CN110113094A - 一种升空通信中继无人机通视计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种升空通信中继无人机通视计算方法，根据通信中继无人机和任务无人机的位置、高度，利用地理信息系统高程数据库，计算和判断中继机对任务机的通信链路是否通视，若不通视，则地面控制系统发出警报并自动向中继机发送爬升指令，从而引导通信中继机的高度控制，保证中继机到任务机的通信链路畅通可视，能及时快速的调整好中继机的高度，使得中继机到任务机的通信链路畅通可视，维护整个无人机系统的通信可靠性和稳定性。

Description

一种升空通信中继无人机通视计算方法

技术领域

本发明涉及无人机通信领域，更具体地说，是指一种升空通信中继无人机通视计算方法。

背景技术

近年来，无人机以机动灵活、快速高效的优势在灾情视察、电力巡检、植保等多方面发挥了作用。地面通信设备有限的距离延伸能力制约了指挥控制系统的有效控制，增大了任务的难度。无人机作为一个空中通信节点能够提供有效的通信带宽，增大通信覆盖范围，以通信中继无人机为空基平台进行无线电通信中转已为众多无人机系统使用。通信中继无人机系统的应用如图1所示。

通信中继无人机系统在多山地区由于山体的遮挡以及远距离传输时地球曲率的影响时常出现通信中断，使任务无人机失控。地面飞行操作员在没有任何提示的情况下，只能手动控制中继机的高度，找到中继机合适的位置，这种操作费时费力且结果未知，降低了通信系统的可靠性和稳定性。

目前未见相关的升空通信中继无人机通视计算方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种升空通信中继无人机通视计算方法，根据通信中继无人机和任务无人机的位置、高度，利用地理信息系统高程数据库，考虑了地球曲率影响下的无线链路最远传输距离和山体遮挡的因素，计算和判断中继机对任务机的通信链路是否通视，若不通视，则地面控制系统发出警报并自动向中继机发送爬升指令，从而引导通信中继机的高度控制，保证中继机到任务机的通信链路畅通可视，提高整个无人机通信系统的可靠性和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：实时获取中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)、高度H_R，获取任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)、高度H_M；

步骤2：受地球曲率半径(6371km)的影响以及大气层对电波的折射作用，中继机到任务机的链路传输极限直视距离的修正值为其中H_R和H_M单位为米，求得D_max后，单位换算为千米，无线电波传输的有效直视距离D_e为极限直视距离的70％，即：D_e＝0.7D_max，计算中继机到任务机的链路传输有效直视距离为：

其中，H_R和H_M单位为米，求得D_e后，单位换算为千米；

步骤3：将中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)转换为平面直角大地直角坐标下的位置(X_R，Y_R)，将任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)转换为大地直角坐标下的位置(X_M，Y_M)，根据空间两点间的距离公式可计算出中继机至任务机的距离为：

步骤4：比较D_RM和D_e，若D_RM＜D_e，则进入步骤5；若D_RM≥D_e，则地面监控系统发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中继续执行步骤1至步骤4，直至D_RM＜D_e；

步骤5：若D_RM＜D_e，假设地球是一个标准球体，O为地心，半径R₀＝6371km，点R为中继机，点M为任务机，则：

中继机至地心的距离：|OR|＝R₀+H_R，

任务机至地心的距离：|OM|＝R₀+H_M，

中继机至任务机的距离：|RM|＝D_RM；

中继机、任务机和球心形成ΔROM，根据三角形余弦定理可计算：

步骤6：将∠ROM以0.1°为步长进行划分，总共能分成的个数其中为向下取整函数，即表示不大于X的最大整数；直线段OR与地球的交点为R′，直线段OM与地球的交点为M′，相应的圆弧R′M′被栅格化成n个小弧，映射到直线段RM也被栅格化成n个小段，R′和M′的经纬度即为中继机R和任务机M的经纬度，则R′和M′的大地直角坐标为(X_R，Y_R)和(X_M，Y_M)，计算M′相对于R′的方位角α和R′到M′的距离D_R′M′：

