一种基于电磁仿真的无人机规划航路评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电磁仿真的无人机规划航路评估方法，包括步骤一：虚拟试飞场系统构建及场景配置；步骤二：驱动无人机沿规划航路模拟飞行；步骤三：电磁数据仿真计算；步骤四：电磁分布显示及航路警告记录；步骤五：航路综合评估；本发明专利技术对规划航路上时无人机机身的电磁分布进行可视化显示，并对低于数据链电磁信号检测门限的航路(段)进行警告和记录，待飞行完毕后对航路(段)进行评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机模拟训练技术，特别涉及视景仿真、电磁仿真等领域，具体指一种用于无人机规划航路的评估方法。
技术介绍
无人机具有准确、高效和灵便的侦察、干扰及在超常规条件下作战等优点，在民用、军用中发挥着显著的作用。图1为地面控制站在无人机测控系统中所处的位置示意图。图1是测控与信息传输系统的简化模型，地面指挥站2通过车载测控站3完成对无人机I的状态监控和操作控制，其中车载测控站3和无人机I组成测控通信数据链(简称数据链)，它是无人机接收地面指令和下传飞行数据和任务数据的传输通道，因此，数据链也被称为无人机系统的“神经中枢”。然而，由于飞行过程中地形地貌、气象环境等因素的影响使无人机失去与地面站之间的正常链路通信，无人机便进入“失控”状态。因此，在实际飞行前合理规划无人机飞行的航路，使之在完成指定任务的同时，又能避免因路径遮挡等原因导致地面接收盲区的出现，这对保持无人机系统通信链路的通畅性具有重要的意义。无人机航路规划是指在特定约束条件下，寻找从起始点到目标点并满足无人机性能指标的最优或可行的航路，其本质是多约束条件下最优或可行解的求解问题。如图2所示，当前无人机航路规划系统主要包括飞行约束、环境模型、航路规划目标以及航路规划器4部分组成，最终由航路规划器输出期望的航路。无人机航路规划中的飞行约束包括总体约束和各个航段的约束，总体约束一般包括无人机的最小飞行距离、最大航程和威胁目标等，各个航段的约束包括各航段的最小飞行高度、最大转弯角、最大爬升角和飞行向量约束等。环境模型指特定的地形地貌，航路规划目标一般为耗油量小、威胁避障率高和任务执行率尚等。当前用电磁设备的广泛使用，其类型多、数量多、占用频谱范围宽，从而导致空间电磁环境极为复杂，并且电磁环境具有不可见、不可触、不可预知的特点，无人机在实际飞行前很难获得规划航线上的实际电磁分布情况，这种电磁环境的不可预知性对无人机机载电子设备，尤其是数据链信号的正常接收构成了比较大的威胁。因此，在航路规划过程中，往往增加了飞行约束条件的苛刻程度，考虑实际电磁环境的“最差情况”，尽量规避因地形地貌、环境气候、电磁干扰等外界因素引起的对数据链系统的影响，这种方式必然影响任务执行的执行效率，是一种对航路规划目标的“折中”选择。图3为目前检验规划航路一般方法的流程图。如图3所示，当前对规划航线上数据链工作状况的检测方法主要还是依赖无人机进行实地飞行。其流程包括航路规划、无人机沿规划航路实地飞行、数据链通信检测和航路评估。在无人机沿规划航路进行实际飞行中，无人机和地面站实时对数据链通信状况进行检测，并对航路进行评估，待飞行完成后，对规划后的航路进行修正，使之更好的适用于实际任务。但这种方式由于飞行时间长、成本高，且飞行区域受实际环境限制，其评估效果没有普遍意义。电磁仿真模拟技术是科学计算可视化技术中的一个研究热点之一，它从二维、三维空间等多维度对电磁场进行可视化处理，并提供直观的可视化形式辅助用户洞悉空间电磁场分布的态势、电磁传播的方向与强度等规律，为用户进行决策提供有力支撑。因此，在无人机规划航路上电磁分布未知的情况下，可以采用电磁仿真技术对数据链地空电波传播以及各种有源、无源电磁干扰进行仿真模拟，进而分析规划航路上的数据链工作状况，依此达到优化规划航路的目的。
技术实现思路
