(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110035)

0 引言

Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的主要作用有兩個：一是用以提醒飛行員剩余油量僅供支持飛機(jī)返航，二是指引飛機(jī)按照最優(yōu)軌跡進(jìn)行返航。傳統(tǒng)的有人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)通常安裝在飛機(jī)上的飛管系統(tǒng)中，受機(jī)上計(jì)算資源約束，只能存儲飛機(jī)不同狀態(tài)點(diǎn)的飛行性能插值表，軌跡優(yōu)化計(jì)算時只對單一飛行階段(爬升、巡航、下滑)進(jìn)行尋優(yōu)，飛行員按照優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行飛行。傳統(tǒng)的有人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)使得其計(jì)算結(jié)果非全局最優(yōu)結(jié)果；當(dāng)考慮多種構(gòu)型、全要素時，數(shù)據(jù)將呈幾何級數(shù)的增長；并且必須人在環(huán)，無法完成自主飛行。隨著大型無人機(jī)的發(fā)展，飛機(jī)的續(xù)航能力不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)的Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)采用的局部優(yōu)化算法已經(jīng)無法滿足無人機(jī)對高續(xù)航能力的需求；無人機(jī)平臺與發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)更加精密，傳統(tǒng)的Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)無法滿足Bingo航跡導(dǎo)航高精度的計(jì)算要求。

為提高Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算精度和優(yōu)化效果，2005年，Ariel Dvorjetski[1]提出了一種Bingo航跡算法，采用完整的飛機(jī)和發(fā)動機(jī)模型對Bingo航跡導(dǎo)航進(jìn)行解算，并應(yīng)用于以色列空軍的不同飛機(jī)型號中。國內(nèi)發(fā)表的公開論文對飛行剖面優(yōu)化相關(guān)方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2-5]針對不同類型有人機(jī)采用能量狀態(tài)法簡化飛機(jī)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程，并采用龐特里亞金最大值原理完成飛行航跡的優(yōu)化，得到整個飛行過程的全局最優(yōu)解，尚無針對大型無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的研究。

本文作者針對大型無人機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高精度、全局優(yōu)化的無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)。將傳統(tǒng)的機(jī)上計(jì)算改為地面控制站計(jì)算，其中硬件部分主要由數(shù)據(jù)傳輸鏈路、存儲和解算計(jì)算機(jī)、顯示器組成，軟件部分包括了實(shí)時狀態(tài)與任務(wù)航線數(shù)據(jù)的存儲與讀取，軌跡優(yōu)化、解算等模塊。通過對無人機(jī)實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)與任務(wù)航線數(shù)據(jù)庫的讀取與訪問，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)管理；通過飛機(jī)高度、速度的優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)飛機(jī)軌跡點(diǎn)的全局最優(yōu)選擇；通過結(jié)合整個飛行優(yōu)化軌跡的油量與距離的解算，完成飛機(jī)整個Bingo航跡導(dǎo)航的計(jì)算與控制。

1 Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)主要由航線數(shù)據(jù)/飛機(jī)平臺參數(shù)采集和傳輸單元、Bingo航跡優(yōu)化與解算單元、人機(jī)交互單元組成，各組成單元依賴多種通信手段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。航線數(shù)據(jù)/飛機(jī)平臺參數(shù)采集和傳輸單元主要具備系統(tǒng)初始化、自檢，數(shù)據(jù)采集與傳輸，實(shí)時數(shù)據(jù)記錄等功能；Bingo航跡優(yōu)化與解算單元主要實(shí)現(xiàn)航路信息解算、航跡狀態(tài)優(yōu)化等功能；人機(jī)交互單元主要實(shí)現(xiàn)Bingo返航提醒以及返航航跡顯示等功能。

系統(tǒng)的中間件和平臺軟件結(jié)構(gòu)主要分為4個層次：系統(tǒng)綜合通信層、數(shù)據(jù)綜合處理層、軟件功能邏輯層和應(yīng)用顯控層，并在輸出終端通實(shí)現(xiàn)視覺和聽覺的綜合狀態(tài)輸出。地面控制站通過衛(wèi)通/視距鏈路飛機(jī)遙控/遙測數(shù)據(jù)的傳輸，地面控制站加載的航線數(shù)據(jù)通過站內(nèi)實(shí)時總線(千兆網(wǎng))分布式存儲于地面控制站的各使用節(jié)點(diǎn)。地面控制站站內(nèi)的數(shù)據(jù)通信通過內(nèi)部實(shí)時總線完成，傳輸機(jī)制采用分布式實(shí)時通信中間件(DDS)，實(shí)現(xiàn)各個重要節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)作為地面控制站的一個重要計(jì)算模塊，通過DDS進(jìn)行站內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。根據(jù)上述架構(gòu)分析，得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架

