劉玉軍，張行知，蔡猛，陳坤

(1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 233090)

基于監(jiān)測任務(wù)的多旋翼無人機路徑規(guī)劃

劉玉軍1，張行知1，蔡猛2，陳坤1

(1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 233090)

針對當(dāng)前空中無線電監(jiān)測依賴于懸?；蜓仡A(yù)設(shè)軌跡飛行的監(jiān)測方式，不能充分利用空中平臺機動靈活的能力，無法獲得最佳測量位置和測量值的問題，分析了空中無線電監(jiān)測任務(wù)和監(jiān)測過程，在現(xiàn)有空中電磁頻譜測向定位方法的基礎(chǔ)上，提出一種多旋翼無人機自主路徑規(guī)劃方法，根據(jù)監(jiān)測任務(wù)實時進行無線電監(jiān)測，將循環(huán)迭代的監(jiān)測結(jié)果作為自主路徑規(guī)劃的依據(jù)，研究包括無人機飛行的高度、方向、轉(zhuǎn)向判據(jù)和轉(zhuǎn)向角度的控制方法，并設(shè)計了無人機路徑規(guī)劃流程。

無人機；空中頻譜監(jiān)測；任務(wù)規(guī)劃；路徑規(guī)劃

0 引 言

基于無人空中平臺的無線電監(jiān)測從20世紀(jì)90年代末就開始有相關(guān)嘗試。到目前為止，無人空中監(jiān)測主要采用升空懸停監(jiān)測和預(yù)先規(guī)劃軌跡監(jiān)測兩種方式。升空懸停監(jiān)測只是單純地提升了接收機和天線的高度，擴大了監(jiān)測范圍，提高了某些參數(shù)的測量精度，可觀測的內(nèi)容與地面監(jiān)測站大體一致。預(yù)先規(guī)劃軌跡監(jiān)測需要在無人平臺升空前，由操作人員根據(jù)既定測量任務(wù)、監(jiān)測區(qū)域地形、地物、地貌以及測量經(jīng)驗，預(yù)先設(shè)定飛行路線。但是空間電磁環(huán)境十分復(fù)雜，固定的飛行路線不能有針對性的實施監(jiān)測任務(wù)，無法滿足尋找無線電信號最佳測量時機和測量位置的精確測量需要。

現(xiàn)有的無人機自動路徑規(guī)劃都是用于完成既定任務(wù)、規(guī)避地面和空中障礙物的路徑規(guī)劃方法，相比于預(yù)先規(guī)劃飛行軌跡，自動路徑規(guī)劃的環(huán)境適應(yīng)性更好，能夠在更加復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境下完成既定任務(wù)，但目前這些路徑規(guī)劃算法的規(guī)劃原則與無線電監(jiān)測無關(guān)，對提高空中無線電監(jiān)測性能沒有任何幫助，但這種適應(yīng)環(huán)境變化的反饋式路徑規(guī)劃思想是值得借鑒的。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的不同，空中無線電監(jiān)測的方法、最佳位置都不相同，因此本文嘗試設(shè)計一種新的空中無線電監(jiān)測方法，在空中無線電監(jiān)測中引入自動路徑規(guī)劃的思想，使路徑規(guī)劃原則與無線電監(jiān)測直接相關(guān)，即根據(jù)前一階段監(jiān)測分析的結(jié)果規(guī)劃下一階段無人機的飛行路徑，在飛行過程中連續(xù)監(jiān)測，循環(huán)迭代監(jiān)測結(jié)果修正航線，以期持續(xù)獲得最佳測量位置和測量值，滿足無線電精確測量的需要。

1 空中頻譜監(jiān)測的相關(guān)嘗試

2008年開始進行空中無線電監(jiān)測的探討[1]，提出了空中無線電監(jiān)測對無人機的要求，對無線電監(jiān)測對飛行高度、續(xù)航時間以及控制方式等無人機研發(fā)急需解決的關(guān)鍵問題進行了分析。

2012年成都九華圓通公司利用無人直升機搭載無線電監(jiān)測測向設(shè)備[2]，實現(xiàn)了空中監(jiān)測平臺與地面監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成的立體監(jiān)測。提高了在復(fù)雜地理環(huán)境下的電磁環(huán)境監(jiān)測能力。2014年西華大學(xué)研發(fā)出基于多旋翼機器人的空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)，采用比幅法測量輻射源方向，并采用交叉定位法獲得信號源位置[3,4]，測向定位誤差為200米。隨后浙江省無線電監(jiān)測站[5]、寧波市無線電監(jiān)測站[6]、成都華日通信[7]、上海創(chuàng)遠儀器[8]分別實驗和制造了基于旋翼無人機的空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用模式均采用多旋翼無人機裝載無線電監(jiān)測設(shè)備，通過遙控方式普遍采用預(yù)先規(guī)劃軌道或?qū)崟r地面操控。

