一种无人机视距数据链通视分析方法

戴善溪， 陈 文， 王 浩， 王 爽

(彩虹无人机科技有限公司，北京 100074)

当前，各国高度重视军用无人装备的发展，力图抢占科技制高点，以期达到不战而屈人之兵的目的。情报信息的及时传递和处理是军事行动顺利开展的必要条件，中大型无人机先进的数据传输系统采用视距(Line of Sight,LOS)和卫通数据链系统，兼顾高速可靠传输和广域覆盖的应用特点[1-4]。

电磁波覆盖范围是通信覆盖范围和雷达探测范围等分析的基础，不但受地球球面和大气折射的影响，而且与地形遮蔽密切相关。采用等效地球半径的方式，简化了工程计算，将由于大气折射而弯曲的无线电波射线等效为直线，即在一定的条件下，将实际地球半径用某种等效的地球半径替代，从而使大气等效为均匀[5]。

传统通视分析方法是在地形平缓地带，采取仅考虑地球曲率因素的方法，且较为适用；若在多山地区，需要结合地形起伏因素，采用粗略制定飞行航迹，对航路点逐个分析的方法[6]。逐个采样的数据较易出现疏漏且准确度不足，通过人工赴重要点位进行实地踏勘作为补充手段可提高准确度但效率低[7-9]。

本文提出一种无人机视距数据链通视分析方法，基于Global Mapper软件[10]，利用地理信息数据，有针对性地分析不同高度、大范围的通视区域，对重点区域实现高效、自动化详细分析，结合任务需求列出飞行限制条件，协助完成飞行和任务规划的工作，提升传统分析方法的准确性和效率。

1 基本原理

仅考虑地球曲率因素，将地球简化为光滑规则球体模型[11]，如图1所示。为计算两点之间最大通视范围，设视距地面数据终端位于A点，无人机位于B点，最大通视条件下，A点和B点之间连线与地表相切于C点，视距地面数据终端到无人机的距离为直线AB长度。

图1 仅考虑地球曲率因素的分析模型

计算过程使用平均地球半径，即R为6371 km。视距地面数据终端天线离地高度h1简化取值为4 m。因为地球半径R远远大于h1和飞机离地高度h2，经过勾股定理推导并略去远远小于计算结果的过程变量即可得出通视分析公式为

(1)

式中：d为视距地面数据终端到无人机的距离(km)；h1为天线离地高度；h2为飞机离地高度。

实际应用中，大气折射对无线电电波传输的通视距离具有显著影响。为简化工程应用模型，提高迭代计算效率，在标准大气下，取等效地球半径系数α为实际的4/3倍，等效地球半径为8500 km[1]，因此得出通视分析公式为

(2)

式(2)为基础的分析公式，代入地理信息系统中位置、高程等数据，设定坐标采样间隔，通过软件由点及面的计算，将地表起伏因素纳入分析，即可形成符合实际地理条件的通视区域[5-6]。

2 软件分析方法

2.1 软件介绍

Global Mapper 是一款地理信息系统数据处理应用程序，提供各种地图或空间数据集的访问，内置了距离和面积计算高程查询和通视计算等功能，具有三维方式查看高程地图的功能[10]。本文提出的基于Global Mapper视距数据链通视分析方法[12]，利用丰富的地理信息数据和视线分析等工具，适用于预先飞行和任务规划的工作。

2.2 软件分析流程

无人机系统通视分析步骤包括：首先，明确起飞机场和任务空域条件，可据此制定起降航迹；其次，明确任务区域、禁飞空域边界等顶层条件；然后，结合飞行器能力，响应限时到达指定空域、紧急避让空域、恶劣气象区、应急返航航线等输入条件；最后，通过调整无人机飞行高度、优化每条航线设计和初选在线航路等，迭代验证在最佳通视工况下工作，也可重点针对局部区域开展详细的三维地形分析，避开气象不佳等不利区域，如图2所示。

图2 无人机系统通视分析流程图

3 试验结果分析

当无人机系统所需的场地、供电和信号接入等系统部署条件明确后，即可在起降机场或任务控制区域初步完成指挥控制站和地面数据终端的场址部署[13]。

当飞行空域和任务区域划分明确后，可针对飞行和侦察任务开展预设航迹规划。

3.1 分析方法

3.1.1 视距数据链无线电通视区域分析

本文以多山的某地区为应用场景，设定起降机场，并在起降机场部署视距地面数据终端和指挥控制站，简称起降地面站，在海拔3570 m处完成飞行起降和视距范围内的侦察任务[14]。由于起降机场的通视条件限制，在任务前沿区域设置用于任务的视距地面数据终端和指挥控制站，简称任务地面站，在海拔4350 m处利用通视有力条件对任务区域进行飞行控制及侦察。