根據(jù)圖1所示的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)進(jìn)行Bingo航跡導(dǎo)航的模塊化設(shè)計(jì)。在最小功能模塊劃分主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、航線庫查詢模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、接口模塊、解算與優(yōu)化模塊，得到Bingo航跡導(dǎo)航的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)模塊組成

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)的采集與讀取

Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算所用數(shù)據(jù)主要分為兩部分：無人機(jī)飛行參數(shù)(飛機(jī)所在位置經(jīng)緯度、高度、飛機(jī)油量等)和航線數(shù)據(jù)。

飛行參數(shù)從實(shí)時總線上獲取，每隔20ms飛行數(shù)據(jù)采集模塊從總線上采集飛行參數(shù)。

無人機(jī)航線數(shù)據(jù)分布式存儲在地面控制站內(nèi)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)。根據(jù)飛行參數(shù)中當(dāng)前目標(biāo)航線、航點(diǎn)ID，查詢主航線以及返航航線的目標(biāo)航線、航點(diǎn)對應(yīng)的航點(diǎn)屬性包括經(jīng)度、緯度、巡航方式、航段類型、航線類型、航線指針以及航點(diǎn)指針等。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與校驗(yàn)

飛行參數(shù)數(shù)據(jù)存儲于機(jī)載設(shè)備。飛行參數(shù)數(shù)據(jù)首先由機(jī)載設(shè)備傳輸至鏈路機(jī)載端機(jī)，與其它信息共同組成下行遙測復(fù)合幀。下行遙測復(fù)合幀包括遙測信息、圖像信息、載荷數(shù)據(jù)等信息，具體格式由鏈路傳輸層確定，保證在一個復(fù)合幀內(nèi)可以傳輸4個遙測信息幀，然后通過衛(wèi)通/視距鏈路傳輸至地面鏈路終端的綜合數(shù)據(jù)處理單元。綜合數(shù)據(jù)處理單元對鏈路下行的遙測信息進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過DDS中間件向站內(nèi)發(fā)布，計(jì)算節(jié)點(diǎn)按需訂閱數(shù)據(jù)。同時，綜合數(shù)據(jù)處理單元訂閱各節(jié)點(diǎn)發(fā)布的上行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)作為用戶之一，利用中間件從實(shí)時總線訂閱或發(fā)布數(shù)據(jù)。每一個消息內(nèi)部，均使用交互式消息格式USOA消息，USOA為無人系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)協(xié)議。使用USOA交互標(biāo)準(zhǔn)消息的優(yōu)點(diǎn)有：消息按最小通信節(jié)點(diǎn)投遞，具備廣域擴(kuò)展能力與良好的通用性；消息具有握手機(jī)制、優(yōu)先級序列、連續(xù)幀屬性定義等。地空交互的所有數(shù)據(jù)需要加入CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)范圍為完整的USOA消息，校驗(yàn)字附加在USOA消息之后。

2.3 數(shù)據(jù)的優(yōu)化與解算

2.3.1 航路信息解算

無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)與傳統(tǒng)有人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)均是對返航過程中的高度、速度進(jìn)行尋優(yōu)；不同的是，由于沒有飛行員操縱，無人機(jī)須按照預(yù)先規(guī)劃的航線方向進(jìn)行導(dǎo)航。在計(jì)算過程中，通過航路信息解算來完成每個航段間的距離解算。

飛機(jī)根據(jù)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)獲取飛機(jī)當(dāng)前所在位置的經(jīng)度、緯度高度、飛機(jī)油量、目標(biāo)航線、目標(biāo)航點(diǎn)等信息。并根據(jù)目標(biāo)航線、目標(biāo)航點(diǎn)從航線數(shù)據(jù)中查詢下一點(diǎn)的位置信息(經(jīng)度、緯度、高度)。航路信息解算是通過飛機(jī)所在位置的經(jīng)緯度和目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算所在位置距目標(biāo)航點(diǎn)的水平距離以及方向。在解算過程中，需考慮航線/航點(diǎn)的屬性問題，例如航段類型(直線航段、圓弧航段等)，航點(diǎn)類型(一般點(diǎn)、盤降點(diǎn)等)。相同經(jīng)緯度航點(diǎn)之間，不同航線/航點(diǎn)屬性計(jì)算出的距離差異很大。

