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CN108253969B - 一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法 - Google Patents

一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法 Download PDF

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CN108253969B
CN108253969B CN201711344253.0A CN201711344253A CN108253969B CN 108253969 B CN108253969 B CN 108253969B CN 201711344253 A CN201711344253 A CN 201711344253A CN 108253969 B CN108253969 B CN 108253969B
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赵霞
江宇娟
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Abstract

本专利为无人机飞行试验前，在进行航路规划时进行的视距链路覆盖范围检查方法，属于飞行试验技术领域。一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，使用三维地形数据为基础，通过设置视距链路站的地理位置信息、无线电无遮挡作用距离、需检查的飞行高度等参数，生成视距链路在受地形遮挡情况下的作用范围。该方法将三维地形与无人机、无线电传输路径融合到一起，完成了无人机飞行视距链路无线电覆盖范围的计算检查，解决了无人机在复杂地形环境下飞行时无法准确估计视距链路作用范围的问题，适用于无人机飞行时的航路规划检查。该方法也可用于计算地面对空雷达的作用范围，适用于雷达基站的布站选址评估。

Description

一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法
技术领域
本发明属于飞行试验技术领域，特别是涉及在复杂地形环境下的无人机飞行试验规划中的链路规划。
背景技术
无人机的飞行以自主控制飞行为主，飞行员在地面上通过视距链路或卫星链路遥控对无人机进行监控和任务数据传输。视距链路由于带宽大、传输速率快，通常用于近距离飞行和大容量侦察数据传输。但其也有明显的缺点，一是受地球曲率与自身功率影响，传输距离有限，二是需保证地面链路天线和无人机之间没有明显遮挡，否则会出现信号中断。目前国内多数机场周边地势均较为平坦，当无人机飞行距离较近时，天线仰角大，不容易出现视距链路被遮挡的情况。但是当视距链路天线布置于某些起伏较大地形环境时(如日喀则机场，位于高原河谷地区，两侧均为高山)，而无人机又飞行较远时，就会出现地面视距链路天线仰角小，无线电被地形遮挡的情况。
如何准确计算视距链路在这种情况下的作用范围，国内尚无直接有效的计算检查方法。即使是人站在天线旁，使用光学角度测量仪器或目视观察周边环境，能够大致评估出地形边界对应的仰角和方位，但也无法估算出地形遮挡边界仰角、方位和飞行高度、飞行距离的关系，无法用于指导无人机飞行航路规划中的链路规划。
发明内容
发明目的：本发明采用三维地形工具软件作为基础，通过软件编程，生成视距链路天线的在指定半径、指定高度的圆周航线上的无线电传输路径文件，然后在三维地形中打开后，即可直观的看到该圆周航线上，无线电路径与三维地形的相互关系，是否出现了路径被遮挡的情况。逐渐改变圆周航线的半径，最终可得到一系列的指定飞行高度上的无线电无遮挡覆盖范围，据此结果可优化航线设计，尽量将飞行航线置于视距链路传输范围内，或作好规划提前将链路切换至不受地形影响的卫星通信链路。
技术方案：一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，确定链路天线位置O及巡航高度H设置，获取三维地形数据、利用三维地形数据模拟视距链路传输路径，检测地形遮挡情况，从而获取无人机在巡航高度H飞行时，地面链路天线向无人机发出的无线电波在空间中的无遮挡区域覆盖范围。
所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，包括以下步骤：
步骤1、确定链路天线位置O，巡航高度H，圆周半径R；
步骤2、沿圆周每隔一定角度生成一条空间直线；
步骤3、将所有空间直线整合为一个空间直线文件；
步骤4、在三维地形图中打开空间直线文件，检查遮挡情况；
步骤5、删除被遮挡的空间直线，并保存无遮挡空间直线文件，判断无遮挡空间直线文件是否为一个完整的圆周，若是则进入步骤7，若否则进入步骤6；
步骤6、缩小圆周半径R，并重复步骤2到5；
步骤7、在三维地形图中打开无遮挡空间直线文件，得到链路天线在位置O，巡航高度为H的视距链路覆盖区域图。
所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，步骤1中，圆周半径R为视距链路自身无遮挡情况下的最远作用距离。
所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，步骤2中所述的一定角度，在圆周半径R小于500km内时，所述的一定角度为1°。
所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，步骤6中所述缩小圆周半径R，具体包括将圆周半径R减小5km。