在任务需求初步明确的情况下，根据式(1)和式(2)计算出不同飞行高度下地面站与无人机之间的理论通视距离，包括无大气折射因素和含大气折射因素两类数据，按最低离地高度500 m计算，理论通视距离均超过87 km。通过Global Mapper软件通视分析迭代，得出了在无人机海拔高度5000 m条件下，分别以起降地面站和任务地面站为中心的100 km范围内的通视覆盖情况[10]。

表1为不同飞行高度理论通视距离。对比无人机在同等海拔高度下理论通视距离，两个地面站在多个空域方向均由于地表起伏而显著缩短了通视距离，在两侧山体方向甚至不足15 km，如图3箭头处。

表1 不同飞行高度理论通视距离

起降地面站和任务地面站通视区域有重叠并相互弥补，在通视交叠区设置飞行控制权交接区，可协同配合完成既定任务[15]，经过与多个架次实际飞行验证，符合度较高，有效避开飞行盲区，保证了飞行安全，如图3所示。

根据无人机与地面站的通视情况，也可进行两点之间的通视分析，进而根据信号遮蔽位置进行航线的高度和航向等飞行策略调整，如图4所示。

可针对感兴趣区域进行重点局部详细分析，以三维视角识别山峰和峡谷等地表起伏，识别障碍、乱流等潜在风险区，如图5所示。

图3 起降地面站和任务地面站通视区分析

图4 两点之间通视分析

图5 局部三维视角分析

3.1.2 任务区域载荷对地侦察区域分析

在前沿任务区，为适应光电载荷、通信中继[16]、合成孔径雷达等任务载荷对侦察区域不同飞行高度需求，应识别无人机载荷对地侦察盲区，优化详查航线，避免浪费任务航时。确有需要的侦察盲区，需采取抵近侦察等方式对重点区域进行详察，如图6所示。

经实际验证，在飞行高度差异显著的多山地区，雷达和光电等任务载荷对地侦察的通视范围不同，低空飞行尤其须关注侦察通视区域变化[5]，如图7所示。

在航空物探、航空测绘和电力巡线等特殊行业应用中[17]，为提升载荷数据采集精度，需要沿地表起伏超低空飞行，除通视分析外，无人机地形跟随安全飞行成为迫切需求，利用Global Mapper软件[10]的高度剖面分析功能，可制定地形精准匹配的航线，如图8所示。

图6 对地侦察区域分析流程图

图7 不同飞行高度空地通视区分析

图8 航线起伏分析

3.2 分析方法与实际需求的差距

无人机视距通视分析在工程应用中为最佳任务航迹的制定提供了有力支持，给出飞行安全区域判定依据，在多山地区、异地起降任务构型中[18]得到充分验证。

在通视条件的约束下，无人机系统可采取多个视距地面数据终端以地面接力控制方式补齐盲区短板，也可配备卫星数据链进行无人机超视距控制，延伸作用距离，同时要注意卫通带宽受限和传输延时等因素。

无线电通视分析是因素多样的系统工程。全球的地理信息数据一般基于卫星遥感和航空遥感采集，坐标信息和数字高程信息的分辨率和实时性更新不足，局部区域尤其是近距离小范围区域的通视分析与预期结果相差偏大。例如，视距地面数据终端附近的建筑和植被等对地面天线的遮挡具有显著影响，且地表的建筑、植被、车辆和基础设施是动态变化的，通视分析还需统筹考虑，并留有设计余量[13]。

无人机机体结构、吊舱挂架等外挂物随无人机飞行姿态、航向变化可能产生对机载天线遮挡[16]，须结合天线布局、飞机数字模型和应用场景等开展天线方向图等分析。

4 结束语

传统的无人机视距数据链通视分析方法存在模型单一、准确度不足和效率偏低问题。本文提出的无人机视距数据链通视分析方法，综合考虑地球曲率、大气折射和地表起伏综合因素，适用于大范围和精准化分析，为飞行任务航迹的制定提供了支持，还可推广至任务载荷对地侦察分析、航线起伏分析等方面。经过实际检验，本方法快速高效、符合度高，特别适合于视距数据链在高原和山区等地形地貌复杂区域的应用。