其中，方位角α为直线段R′M′与正北方向的夹角；

步骤7：i从1开始进行循环计算，i的取值范围为i≤n，当i＝k时，步骤如下：

步骤7.1：P′为R′M′上的第k个点，R′到P′的距离为：计算P′的直角坐标，即为空间直线段RM上的第k个点P的直角坐标：

步骤7.2：将直角坐标(X_P，Y_P)转换成经纬度坐标(L_P，B_P)，利用地理信息系统高程数据库可获取P′点的海拔高H_P′；

步骤7.3：在ΔROP中，∠ROP＝0.1×k，∠PRO＝∠MRO，则：∠RPO＝180-∠ROP-∠PRO，利用三角形正弦定理计算直线段OP的长度：

则直线段RM上P点的高度H_P＝|OP|-R₀；

步骤7.4：比较H_P和H_P′，若H_P＞H_P′，则i加1，重复执行步骤7.1至步骤7.4，直到i等于n，再重复执行步骤1至步骤7；若H_P≤H_P′，则终止循环，发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中实时获取中继机R和任务机M的位置和高度信息，重复执行步骤5至步骤7，直到中继机至任务机之间没有山体遮挡，通信链路畅通，关闭警报并向中继机发出平飞指令。

本发明的有益效果在于提出的升空通信中继无人机通视计算方法，能根据通信中继无人机和任务无人机的位置、高度，利用地理信息系统高程数据库，考虑了地球曲率影响下的无线链路最远传输距离和山体遮挡的因素，计算和判断通信中继机对任务机的通信通视情况，若不通视，则发出警报并自动向中继机发送爬升指令，降低无人机飞行操纵员的操作负担。能及时快速的调整好中继机的高度，使得中继机到任务机的通信链路畅通可视，维护整个无人机系统的通信可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明通信中继无人机系统应用示意图。

图2为本发明中继机、任务机与地球的关系示意图。

图3为本发明中继机与任务机的大地直角坐标关系示意图。

图4为本发明升空通信中继机通视计算实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：实时获取中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)、高度H_R，获取任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)、高度H_M；

步骤2：受地球曲率半径(6371km)的影响以及大气层对电波的折射作用，中继机到任务机的链路传输极限直视距离的修正值为其中H_R和H_M单位为米，求得D_max后，单位换算为千米，无线电波传输的有效直视距离D_e为极限直视距离的70％，即：D_e＝0.7D_max，计算中继机到任务机的链路传输有效直视距离为：

其中，H_R和H_M单位为米，求得D_e后，单位换算为千米；

步骤3：将中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)转换为平面直角大地直角坐标下的位置(X_R，Y_R)，将任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)转换为大地直角坐标下的位置(X_M，Y_M)，根据空间两点间的距离公式可计算出中继机至任务机的距离为：

步骤4：比较D_RM和D_e，若D_RM＜D_e，则进入步骤5；若D_RM≥D_e，则地面监控系统发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中继续执行步骤1至步骤4，直到D_RM＜D_e；

步骤5：若D_RM＜D_e，说明地球曲率没有影响中继机到任务机的链路有效传输，则要考虑中继机和任务机之间的山体遮挡。如图2所示，假设地球是一个标准球体，O为地心，半径R₀＝6371km，点R为中继机，点M为任务机，则：

中继机至地心的距离：|OR|＝R₀+H_R，

任务机至地心的距离：|OM|＝R₀+H_M，

中继机至任务机的距离：|RM|＝D_RM；

中继机、任务机和球心形成∠ROM，根据三角形余弦定理可计算：

步骤6：如图2所示，将∠ROM(单位：°)以0.1°为步长进行划分，总共能分成的个数其中为向下取整函数，即表示不大于X的最大整数；直线段OR与地球的交点为R′，直线段OM与地球的交点为M′，相应的圆弧R′M′被栅格化成n个小弧，映射到直线段RM也被栅格化成n个小段，R′和M′的经纬度即为中继机R和任务机M的经纬度，则R′和M′的大地直角坐标为(X_R，Y_R)和(X_M，Y_M)，如图3所示，计算M′相对于R′的方位角α和R′到M′的距离D_R′M′：

