CN102122173B - 一种基于sar雷达成像的无人机航线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，该方法针对不能准确获得空中风的数据，而风的变化使无人机的偏流角超出SAR雷达稳定平台方位向的工作角度范围的限制，影响其成像的问题，根据初步风速风向数据，利用空速、地速和风三者的关系，以及稳定平台方位向的工作范围，确定最少规划航线数，达到预规划多组有效备用航线的目的；利用该方法，能够提高无人机应对空中风变化的能力，避免因临时规划大量航线造成易出错的可能，提高飞行安全，同时节约飞行时间，提高任务完成效率。

Description

一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法

技术领域

本发明属于无人机导航制导与控制领域，具体地说，是指一种应用于无人机的针对SAR雷达成像的无人机航线规划方法。

背景技术

机载合成孔径雷达(SAR)是60年代末发展起来的先进的雷达探测系统。机载合成孔径雷达不仅能提供宽阔的监视空域、超高的分辨率和目标自动跟踪能力，还能提供近似照片的成像和地图。

合成孔径雷达之所以受到国内外雷达界的极大重视，其原因就是它的分辨率在相同条件下是普通图像雷达望尘莫及的。SAR的分辨率与可见光照相差不了多少，但它比可见光照相有许多重要的优点。首先是SAR的信号可以实时传输和应用(如用于图像匹配制导)，又不受黑夜或云层的限制，是一种全天候的遥感技术；SAR还发现微波能透过而可见光不能透过的遮挡物遮挡着的景物，如森林中的坦克大炮等。当用于图像匹配制导时，导弹上除了存贮有目标的图像信息外，还有一个小的SAR摄取图像，并与存贮的目标图像对比藉以达到制导目的。

在对机载SAR雷达进行理论和技术分析时，都假设雷达相对于被成像的区域作匀速直线的平移运动。实际飞行中不可能完全做到这点，雷达载机总要或多或少地偏离这种理想状况。机载SAR雷达对载机的飞行状态有严格的要求，在工作的过程中载机始终保持水平、直线、匀速飞行，并同时保持载机飞行姿态的稳定。由于气流的影响和载机性能的限制，实际上载机的飞行状态不能达到如此苛刻的要求，总是或多或少地偏离标称航线和产生转动，即产生运动误差。载机的运动误差可以分为三类：1)载机偏离理想姿态的角度误差，2)载机偏离理想航迹的平移误差，3)载机沿理想航迹的速度误差。稳定平台的主要作用就是隔离载机的角运动，使天线波束指向稳定，消除载机航向和姿态变化的影响，同时给出载机偏离理想航迹的平移误差和沿理想航迹的速度。

根据对成像图像的分辨率和作用距离的不同要求，SAR雷达一般有多种工作模式：聚束照射模式、条带照射模式、地面动目标成像模式、相干变化检测模式等，由于SAR雷达的成像原理，其所成图像为一个条带与一个条带拼接而成，无人机需要进行平行的往复飞行才能获得任务成像区的完整图像，因此需要预先规划的航线航点数的量都比较大。

稳定平台在一定程度上减小了SAR雷达对载机运动和飞行姿态稳定的苛刻要求，但在具体应用中，由于受到稳定平台在俯仰、横滚和方位向工作范围的影响，在进行定高飞行时，若空中出现较大的风，超出稳定平台的工作范围，就会导致SAR雷达无法工作，不能完成任务，造成任务失败。比如一般情况下，飞机自身的稳定性要求均能满足SAR稳定平台的工作范围，如某无人机的姿态稳定精度(均方差)是：俯仰＜2°，横滚＜2°，航向＜3°，其装载的SAR稳定平台工作范围是：俯仰角±8°，横滚角±70°，方位角±18°。若在静风情况下，该无人机的空速和地速重合，飞机机头指向航线方向，SAR雷达能够正常工作，如图1所示，此时该组航线能够满足SAR雷达成像的无人机对成像目标区执行任务的要求；如果空中有常值风(风速、风向保持在一定范围内的风)，由于纵向一般采用定高控制，俯仰角的稳定没有问题，而稳定平台的横滚角范围很大，也没有问题，如果飞机在航向上采用的是航向角控制而不是航迹角控制时，则由于航向角控制的向风性效果，飞机沿着航线飞行，但其机头将偏离预定航迹方向，风越大，机头偏离航迹就越大，如图2所示，由于南风的存在，造成空速和地速存在一个夹角，即机头偏离航迹的角度，也称为偏流角，当该偏流角超过SAR雷达稳定平台的方位向工作范围时，SAR雷达就不能正常成像，无法正常工作，此时，该组航线已经不能满足SAR雷达成像的要求。