本专利技术针对无人机飞行航路优化和数据链通信实时畅通的需要，提出了，使无人机地面指挥人员能够根据规划航路上的电磁分布实时获取数据链的通信状况，进而对规划航路进行评估和优化。本专利技术首先构建用于规划航路飞行的无人机虚拟试飞场系统，在虚拟试飞场系统中利用计算机仿真完成无人机沿规划航路的模拟飞行，同时试飞场系统以二维或三维的形式对无人机机身的电磁分布进行可视化显示，从视觉上达到对规划航路上数据链通信状况的初步估计，同时系统根据数据链信号的接收门限，对低于信号检测门限的区域进行标识和记录，用来警告此航路(段)上数据链通信状况的不安全性。系统在无人机飞行覆盖整条规划航路后，对此航路的不同线段进行综合评定打分，从而判断航路(段)的规划的合理性，最终达到航路评估和优化的目的。虚拟试飞场系统架构分为数据层、数据传输层、应用层、表示层和结果层。其中数据层包括地理环境库、气象环境库、规划航路库、无人机模型库和电磁传播模型库；数据传输层主要为调用数据层各个模型库进行电磁环境的仿真与计算；应用层为系统主要功能模块，包括试飞场显示平台控制、环境信息处理、无人机飞行航迹控制和数据链电磁仿真建模；表示层为应用层的显示模块，具体包括试飞场地理环境显示、无人机实时飞行显示、气象环境显示和电磁环境数据显示；结果层为航路评估的结果，其结果为对规划航路进行评估的结果。无人机试飞场系统主要包括试飞场地理环境加载及显示模块、飞行控制及状态信息显示模块、数据链电磁仿真计算模块、数据传输及处理模块和电磁环境信息综合显示模块组；试飞场地理环境加载及显示模块包括地理高程数据加载模块、影像数据加载模块、地理环境显示模块、地理数据信息显示模块、气象环境显示模块、场景模型加载及显示模块；飞行控制及状态信息显示模块包括航路加载及显示模块、无人机驱动及飞行阶段控制模块、飞行航迹显示模块、待飞距离及已飞距离显示模块、无人机位置信息更新显示模块、飞行警告信息显示模块和系统时间显示模块；电磁环境仿真计算模块包括辐射源信号模型加载模块、数据链传输能量衰减计算模块、无人机周围区域电磁环境数据合成模块、电磁模型显示参数处理模块和电磁环境显不丰旲型构建t旲块；电磁环境信息综合显示模块组包括仿真电磁数据显示模块、航路警告区域点标识模块和航路评估模块；数据传输及处理模块包括警告信息显示模块、仿真计算数据输出显示模块和仿真计算数据入库模块；系统运行顺序如图6所示，试飞场地理环境显示模块通过加载试飞区域地理高程数据及相应的影像图像，并对其进行相应的场景配置，如模型加载、气象环境显示模型加载、规划航路加载及显示、地面站及干扰辐射源位置及辐射信号信息加载等，完成三维地理基础显示平台的构建。在此基础上，调用飞行控制及状态信息显示模块，根据需要启动相应的气象环境显示、驱动无人机沿规划航路飞行，对飞行状态进行实时更新显示，并调用电磁环境仿真计算模块，结合地理环境、气象环境等链路信息，根据电波传播模型实时计算无人机机身的电磁分布。然后，根据电磁数据合成得到仿真计算数据并进行实时显示及数据载入数据库操作，构建仿真计算电磁环境显示模型，并将无人机机身的电磁信号特征与数据链信号接收检测门限(以信号-干扰比为例)进行比较，若低于信号检测门限，则对超出区域进行警告标识，同时输出相应的位置、电磁数据信息；若远高于信号检测门限，也对相应区域进行警告标识，以便下一步对航路进行人工修订。当无人机飞行航迹覆盖整条规划航路后，根据警告标识信息及数目对此航路进行综合评估，依此选出无警告标识或标识数目少且低于信号检测门限小的飞行航段，达到对航路进行评估的目的。本专利技术所述的基于电磁仿真的无人机规划航路评估方法，包括以下步骤:步骤一:虚拟试飞场系统构建及场景配置；步骤二:驱动无人机沿规划航路模拟飞行； 