最短时间，确定一条为安全飞行规划路径。

(三)有益效果

与现有技术和产品相比，本发明有如下优点：

本发明充分考虑了复杂的地形环境障碍，以及飞行器自身属性约束，最突出的是考虑了雷达区的约束，对复杂的战场环境进行了充分的模拟和分析，无限接近真实战场地理环境，为飞行器安全通过雷达部署区域提供了优化的路径导航。对虚拟战场中的无人机导航、飞行路径预规划等都具有一定的决策指导意义。

附图说明

图1是本发明的无高程阻挡的雷达可视区域的示意图

图2是本发明的加入高程阻挡的可视区域的示意图；

图3是本发明的雷达点可视范围展示的示意图；

图4是本发明地形曲率导致两点不可视的示意图；

图5是本发明的中心点与目标点之间可视点集的示意图；

图6是本发明的地形曲率对地面高程影响示意图；

图7是本发明的飞行路径规划结果图；

图8是本发明提供的飞行器穿越雷达区的飞行方法实施步骤示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图8所示，本实施例提供一种飞行器穿越雷达区的飞行方法，具体包括以下步骤：

1.获得雷达站点分布数据、雷达属性数据、雷达部署区域地形数据和飞行器属性；

其中，主要的数据预处理包括以下几个部分：

(1)雷达站点分布数据，主要用于计算雷达可视域栅格图，雷达站点分布经纬度数据与雷达属性数据(如雷达的可视域半径等自身参数)的空间数据库关联。

(2)雷达部署区域地形数据，用于计算雷达可视域以及飞行路径，雷达部署区域地形数据实验课采用GDEM 30米分辨率数据，为可视域计算的精度需求，利用数字地形分析进行地形数据内插，计算高精度地形数据。这里通过内插生成雷达部署区域的10米精度的的DEM数据。

(3)雷达部署区域矢量数据以及影像数据，用于飞行路径规划的结果展示。

(4)飞机进入雷达部署区域的初始位置P，以及飞机自身参数，飞行最大限制高度。

2.根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，计算雷达的可视范围。

1)按照雷达部署区域地形数据的分辨率为基础，以雷达部署点为中心点，考虑雷达的可视半径，计算无地形环境的可视范围图；

按照当前地形数据的分辨率(这里采用10米分辨率数据)为基础，设置雷达可视域的栅格计算图。以雷达部署点位中心点，考虑雷达的属性即雷达的可视半径，计算无地形环境，即平坦区域雷达的可视范围图，如图1所示。

2)根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，循环计算雷达中心点到平坦雷达可视范围内可视数据栅格点，得出可视数据栅格点的集合。

考虑地球曲率计算地形影响下，循环计算雷达中心点到平坦雷达可视范围内各数据栅格点的可视性。如图2和图3所示，可视数据栅格点的集合就是加入阻挡的可视区域范围。

具体地，采用以下方法循环计算雷达中心点到平坦雷达可视范围内各数据栅格点的可视性(这里以雷达中心点位视点，以雷达可视范围内欲判断是否可视点位目标点)：

I.采用下述公式1计算雷达中心点和目标点的最大直视距离L；

公式1：

然后以雷达中心点为视点，计算视点和目标点的地心惯性坐标计算两者之间的直线距离d，若d大于L，则判定视点与目标点不能通视；否则，进行以下步骤的计算。

考虑地形曲率的两点通视分析的主要原理为：由于地球表面是曲面，即使视点和目标点之间没有障碍物，也不能无限远通视，两者之间有一个最大直视距离，如图4所示，视点为当前眼睛所在点图中为地面A点，目标点是远离视点判断与当前视点是否通视的点，图中为地面B点。

II.计算雷达中心点与目标点连线之间球面所经过栅格数据点的经纬度坐标的视点集S{P₁，P₂，P₃，...Pn}，其中P代表视线所经过的每个栅格点；如下图5所示，填充区域视点数据集合，P点为中心点，T点为目标点。

III.循环计算视点集S中的栅格数据点的真实高程值H_ti；真实高程值H_ti为所处经纬度点原始高程H_ori与地面曲率影响下所抬高的高程H_s之和，如下图6所示，A、B两点为相同水平点的两点，不计地球曲率则两点高度相同，考虑地球曲率之后，B点的高程的抬高值为Hs。建立雷达中心点与目标点所经每个栅格点的可视高程阈值H_i与当前栅格点与雷达中心点距离d_i之间的变量关系(直线方程)，如下公式2与公式3。在公式2中，D为雷达中心点与目标点之间的距离，H_t为目标点的真实高程，H_c为雷达中心点的真实高程。其中直线斜率计算如下公式3，是通过将雷达中心点高程与距自己的距离0以及目标点高程与距雷达中心点的距离D带入公式2求取。