解决的一种方法是提前获得执行任务时间段巡航高度上的风速风向分布的气象数据，这样可以根据风速风向预先规划与空中风相适应的一组航线，减小偏流角，得以规避这个问题，这种方法的前提是能够在飞行前得到非常准确的气象数据，如果得不到气象数据或者气象预测有误，这种方法就失去意义了；另一种方法是在发现已经规划的这组航线不能满足要求时，航线规划人员实时规划另一组可以适应当时风速风向的航线，这种方法需要无人机需具备实时航线规划的功能，另外，由于SAR雷达的成像特性，规划的航线均为多条平行航线，航点数据量大，因此规划工作量也大，不但耗时，在高度紧张的情况下也容易出错，给飞行安全带来隐患。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述两种方法的缺陷，提出一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，利用该方法，可以灵活应对空中风速风向的变化，更有利于SAR雷达完成任务，提高任务完成效率。

一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，包括以下几个步骤：

步骤一：获得初步的风速风向；

根据机场气象部门的初步预测，获得无人机执行成像任务的飞行高度上的风速V_w和风向Ψ_w，该风应该在无人机的抗风能力范围内，满足飞行安全要求；

步骤二：获得最少规划航线数；

将风速V_w沿航线分解为垂直分量和水平分量，得到无人机的偏流角，将偏流角与SAR稳定平台方位向的工作范围进行比较，根据比较的结果确定需要规划的最少航线数；

步骤三：确定执行航线区，完成航线规划；

根据执行任务地区的限制条件，确定航线区，即飞机执行成像任务可飞行的区域，然后按照下达的成像任务要求，利用航线规划软件或人工进行航点编排，完成航线规划。

本发明提出的基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法的优点在于：

(1)适用于装载了SAR雷达系统的无人机，特别是存在SAR雷达系统的稳定平台方位向的工作范围限制的情况，能够提高无人机应对空中风变化的能力，节约飞行时间，提高任务完成效率；

(2)针对不能准确获得风速、风向气象预测数据的情况，可在飞机起飞前做好充足规划准备工作，避免因临时规划大量航线造成易出错的可能，为飞机飞行提供保障，提高飞行安全。

附图说明

图1是背景技术中静风情况下SAR雷达成像的无人机飞行航线示意图；

图2是背景技术中有风情况下SAR雷达成像的无人机飞行航线示意图；

图3是本发明中风在航线方向进行分解的示意图；

图4是本发明的方法流程图；

图5是本发明最少规划航线数N为2时的规划示意图；

图6是本发明最少规划航线数N为4时的规划示意图；

图7是本发明最少规划航线数N为8时的规划示意图；

图8是本发明应用于某无人机某次成像任务的规划示意图；

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步详细说明。

图3是风在航线方向进行分解的示意图，下面结合图3说明本发明的思路。如图3所示，首先利用空速V_k、地速V_d、风速V_w的关系，即地速V_d是风速V_w和空速V_k的矢量和，将风速V_w沿着航线方向进行分解，分为垂直分量V_w1和水平分量V_w2，垂直分量V_w1的大小直接影响了飞机机头偏离航迹方向的程度，因此根据V_w1和空速V_k得到偏流角α，如果偏流角α在SAR雷达稳定平台的方位向工作范围内，则SAR雷达可以成像工作；否则，SAR雷达不能成像工作。

本发明提供的一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，流程如图4所示，通过以下几个步骤实现：

步骤一：获得初步的风速风向；

根据机场气象部门的初步预测，获得无人机执行成像任务的飞行高度上的风速V_w和风向Ψ_w，该风应该在无人机的抗风能力范围内，满足飞行安全要求；

步骤二：获得最少规划航线数；

将风速V_w沿航线分解为垂直分量和水平分量，利用风速、地速和空速三者的关系，计算出在风作用下无人机的偏流角，与SAR雷达方位向工作范围进行比较，根据比较值的大小确定需要规划的最少航线数，具体包括以下两个步骤：

(a)首先将风速沿东西方向航线和南北方向航线分解为垂直分量和水平分量，如图5所示，东西方向航线表示与正北向夹角为90°或270°的一组航线(包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组)；南北方向航线表示与正北向夹角为0°或180°的一组航线(包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组)，根据(1)式和(2)式获得风速的两个分量；

V₁₁＝|V_wcos(Ψ_w)|    (1)

V₁₂＝|V_wsin(Ψ_w)|    (2)