其中，方位角α为直线段R′M′与正北方向的夹角；

步骤7：i从1开始进行循环计算，i的取值范围为i≤n，当i＝k时，步骤如下：

步骤7.1：如图3所示，P′为R′M′上的第k个点，R′到P′的距离为：计算P′的直角坐标，即为空间直线段RM上的第k个点P的直角坐标：

步骤7.2：将直角坐标(X_P，Y_P)转换成经纬度坐标(L_P，B_P)，利用地理信息系统高程数据库可获取P′点的海拔高H_P′；

步骤7.3：如图2所示，在ΔROP中，∠ROP＝0.1×k，∠PRO＝∠MRO，则：∠RPO＝180-∠ROP-∠PRO，利用三角形正弦定理计算直线段OP的长度：

则直线段RM上P点的高度H_P＝|OP|-R₀；

步骤7.4：比较H_P和H_P′，若H_P＞H_P′，则i加1，重复执行步骤7.1至步骤7.4，直到i等于n，再重复执行步骤1至步骤7；若H_P≤H_P′，说明有山体遮挡，从中继机到任务机的通视阻断，则终止循环，发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中实时获取中继机R和任务机M的位置和高度信息，重复执行步骤5至步骤7，直到中继机至任务机之间没有山体遮挡，通信链路畅通，关闭警报并向中继机发出平飞指令。

本发明实施步骤如下：

步骤1：从下传的遥测数据中实时获取升空通信中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)、高度H_R＝2000m，获取任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)、高度H_M＝3000m。

步骤2：计算中继机到任务机的链路传输有效直视距离为：

步骤3：将中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)转换为大地直角坐标下的位置(X_R，Y_R)，将任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)转换为大地直角坐标下的位置(X_M，Y_M)，根据空间两点间的距离公式可计算出中继机至任务机的距离为：

步骤4：若D_RM＜D_e，则进入步骤5；若D_RM≥D_e，则地面监控系统发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中继续执行步骤1至步骤4，直到D_RM＜D_e。

步骤5：若D_RM＜D_e，说明地球曲率没有影响中继机到任务机的链路有效传输，则要考虑中继机和任务机之间的山体遮挡。假设地球是一个标准球体，O为地心，半径R₀＝6371km，点R为中继机，点M为任务机，则：

中继机至地心的距离：|OM|＝R₀+H_R＝6371000+H_R(m)

任务机至地心的距离：|OM|＝R₀+H_M＝6371000+H_M(m)

中继机至任务机的距离：|RM|＝D_RM(m)

中继机、任务机和球心形成ΔROM，根据三角形余弦定理可计算：

将∠ROM和∠MRO从弧度转换为度。

步骤6：将∠ROM以0.1°为步长进行划分，总共能分成的个数(为向下取整函数，即表示不大于X的最大整数)。直线段OR与地球的交点为R′，直线段OM与地球的交点为M′，相应的圆弧R′M′被栅格化成n个小弧，映射到直线段RM也被栅格化成n个小段。R′和M′的经纬度即为中继机R和任务机M的经纬度，则R′和M′的大地直角坐标为(X_R，Y_R)和(X_M，Y_M)，计算M′相对于R′的方位角α(直线段R′M′与正北方向的夹角)和R′到M′的距离D_R′M′：

步骤7：对i从1开始进行循环，i≤n。当i＝k时：

步骤7.1：R′到P′(P′为R′M′上的第k个点)的距离为：计算P′的直角坐标，即为空间直线段RM上的第k个点P的直角坐标：

步骤7.2：将直角坐标(X_P，Y_P)转换成经纬度坐标(L_P，B_P)(P的经纬度坐标也是P′的经纬度坐标)，利用地理信息系统高程数据库可获取P′点的海拔高H_P′。

步骤7.3：在ΔROP中，∠ROP＝0.1×k，∠PRO＝∠MRO，则：∠RPO＝180-∠ROP-∠PRO，利用三角形正弦定理计算直线段OP的长度：

则直线段RM上P点的高度H_P＝|OP|-R₀.