2.3.2 航跡優(yōu)化方法

Bingo航跡導(dǎo)航問題是已知飛行距離(當(dāng)前位置到目標(biāo)機(jī)場，已通過航路信息解算求得)，在飛行條件限制(氣動、發(fā)動機(jī)推力、舵面使用等限制)的約束下，求解整個飛行過程(爬升-巡航-下滑)最省油飛行剖面的問題。

飛行動力學(xué)方程為：

(1)

哈密爾頓函數(shù)為[9-10]：

(2)

(3)

根據(jù)龐特里亞金最大值原理為了使目標(biāo)函數(shù)最大，經(jīng)過推導(dǎo)得[2]：

(4)

π=πmax

(5)

巡航段：

(6)

T=D

(7)

下滑段：

(8)

π=πmin

(9)

其中:T為飛機(jī)推力，D為飛機(jī)阻力，v為飛機(jī)真空速，π為發(fā)動機(jī)油門位置，σ為發(fā)動機(jī)耗油率。

根據(jù)上述推導(dǎo)，飛機(jī)總飛行距離是由爬升段、巡航段與下滑段組成。航跡優(yōu)化首先對巡航段航跡進(jìn)行優(yōu)化，即在巡航飛行條件的約束下，確定使巡航段航程達(dá)到最大的最優(yōu)巡航參數(shù)，包括飛機(jī)的飛行高度、馬赫數(shù)、以及與之相對應(yīng)的飛行迎角、舵面偏度及發(fā)動機(jī)推力等。在飛機(jī)載油量一定的情況下，巡航段航程由飛機(jī)的千米耗油量決定。巡航段航跡優(yōu)化的目的是使飛機(jī)始終處于千米耗油量最小的巡航狀態(tài)。爬升段是飛機(jī)能量由爬升初始時刻等效能量遞增到巡航狀態(tài)等效能量的過程，下滑過程段飛機(jī)能量是由巡航狀態(tài)等效能量遞減到下滑最終時刻等效能量的過程。在爬升段與下滑段，飛機(jī)獲得一定的爬升與下滑飛行距離，同時也使飛機(jī)在巡航段的可用燃油減少，從而損失一定巡航飛行距離。因此，爬升段和下滑段的航跡優(yōu)化是利用變分法和龐特利亞金最大值原理，使爬升段與下滑段獲得的距離與損失的巡航距離之差都達(dá)到最大。

2.3.3 返航邏輯判斷

獲得優(yōu)化的高度、速度以及距目標(biāo)航點(diǎn)的距離后，利用飛機(jī)運(yùn)動方程解算從當(dāng)前位置到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的油量和時間，計(jì)算所有航段之間的油量和時間之和，求得剩余航線的所需油量。獲得所需油量后判斷是否返航。若飛機(jī)機(jī)內(nèi)余油大于所需油量(返航航程計(jì)算用油量加上儲備油量)[6]，視為油量充足；若飛機(jī)機(jī)內(nèi)余油小于所需油量，則由無人機(jī)指揮員決策是否立即改航到返航航線。儲備油量主要考慮兩部分：一是等待燃油，指以等待速度在目的地機(jī)場跑道上空500米(或指定高度)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下飛行30分鐘所需要的油量。二是應(yīng)急燃油，指應(yīng)急返航飛行到目的地機(jī)場并著陸所需總飛行時間10%的一段時間內(nèi)的飛行所需要的油量，主要考慮遠(yuǎn)程飛行時可能出現(xiàn)預(yù)報(bào)誤差或特殊情況。

2.4 系統(tǒng)模型的校準(zhǔn)

計(jì)算分析過程中，飛機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航計(jì)算的精確性主要取決于飛機(jī)本體模型和環(huán)境風(fēng)場模型的準(zhǔn)確性。

飛機(jī)本體特性由氣動力特性和發(fā)動機(jī)特性共同構(gòu)成，為獲得精確模型，通過如下試飛[7]辨識公式校準(zhǔn)氣動力模型和發(fā)動機(jī)模型[8]。

(10)