其中，V_w表示风速大小，单位为m/s，Ψ_w表示风向，单位为°，当在东西方向航线分解时，V₁₁为垂直分量，V₁₂为水平分量；当在南北方向航线分解时，V₁₁为水平分量，V₁₂为垂直分量；

将V₁₁和V₁₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₁₁，V₁₂)，根据(3)式可获得相应偏流角α：

α＝arcsin(V^⊥/V_k)    (3)

其中，α表示偏流角，单位为°；V_k表示空速，单位为m/s；

若α满足(4)式：

β-α≥2°    (4)

其中：β表示SAR稳定平台方位向工作范围，即±β°；

则需要规划的最少航线数N为2组，即东西方向航线和南北方向航线，转至步骤三；如果不满足(4)式，则转至(b)；

(b)与步骤(a)类似，如图6所示，将风速沿135°方向航线和45°方向航线分解为垂直分量和水平分量，其中135°方向航线表示与正北向夹角为135°或315°的一组航线(包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组)，45°方向航线表示与正北向夹角为45°或225°的一组航线(包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组)；根据(5)式和(6)式分别得到风速的两个分量：

V₂₁＝|V_wcos(Ψ_w+135)|    (5)

V₂₂＝|V_wsin(Ψ_w+135)|    (6)

其中：当在风速沿135°方向航线分解时，V₂₁为垂直分量，V₂₂为水平分量，当在风速沿45°方向航线分解时，V₂₁为水平分量，V₂₂为垂直分量；将V₂₁和V₂₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₂₁，V₂₂)，根据(3)计算得到α，并与β比较，若满足(4)式，则需要规划的航线数N为4组，即东西方向航线、南北方向航线、135°方向航线和45°方向航线，转至步骤三；若仍然不满足(4)式，不再继续往下规划，因为一方面需要规划的航线至少为8组，如图7所示，规划工作量增加很多，另一方面此高度下的风速风向很不利于飞行安全，建议变更飞行高度或者变更起飞时间，从步骤一重新开始规划，以获得较少的航线数。

步骤三：确定执行航线区，完成航线规划；

根据执行任务地区的地理、空域等限制条件，确定航线区，即飞机执行成像任务可飞行的区域，为实线航线所在区或者虚线航线所在区；然后按照下达的成像任务要求，如成像距离、航线间距、完成科目等，利用已有的航线规划软件或人工进行航点编排，完成航线规划。

实施例：

以下通过具体实施例和数据来进一步说明本发明提供的航线规划方法。

本发明应用于某型无人机的航线规划，该无人机装载的SAR雷达稳定平台的方位向工作范围为±22°，即β＝22°，其某一次执行成像任务的飞行高度为4000m，空速为40m/s，实现本发明的具体步骤为：

步骤一：初步确定风速风向；

当时由于机场气象部门条件的限制，无法获得4000m高层风的数据，气象部门的预报是：3000m高层的风速25m/s，风向138°，并根据该地区风的季节特性，预计4000m高层的风向会有所变化，风速变化不大；根据预报的情况，3000m高层风速在无人机的抗风能力范围内，满足飞行安全要求，因此先基于根据3000m风的数据进行航线规划，确定V_w＝25m/s，Ψ_w＝138°；

步骤二：确定规划最少规划航线数；

将风速相对航线方向分解为垂直分量和水平分量，得到航迹偏差角，并将该值与SAR稳定平台方位向的工作范围进行比较，根据比较的结果确定需要规划的最少航线数，具体包括两个步骤：

(a)将风沿东西方向航线和南北方向航线分解为垂直分量和水平分量，根据式(1)和(2)分别获得相应的垂直分量；其中东西方向航线表示与正北向夹角为90°或270°的一组航线，南北方向航线表示与正北向夹角为0°或180°的一组航线；

V₁₁＝|V_wcos(Ψ_w)|＝18.58m/s

V₁₂＝|V_wsin(Ψ_w)|＝16.7m/s

将V₁₁和V₁₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₁₁，V₁₂)＝16.7m/s，根据式(3)可获得相应偏流角α：

α＝arcsin(V^⊥/V_k)＝24.7°

则根据(4)式：

β-α＝-2.7°

不满足(4)式的要求，转至步骤(b)；

(b)与步骤(a)类似，将风沿135°方向航线和45°方向航线分解为垂直分量和水平分量，根据(5)式和(6)式分别得到相应的垂直分量：

V₂₁＝|V_wcos(Ψ_w+135)＝1.31m/s

V₂₂＝|V_wsin(Ψ_w+135)|＝24.97m/s

将V₂₁和V₂₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₂₁，V₂₂)＝1.31m/s，根据(3)得到α：