2015年西華大學(xué)研發(fā)的用于無線電監(jiān)測的空中智能機器人[9]是國內(nèi)首個應(yīng)用自主路徑規(guī)劃的實用空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)，采用監(jiān)測得到的場強分布結(jié)果引導(dǎo)無人機自主路徑規(guī)劃，但沒有公開更多其自主路徑規(guī)劃性能指標(biāo)。

國外空中無線電監(jiān)測應(yīng)用方面，除一個用于查找廣播天線系統(tǒng)故障的無人機頻譜監(jiān)測應(yīng)用[10]外，其余查到的空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)都用于軍事[11,12]，雖然沒有公開說明其軍事應(yīng)用的無人機監(jiān)測系統(tǒng)操控方式，但從其能夠自動定位跟蹤目標(biāo)等描述中[12]猜測其無人機系統(tǒng)應(yīng)該裝載有自主和人工兩種操控模式。

空中平臺在國內(nèi)現(xiàn)有的懸停監(jiān)測或沿預(yù)設(shè)軌跡飛行監(jiān)測方式中僅起到升空接收的作用，而依據(jù)測量任務(wù)和空中實時測量結(jié)果進行飛行軌跡規(guī)劃的無線電測量方式還剛起步，如何充分利用機動性、通視性等空中平臺優(yōu)勢獲得最佳測量時機和位置是當(dāng)前研究的一個難點。

2 空中監(jiān)測任務(wù)

無人空中無線電監(jiān)測是指把監(jiān)測設(shè)備裝載在無人空中平臺進行的無線電監(jiān)測方式?？罩斜O(jiān)測任務(wù)主要包括測量指定區(qū)域電磁頻譜環(huán)境、無線電信號參數(shù)，對信號源進行實時監(jiān)測和測向定位，并依此生成區(qū)域電磁態(tài)勢。常見的可用于空中無線電監(jiān)測的無人平臺有固定翼、單旋翼、多旋翼無人機以及氣球、飛艇等。無人平臺的選擇對完成快速、高精度無線電信號測量和測向任務(wù)具有決定性意義。多旋翼無人機是一種較為理想的空中測量平臺，其操控簡便，可實現(xiàn)半自主式和全自主式控制，能夠完成懸停、小半徑直角轉(zhuǎn)向等飛行動作，既滿足空中飛行機動靈活的要求，也能夠提供空中監(jiān)測設(shè)備的載荷需求。

影響空中無線電監(jiān)測精度的主要因素是天線方向和監(jiān)測距離，所以在監(jiān)測過程中不斷優(yōu)化二者才能獲得更精確的信號參數(shù)。空中無線電監(jiān)測可劃分為三個階段：一是發(fā)現(xiàn)信號階段，此階段旋翼機在某預(yù)先設(shè)計的飛行軌跡升空飛行，實時測量空間頻譜，發(fā)現(xiàn)待測信號；二是定位信號源階段，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后利用旋翼機載監(jiān)測設(shè)備進行測向，通過初始測向結(jié)果判定“當(dāng)前最佳測量位置”，在規(guī)定的測量時間內(nèi)利用“當(dāng)前最佳測量位置修正算法”進行迭代運算，實時規(guī)劃測量路徑，尋找當(dāng)前最佳測量位置；三是獲得最優(yōu)測量參數(shù)，綜合信號場強、頻譜和信號源位置等參數(shù)生成區(qū)域電磁態(tài)勢。本文著重對發(fā)現(xiàn)信號后的第二階段旋翼機路徑規(guī)劃進行探討。

3 基于測量任務(wù)尋找最佳測量路徑

針對監(jiān)測任務(wù)需要預(yù)先規(guī)劃多旋翼無人機飛行高度和預(yù)先飛行軌跡，根據(jù)地域的大小和地形地貌，確定旋翼機升空高度，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域地形地貌確定預(yù)先飛行軌跡。

在發(fā)現(xiàn)信號后，根據(jù)第一階段監(jiān)測過程中測得的信號源方向，實時確定轉(zhuǎn)向角度，不斷迭代調(diào)整飛行方向，達到最佳監(jiān)測效果。