步骤三:电磁数据仿真计算；步骤四:电磁数据合成、显示及存储；步骤五:无人机机身电磁分布显示及航路(段)警告本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁仿真的无人机规划航路评估方法，包括以下步骤：步骤一：虚拟试飞场系统构建及场景配置；1)根据试飞场区域范围加载其地理高程数据，构建三维地理模型，在此基础上加载其相对应的地表影像图片，完成地表纹理的贴图操作，显示试飞场空间地理环境，同时在试飞场区域信息显示区显示出当前试飞场的经纬度范围、覆盖面积；2)根据降雨、降雪程度等级的划分，完成天气环境的粒子模型配置，完成试飞场空间地理环境基础显示平台的构建；3)加载三维场景模型；4)加载需要进行航路电磁环境评估的规划飞行航路，在试飞场场景中进行航路显示；5)载入无人机、地面站、干扰源位置信息及其辐射信息数据文件，然后，根据各模型位置加载并显示无人机模型、地面站模型、干扰源模型，其中，干扰源共N个，同时将各辐射源的辐射信号数据载入相应列表；6)设定干扰辐射源的有效范围L、无人机接收端系统信号处理增益值Gt、无人机通信链路系统电磁信号检测门限值T0、设定参与电磁环境仿真计算的无人机周围区域范围RG，即以无人机中心点为体心，长、宽、高分别为L、D、H的长方体、设定电磁仿真计算离散点的间隔，设在长、宽、高方向上离散点间隔分别为ΔL、ΔD、ΔH；步骤二：驱动无人机沿规划航路模拟飞行；1)根据航点的位置及航点高度，并结合无人机实际飞行速度、滑跑距离的离散飞行数据信息，驱动无人机沿规划航路飞行；2)实时输出无人机当前位置信息、待飞距离数据，并显示无人机已飞行航迹；步骤三：电磁数据仿真计算；1)计算无人机周围区域某点(x,y,z)与地面站间的距离ds，结合地面站与此点所处的位置环境、气象环境及其链路传播路径情况，通过统计模型，计算地面站辐射信号的传播衰减，得到在此点处，来自地面站的信号接收电平Pr，单位dBm；2)获取干扰源i位置信息，计算辐射源与当前无人机之间的距离di；3)判断di是否小于或等于L，若是则进行步骤4)，否则此辐射源不参与电磁环境信息计算；4)根据干扰源i与步骤1)中的点(x,y,z)所处的位置环境、气象环境及其链路传播路径情况，通过统计模型，计算干扰源辐射信号的传播衰减，得到在点(x,y,z)处，来自干扰源的信号接收电平Pi，单位dBm；5)若干扰源i为场景中最后一个干扰源，则进行步骤6)，否则对下一个干扰源进行步骤2)～4)操作；6)在步骤1)中的点(x,y,z)处，对来自干扰源的接收电平进行合成，设合成后值为Pr'；7)在步骤1)中的点(x,y,z)处，进行信号―干扰比SNR(x,y,z)计算，即：SNR(x,y,z)＝Pr‑Pr'‑Gt；8)将步骤7)中计算的信号―干扰比SNR(x,y,z)与电磁信号检测门限T0进行比较，若SNR(x,y,z)＜T0或SNR(x,y,z)＞2T0，则此点为电磁干扰航段域或航路规划冗余航段，需进行警告标识，并同时将步骤1)中的点(x,y,z)的位置信息及其进行数据输出；否则，此点为安全区域点，不需要警告标识及信息输出；9)对步骤1)中的点(x,y,z)分别在x、y、z方向以ΔL、ΔD、ΔH单位进行变化，在重复步骤1)～8)，使得点(x,y,z)遍布区域RG；10)对无人机中心点位置按照上述方式计算该点的信号—干扰比数据；步骤四：电磁分布显示及航路警告记录；1)将步骤三中的仿真计算数据,包括无人机中心点位置与无人机周围位置数据，进行颜色映射，将低于电磁信号检测门限值的数据设定为蓝色显示区，高于检测门限值的数据按照从冷到暖的颜色变化进行一一对应，进行图形显示，从而在视觉上能够观察到警告区域；2)对警告区域点进行永久性标定，如用红色小旗图标标定，不受下面步骤4)的影响；3)将以上仿真计算得到的信号—干扰比数据进行数据库入库存储操作，以便以后的查询与使用；4)随着无人机位置的不断更新，无人机周围仿真计算区域位置也不断更新，则实时进行步骤三及本步骤1)和2)的操作，对于已经不在当时无人机飞行周围区域范围内的模型不予显示；步骤五：航路综合评估；在无人机已飞行航迹覆盖整个规划航路时，统计警告图标的数目、各图标到航路的最短距离以及各图标点的电磁信号―干扰比与电磁信号检测门限的差值，通过以上各因素的影响因子，对其进行加权平均，得到各个航段的分数，从而进行航路评估，对分数较低的航段进行人工修正。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁文锐，张薇玮，向锦武，陈彦冠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11