公式2：

H_i＝k(d_i-D)+H_t

公式3：

k＝(H_t-H_c)/(D-0)

如果在视点集中，存在计算的真实高程值H_ti大于可视高程阈值H_i，则判断雷达中心点与目标点两点不可视，如果循环结束均真实高程值Hti均小于可视高程阈值H_i，则两点可视。

3.计算雷达不可视区域内栅格点的联通性分析，得出所有可达栅格点集合构建为安全飞行规划路径，具体地步骤如下：

1)根据飞行器的属性，从飞机进入雷达部署区域位置P开始，逐个栅格点计算飞行路径，且计算当前栅格点是否满足以下条件，如果满足以下条件，则当前栅格点作为路径点之一：

a.属于雷达不可视范围区域；

c.计算与当前所处雷达半径范围内雷达站点是否可视；

d.飞机高度小于飞机的最大高程限制。

2)循环至整个雷达区域，找出所有满足条件的栅格点，判断其联通性。这里采用八邻域追踪方法，以雷达进入点P作为第一个栅格点C，判断其八方向栅格点是否属于雷达不可视区域(即安全区域)，如果是，则以当前邻域栅格C_i作为新的栅格中心点C，判断其八邻域方向。依次循环结束至雷达部署区域边界。所有相邻并具有联通性的栅格集合构建为安全可达飞行路径。如下图7黑色背景区域，为最终选择计算的安全飞行规划路径。

4.按照步骤3中的安全飞行规划路径对飞机进行导航。

以上实施例仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种飞行器穿越雷达区的飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1 获得雷达站点分布数据、雷达属性数据、雷达部署区域地形数据和飞行器属性；

S2 根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，计算雷达的可视范围；

S3 计算雷达不可视区域内栅格点的联通性分析，得出所有可达栅格点集合构建为安全飞行规划路径，联通性判断方法是：判断当前栅格点与八方向相邻栅格单元是否均属于当前栅格点的可视栅格区域；如果属于当前栅格点的可视栅格区域，则判断为可联通，否则，判断为不可联通；

S4 按照步骤S3中的安全飞行规划路径对飞机进行导航；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21 按照雷达部署区域地形数据的分辨率为基础，以雷达部署点为中心点，考虑雷达的可视半径，计算无地形环境的可视范围图；

S22 根据地球曲率、雷达部署区域地形数据，循环计算雷达中心点到平坦雷达可视范围内可视数据栅格点，得出可视数据栅格点的集合；

所述步骤S22包括以下步骤：

Ⅰ.采用下述公式1计算雷达中心点和目标点的最大直视距离L；

公式1：

Ⅱ.计算雷达中心点与目标点连线之间球面所经过栅格数据点的经纬度坐标的视点集S{P₁，P₂，P₃，...Pn}，其中P代表视线所经过的每个栅格点；

Ⅲ.循环计算视点集S中的栅格数据点的真实高程值Hti；真实高程值Hti为所处经纬度点原始高程H_ori与地面曲率影响下所抬高的高程H_s之和，建立雷达中心点与目标点所经每个栅格点的可视高程阈值H_i与当前栅格点与雷达中心点距离d_i之间的变量关系；

公式2：

H_i＝k(d_i-D)+H_t

公式3：

k＝(H_t-H_c)/(D-0)，其中，H_c为雷达中心点的真实高程；

如果在视点集中，存在计算的真实高程值Hti大于可视高程阈值Hi，则判断雷达中心点与目标点两点不可视；如果循环结束，真实高程值Hti均小于可视高程阈值Hi，则两点可视。

2.根据权利要求1所述的飞行器穿越雷达区的飞行方法，其特征在于，所述步骤S1中，飞行器属性包括飞机进入雷达部署区域的初始位置P、飞机自身参数以及飞行最大限制高度。

3.根据权利要求1所述的飞行器穿越雷达区的飞行方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31 根据飞行器的属性，从飞机进入雷达部署区域位置P开始，逐个栅格点计算飞行路径，且计算当前栅格点是否满足以下条件，如果满足以下条件，则当前栅格点作为路径点之一：

a.属于雷达不可视范围区域；

c.计算与当前所处雷达半径范围内雷达站点是否可视；

d.飞机高度小于飞机的最大高程限制；

S32 循环至整个雷达部署区域，找出所有满足步骤S31条件的栅格点进行联通性判断，所有相邻并具有联通性的栅格点集合构建为安全可达飞行路径。

4.根据权利要求1～3任一项所述的飞行器穿越雷达区的飞行方法，其特征在于，所述步骤S4中，飞行器可从规划的多条安全飞行规划路径中，根据最短距离或最短时间，确定一条为安全飞行规划路径。