假設(shè)監(jiān)測任務(wù)是獲取半徑120 km區(qū)域內(nèi)信號源的頻譜占用度、場強分布、位置等信息。

根據(jù)測量任務(wù)的描述，在未知輻射源分布規(guī)律的前提下，需要測量節(jié)點針對某一個輻射源測量并逐次逼近，測量不同參數(shù)，需要的測量方法不同，例如測量電磁環(huán)境的場強分布需要在盡量多的位置靜止地測出所在位置的場強值，這樣根據(jù)傳播模型預(yù)測出的電磁環(huán)境場強分布才更加準(zhǔn)確；而測量輻射源位置，則需要在運動中測量輻射源的方向，再根據(jù)測量的結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)奈恢棉D(zhuǎn)向適當(dāng)?shù)姆较?，逐步逼近輻射源所在位置的上空，以期獲得更準(zhǔn)確的位置測量結(jié)果。

3.1 多旋翼無人機飛行高度規(guī)劃

多旋翼無人機飛行與的邊界連線構(gòu)成一個與地球相切的圓錐面，切線在地球表面圍成的測量范圍是一個球冠的上表面。

設(shè)空中平臺的升空高度為H，球冠高度為h，地球半徑為R，球冠的球心角為2γ，球冠的上表面積為：

S=2πRh=2πR2(1-cosγ)

其中：

可以得出：

(1)

式(1)為升空高度與監(jiān)測區(qū)域之間的關(guān)系，如在半徑為120 km的圓形待測地面范圍內(nèi)，旋翼機升空高度約為1.2 km。

3.2 初始飛行方向規(guī)劃

交叉定位精度受監(jiān)測節(jié)點運動方向與信號源方向夾角、測向精度、監(jiān)測節(jié)點運動速度、監(jiān)測定位時間等因素影響，信號源方向及其相反方向是測向交叉定位的盲區(qū)，空中平臺的初始飛行方向首先要排除這兩個方向。

實際測量過程中，測向誤差會隨著測量節(jié)點與信號源的距離拉大而則增大，所以初始飛行方向信號源方向初值夾角小于90°，否則會因為距離增大而導(dǎo)致誤差增加，如圖1：

圖1 初始方向規(guī)劃1

圖2 初始方向規(guī)劃2

3.3 轉(zhuǎn)向位置和轉(zhuǎn)向角度規(guī)劃

多旋翼無人機的轉(zhuǎn)向位置和轉(zhuǎn)向方向由轉(zhuǎn)向前的所有測量結(jié)果迭代決定。轉(zhuǎn)向前的測量結(jié)果存在兩種情況：測量結(jié)果收斂、測量結(jié)果發(fā)散。如圖3，測向交叉定位的測量結(jié)果是一個四邊形模糊區(qū)域，在測向精度一定的情況下，四邊形面積縮小，即測量結(jié)果收斂，表示信號源定位的結(jié)果比較穩(wěn)定，是可信的定位結(jié)果，說明當(dāng)前運動方向是較好的測量位置和運動方向；測量結(jié)果發(fā)散，代表當(dāng)前運動方向是較差的測量位置和運動方向，不能測得信號源位置。測量結(jié)果收斂時，繼續(xù)測量直到在這個飛行方向上達到理想的測量長度；測量結(jié)果發(fā)散時，立即停止這個方向上的測量，根據(jù)最后測得的信號源方向重新尋找初始飛行方向。

從圖3中陰影區(qū)域的構(gòu)成能發(fā)現(xiàn)用來交匯的兩個方向夾角越小，模糊區(qū)域在垂直于飛行方向的方向上越延伸，夾角越大，模糊區(qū)域在飛行方向上越延伸，而且對于測向交叉定位來說，兩端測向結(jié)果相交的夾角要遠大于測向結(jié)果的模糊角，測向結(jié)果相交的模糊區(qū)域可以近似看作平行四邊形，多個高度相等的平行四邊形顯然邊長最小的矩形面積最小，因此當(dāng)且僅當(dāng)兩方向線相互正交時，模糊區(qū)域最小。所以發(fā)生轉(zhuǎn)向的位置應(yīng)該是測向結(jié)果與測向初始值相互正交的位置。

圖3 交匯定位的模糊區(qū)域

其次，要判斷轉(zhuǎn)向角度，如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為向信號源方向90°時，隨著測量的進行，旋翼機會逐漸逼近信號源，同時解決了無線電測量和抵近信號源的問題，所以應(yīng)取轉(zhuǎn)向方向為信號源方向90°。