步骤7.4：比较H_P和H_P′，若H_P＞H_P′，则对i+1继续执行步骤7.1至步骤7.4，直到i＝n，重复执行步骤1至步骤7；若H_P≤H_P′，说明有山体遮挡，从中继机到任务机的通视阻断，则终止循环，发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中实时获取中继机R和任务机M的位置、高度信息，执行步骤5至步骤7，直到中继机至任务机之间没有山体遮挡，通信链路畅通，关闭警报并向中继机发出平飞指令。

升空通信中继机通视计算实现流程如图4所示。

Claims (1)

1.一种升空通信中继无人机通视计算方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：实时获取中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)、高度H_R，获取任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)、高度H_M；

步骤2：受地球曲率半径(6371km)的影响以及大气层对电波的折射作用，中继机到任务机的链路传输极限直视距离的修正值为其中H_R和H_M单位为米，求得D_max后，单位换算为千米，无线电波传输的有效直视距离D_e为极限直视距离的70％，即：D_e＝0.7D_max，计算中继机到任务机的链路传输有效直视距离为：

其中，H_R和H_M单位为米，求得D_e后，单位换算为千米；

步骤3：将中继机R的经纬度坐标(L_R，B_R)转换为平面直角大地直角坐标下的位置(X_R，Y_R)，将任务机M的经纬度坐标(L_M，B_M)转换为大地直角坐标下的位置(X_M，Y_M)，根据空间两点间的距离公式可计算出中继机至任务机的距离为：

步骤4：比较D_RM和D_e，若D_RM＜D_e，则进入步骤5；若D_RM≥D_e，则地面监控系统发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中继续执行步骤1至步骤4，直至D_RM＜D_e；

步骤5：若D_RM＜D_e，假设地球是一个标准球体，O为地心，半径R₀＝6371km，点R为中继机，点M为任务机，则：

中继机至地心的距离：|OR|＝R₀+H_R，

任务机至地心的距离：|OM|＝R₀+H_M，

中继机至任务机的距离：|RM|＝D_RM；

中继机、任务机和球心形成ΔROM，根据三角形余弦定理可计算：

步骤6：将∠ROM以0.1°为步长进行划分，总共能分成的个数其中为向下取整函数，即表示不大于X的最大整数；直线段OR与地球的交点为R′，直线段OM与地球的交点为M′，相应的圆弧R′M′被栅格化成n个小弧，映射到直线段RM也被栅格化成n个小段，R′和M′的经纬度即为中继机R和任务机M的经纬度，则R′和M′的大地直角坐标为(X_R，Y_R)和(X_M，Y_M)，计算M′相对于R′的方位角α和R′到M′的距离D_R′M′：

其中，方位角α为直线段R′M′与正北方向的夹角；

步骤7：i从1开始进行循环计算，i的取值范围为i≤n，当i＝k时，步骤如下：

步骤7.1：P′为R′M′上的第k个点，R′到P′的距离为：计算P′的直角坐标，即为空间直线段RM上的第k个点P的直角坐标：

步骤7.2：将直角坐标(X_P，Y_P)转换成经纬度坐标(L_P，B_P)，利用地理信息系统高程数据库可获取P′点的海拔高H_P′；

步骤7.3：在ΔROP中，∠ROP＝0.1×k，∠ROP＝∠MRO，则：∠RPO＝180-∠ROP-∠PRO，利用三角形正弦定理计算直线段OP的长度：则直线段RM上P点的高度H_P＝|OP|-R₀；

步骤7.4：比较H_P和H_P′，若H_P＞H_P′，则i加1，重复执行步骤7.1至步骤7.4，直到i等于n，再重复执行步骤1至步骤7；若H_P≤H_P′，则终止循环，发出警报并向中继机发送爬升指令，在中继机升高的过程中实时获取中继机R和任务机M的位置和高度信息，重复执行步骤5至步骤7，直到中继机至任务机之间没有山体遮挡，通信链路畅通，关闭警报并向中继机发出平飞指令。