其中:m為飛行重量，為飛機(jī)空重與燃油耗量之和；P為發(fā)動機(jī)推力，根據(jù)飛行狀態(tài)代入發(fā)動機(jī)模型求的，修正非標(biāo)影響及功率提??；nxt為體軸X軸過載；nzt為體軸Z軸過載；α為飛行迎角；?P為發(fā)動機(jī)安裝角。

通過以上體軸受力方程可計(jì)算得到升力及阻力，進(jìn)而可計(jì)算得該時刻升力系數(shù)及阻力系數(shù)。選取飛行過程較穩(wěn)定的時間區(qū)間，對該區(qū)間內(nèi)的每一飛參記錄時刻進(jìn)行計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果取平均值，得到辨識的升力系數(shù)及阻力系數(shù)，在氣動力辨識準(zhǔn)確后，按高空巡航的小時耗油量校核發(fā)動機(jī)耗油率。

大型無人機(jī)續(xù)航能力受風(fēng)影響較大[11]，高空風(fēng)會影響大型無人機(jī)飛行的油耗和時間。在飛行距離相同時，順風(fēng)飛行將減少飛機(jī)的航線飛行時間并降低油耗，逆風(fēng)飛行將增加飛機(jī)的航線飛行時間并增加油耗。為保證Bingo航跡導(dǎo)航計(jì)算準(zhǔn)確，需獲得較準(zhǔn)確的風(fēng)場信息。系統(tǒng)采用實(shí)時風(fēng)場解算與統(tǒng)計(jì)風(fēng)場模型結(jié)合的方法獲得風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)計(jì)風(fēng)場模型構(gòu)建全球不同地區(qū)不同季節(jié)的風(fēng)場數(shù)據(jù)，并通過實(shí)時風(fēng)場數(shù)據(jù)對該風(fēng)場模型進(jìn)行完善和校準(zhǔn)。實(shí)時風(fēng)場利用飛行參數(shù)中的真空速、迎角、側(cè)滑角、歐拉角以及GPS速度等信息進(jìn)行實(shí)時解算。首先將風(fēng)軸真空速轉(zhuǎn)換至體軸系上，然后將體軸空速轉(zhuǎn)換至地軸系下，再與飛機(jī)的GPS速度共同解算風(fēng)速風(fēng)向。理論風(fēng)場模型使用不同地區(qū)的風(fēng)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.5 硬件配置要求

在上述模塊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件平臺設(shè)計(jì)，Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)是地面控制站的重要計(jì)算模塊,硬件配置要求與地面控制站的飛控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)一致。解算與優(yōu)化模塊由高性能處理器完成。數(shù)據(jù)通過地空數(shù)據(jù)鏈路、光纖、中間件以及內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行高速傳輸。輸出終端的硬件包括音箱和分辨率1280×1024的顯示器，可在輸出終端上獲取Bingo航跡導(dǎo)航解算結(jié)果與返航告警信息。硬件配置清單見表1。

表1 Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件配置清單

3 系統(tǒng)測試與分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的高精度、全局優(yōu)化的無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行了仿真計(jì)算與無人機(jī)實(shí)際試飛測試結(jié)果的對比分析。將實(shí)際試飛的初始數(shù)據(jù)(飛行初始油量、機(jī)場高度、飛行航線數(shù)據(jù)等)作為Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的初始化參數(shù),從試飛起始時刻對飛行全程的Bingo油量以及飛行時間進(jìn)行了仿真計(jì)算，Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際試飛的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 航點(diǎn)與時間關(guān)系

通過將實(shí)飛數(shù)據(jù)與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果對比可知，Bingo航跡導(dǎo)航計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試飛結(jié)果基本吻合(誤差小于2%)，且地面控制站完成一次Bingo航跡導(dǎo)航計(jì)算時間較短(小于1 s)。

4 結(jié)束語

本文研究了高精度、全局優(yōu)化的無人機(jī)Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)，采用更精確的飛機(jī)本體和風(fēng)場模型來滿足高精度需求，并通過龐特里亞金最大值原理保證全局的優(yōu)化結(jié)果。本文主要對Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各模塊設(shè)計(jì)原理和硬件配置要求進(jìn)行了詳細(xì)描述。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該Bingo航跡導(dǎo)航系統(tǒng)對Bingo返航油量、時間預(yù)測精度高，對大型無人機(jī)的安全返航具有重大意義。

圖4 實(shí)飛耗油與Bingo航跡導(dǎo)航計(jì)算耗油