α＝arcsin(V^⊥/V_k)＝1.2°

根据(4)式：

β-α＝20.8°

满足(4)的要求，则确定需要规划的航线数N＝4组，即东西方向航线、南北方向航线、135°方向航线和45°方向航线；

步骤三：确定执行航线区，完成航线规划；

由于成像目标区的南面区域为市区，南东面在申报空域之外，因此执行航线区为东西航向航线的实线航线区、南北方向航线的实线航线区、135°方向航线的实线航线区、45°方向航线的虚线航线区；然后按照成像任务的要求利用已有的航线规划软件或人工进行航点编排，完成航线规划。

图8为应用该航线规划方法所规划的航线图，四组航线每组包括43个航点，起飞前将四组航线均装订到飞控计算机中，先预设第2组航线(135°方向航线的实线航线区)为目标航线，起飞后到达任务高度再根据空中风的情况决定是否更换；当无人机到达3500m时，风速变化不大，但风向已经有所转变，大致与东西方向平行，因此操纵人员将目标航线更换为第1组航线，无人机爬升到4000m时，风向基本与东西方向航线平行，这样就使得SAR雷达能够在其使用限制条件内正常成像工作，由于及时调整了任务航线，确保了此次成像任务及时顺利地完成。

Claims (3)

1.一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：获得初步的风速风向；

根据机场气象部门的初步预测，获得无人机执行成像任务的飞行高度上的风速V_w和风向Ψ_w，该风应该在无人机的抗风能力范围内，满足飞行安全要求；

步骤二：获得最少规划航线数；

将风速V_w沿航线分解为垂直分量和水平分量，得到无人机的偏流角，将偏流角与SAR稳定平台方位向的工作范围进行比较，根据比较的结果确定需要规划的最少航线数；

具体包括以下几个步骤：

(a)将风速沿东西方向航线和南北方向航线分解为垂直分量和水平分量，根据(1)式和(2)式获得风速的两个分量；

V₁₁＝|V_wcos(Ψ_w)|            (1)

V₁₂＝|V_wsin(Ψ_w)|            (2)

其中，V_w表示风速大小，单位为m/s，Ψ_w表示风向，单位为°，当在东西方向航线分解时，V₁₁为垂直分量，V₁₂为水平分量；当在南北方向航线分解时，V₁₁为水平分量，V₁₂为垂直分量；

将V₁₁和V₁₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₁₁，V₁₂)，根据(3)式可获得相应偏流角α：

α＝arcsin(V^⊥/V_k)          (3)

其中，α表示偏流角，单位为°；V_k表示空速，单位为m/s；

若α满足(4)式：

β-α≥2°                  (4)

其中：β表示SAR稳定平台方位向工作范围，即±β°；

则需要规划的最少航线数N为2组，即东西方向航线和南北方向航线，转至步骤三；如果不满足(4)式，则转至(b)；

(b)将风速沿135°方向航线和45°方向航线分解为垂直分量和水平分量，根据(5)式和(6)式分别得到风速的两个分量：

V₂₁＝|V_wcos(Ψ_w+135)|       (5)

V₂₂＝|V_wsin(Ψ_w+135)|       (6)

其中：当在风速沿135°方向航线分解时，V₂₁为垂直分量，V₂₂为水平分量，当在风速沿45°方向航线分解时，V₂₁为水平分量，V₂₂为垂直分量；将V₂₁和V₂₂中的较小者赋予V^⊥，即V^⊥＝min(V₂₁，V₂₂)，根据(3)计算得到α，并与β比较，若满足(4)式，则需要规划的航线数N为4组，即东西方向航线、南北方向航线、135°方向航线和45°方向航线，转至步骤三；若仍然不满足(4)式，变更飞行高度或者变更起飞时间，返回步骤一重新开始规划；

步骤三：确定执行航线区，完成航线规划；

根据执行任务地区的限制条件，确定航线区，即飞机执行成像任务可飞行的区域，然后按照下达的成像任务要求，利用航线规划软件或人工进行航点编排，完成航线规划。

2.根据权利要求1所述的一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，其特征在于，所述的东西方向航线表示与正北向夹角为90°或270°的一组航线，包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组；南北方向航线表示与正北向夹角为0°或180°的一组航线，包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组。

3.根据权利要求1所述的一种基于SAR雷达成像的无人机航线规划方法，其特征在于，所述的135°方向航线表示与正北向夹角为135°或315°的一组航线，包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组；45°方向航线表示与正北向夹角为45°或225°的一组航线，包括在成像目标区对称位置的与其平行的航线组。

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