圖4 轉(zhuǎn)向角度規(guī)劃

綜上所述，基于任務(wù)的多旋翼無人機路徑規(guī)劃流程如圖5所示：

圖5 測量任務(wù)飛行路線規(guī)劃

信號源定位流程如圖6所示：

圖6 信號源定位流程

4 結(jié) 語

本文以充分利用旋翼無人機特性，提出了基于測量任務(wù)的路徑規(guī)劃方法，該方法將自動路徑規(guī)劃的思想與頻譜監(jiān)測結(jié)合，對提高空中無線電監(jiān)測的精確度有幫助，使空中無線電監(jiān)測能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的動態(tài)測量環(huán)境，并減小頻譜監(jiān)測無人機操作者的操作難度，使旋翼機能夠在最佳位置得到理想的測量結(jié)果。但本文提出的路徑規(guī)劃方法還只是一個初步構(gòu)想，沒有進行實物或仿真實驗驗證，通過實驗驗證本文所提出的無人機路徑規(guī)劃方法也是本文主要后續(xù)工作。

[1] 費連. 利用無人駕駛空基平臺進行無線電監(jiān)測的設(shè)想[J]. 中國無線電, 2008, 12:47-52.

[2] 成都九華圓通科技發(fā)展有限公司. 基于無人機的立體無線電監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)[EB/OL].http://www.cdjhyt.cn/a/kehufuwu/jingpinanli/70.html, 九華圓通科技發(fā)展有限公司, 2012.

[3] 白宇軍, 邱承躍, 馬方立,等. 基于多旋翼機器人的空中無線電監(jiān)測系統(tǒng):中國, CN204008872U[P]. 2014.

[4] 李凱, 夏爽, 崔鎧韜,等. 多旋翼空中無線電監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 中國無線電, 2015, 6:42-43.

[5] 楊偉強, 方鼎. 多旋翼無人機在無線電監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國無線電, 2015, 12:28-30.

[6] 張金耀, 周章旺, 吳迪松,等. 無人機技術(shù)在無線電頻譜監(jiān)測中的應(yīng)用初探[J]. 中國無線電, 2015, 11:35-27.

[7] 成都華日通訊技術(shù)有限公司. HR-62升空無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)[Z].成都:成都華日通訊技術(shù)有限公司, 2015.

[8] 上海創(chuàng)遠儀器技術(shù)股份有限公司. 基于無人機的頻譜監(jiān)測及定位解決方案[Z].上海:創(chuàng)遠儀器技術(shù)股份有限公司, 2016.

[9] 西華大學(xué), 成都點陣科技有限公司. 用于無線電監(jiān)測的空中智能機器人:中國, CN204422744U[P]. 2015.

[10]Jason Schreiber. Innovative Drone Solutions Full Antenna Pattern Reconstitutation of Broadcast Systems using Unmanned Aerial Vehicles[Z]. Australia: 2015.

[11]Applied Signals Intelligence. Spectrum Monitoring Payload for ScanEagle Unmanned Aerial Vehicle[Z]. 11501 Sunset Hills Rd., Suite 300Reston, Virginia 20190-4740: 2014.

[12]Rohde & Schwarz. R&S ARDRONIS Countering threats early on[Z].Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG | 81671 Munich, Germany: 2016.

UAV Path Planning Based on the Task of Electromagnetic Spectrum Monitoring

LIU Yu-jun, ZHANG Xing-zhi, CAI Meng, CHEN Kun

(1. Information Engineering Department, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Armored Force Institute，Anhui 233090，China)

Confronting the issue that spectrum monitoring in the air is challenged in acquiring accurate position and result in case of relying on hovering or tracing in settled path nowadays and the challenge in taking advantage of the agility of UAVs, tasks and processes of spectrum monitoring in the air are analyzed. Based on existed direction-finding and locating methods, kind of autonomously path planning method for spectrum monitoring UAVs is proposed in this paper. In this method, autonomous path planning relys on results of monitoring circularly in real time. The research contains the condition for height, direction, turning and its angle of UAVs. The process of UAV path planning is designed in the end.

UAV; Spectrum monitoring in the air; Task planning; Path planning

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.01.004

2016-12-03

2017-01-18

原總裝預(yù)研基金

劉玉軍(1966—)，男，北京人，碩士，教授，主要研究方向為電磁態(tài)勢感知；

E-mail：jadecs@126.com；

張行知(1991—)，男，遼寧人，碩士研究生，主要研究方向為電磁態(tài)勢感知；

蔡 猛(1989—)，男，江蘇人，碩士，工程師，主要研究方向為電磁態(tài)勢感知；

陳 坤(1990—)，男，山東人，碩士，工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)。

TN98

A

1673-5692(2017)01-020-05