有益效果：该方法将三维地形与无人机、无线电传输路径融合到一起，完成了无人机飞行视距链路无线电覆盖范围的计算检查，解决了无人机在复杂地形环境下飞行时无法准确估计视距链路作用范围的问题，适用于无人机飞行时的航路规划检查。该方法也可用于计算地面对空雷达的作用范围，适用于雷达基站的布站选址评估。
附图说明
图1是视距链路地形遮挡的检查原理图；
图2是实现本发明方法的一种实施例计算检查流程图；
图3某无人机在7km高度上视距链路作用范围示意图。
具体实施方式
本发明使用包括：GoogleEarth、Matlab、Matlab to GoogleEarth toolbox等工具软件具体应用的实施例如下，需要声明的是，该实施例只是本发明众多实施方式中的一种，本发明的应用并不依赖于上述软件工具，其他可实现本发明所需功能的软件及数据均可用来支持本发明的实现。
Google Earth提供了免费的全球卫星图像和高程数据，可以根据需要随时在互联网上对指定区域进行地形数据更新。GoogleEarth支持kml文件，通过kml文件描述，可在GoogleEarth的三维地形中生成点、线、面等元素。kml文件的格式描述可参见互联网http://www.opengeospatial.org/standards/kml/，若依靠手工编写kml文件来描述三维数据比较费时，可使用第三方软件来生成kml文件。其中典型的是Matlab to GoogleEarthtoolbox，可在互联网上公开获取到。
(一)确定视距链路天线所在的位置O点的地理数据，包括经度、纬度、高度(Long0，Lat0，H0)，经度和纬度数据采用度为单位，应精确至小数点后6位以保证在GoogleEarth中的定位精度，高度数据采用米为单位，使用当地的绝对海拔高度+天线中心离地面的物理高度，应精确至小数点后1位。
(二)从互联网上下载Matlab to GoogleEarth toolbox工具箱压缩包，解压后将googleearth文件夹至于Matlab安装目录的toolbox文件中，例如D:\matlab\googleearth\，在Matlab中输入addpath('D:\matlab\googleearth')，完成该工具箱的安装。
(三)在Matlab中将程序运行当前文件夹设置为D:\matlab\googleearth\，并新建一个空白的m文件存在该目录下，例如CoverCheck.m。在CoverCheck.m中编写程序：
(1)生成以位置O点为圆心，视距链路最远作用距离R为半径的空间圆周，圆周的高度设为无人机拟巡航飞行的高度H；
(2)在该圆周上每隔1°取一个点的位置坐标，包括经度、纬度、高度(x，y，h)
(3)从1°的点开始，将该点的经度与O点的经度合并为数组X，同样两者的维度合并为数组Y，高度合并为数组Z；
(4)使用工具箱中的ge_plot3()函数，例如kmlStr＝ge_plot3(X,Y,Z,'lineWidth',2,'lineColor','ffffff00','altitudeMode','absolute')，将X、Y、Z三个数组输出为kml格式字符串，该字符串例名为kmlStr1，其代表了两点之间的空间直线，即地面视距链路天线与无人机之间的无线电信号传输路径。其中lineWidth与lineColor表示传输路径的宽度和颜色，可根据显示需要自行调整，altitudeMode属性应设为absolute，以保证空间直线与地形的高度属性一致。
(5)循环执行(3)-(4)步，将每一步所生成的kmlStr合并至上一步的kmlStr中，直至取完第360个点。
(6)使用ge_output(’showCoverArea’,kmlStr)函数，将kmlStr字符串最终输出为showCoverArea.kml文件，该文件保存在与程序相同的目录下，文件名可根据需要修改。
(四)接入互联网的前提下，打开GoogleEarth，在GoogleEarth中找到拟进行检查的区域，逐一对该区域周边最大视距范围内的区域进行放大浏览以下载地形，当需检查的区域地形下载完毕后，从GoogleEarth中打开showCoverArea.kml文件，即可在直观地观察到第(三)步中生成的圆周上，视距链路传输受地形的遮挡情况。若圆周上某点与O点间的直线与地形发生交叉重叠，表明该点处的无线电信号受到遮挡。
(五)逐一检查360个点的遮挡情况，在GoogleEarth中将受遮挡的路径删除，保存为kml文件1。
(六)将第(三)步中的R减小5km(减小值可根据需要自行调整，值越小，精度越高)并重复执行(三)、(四)、(五)，将最终的文件存为kml文件2，依次类推，直至当某一半径的圆周上，任何一个点的空间直线均不与地形发生重叠为止。
(七)将所有的kml文件同时在GoogleEarth中打开，即得到了以该视距链路天线O为中心，当无人机飞行在高度H上时，视距链路信号的全部无遮挡覆盖范围。
以某无人机在日喀则机场试飞时为例，通过上述方法得到的其在7km上视距链路作用范围如图3所示，经实际飞行检查表明，范围边界上视距链路理论中断点与实际中断点的水平距离误差在1％以内(该误差受地形精度、水平距离、路径的角度间隔与半径间隔差异不一而不一样，为避免误差影响飞行，在进行链路规划时应保留适当的水平距离余量)。
其他补充说明
除了GoogleEarth也可以用别的地形数据。
根据同样的直线传输原理，可将该方法派生应用于地面对空雷达、地面对空直线照射激光等设备的空中覆盖范围计算。

Claims (4)

1.一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，其特征在于，确定链路天线位置O及巡航高度H设置，获取三维地形数据、利用三维地形数据模拟视距链路传输路径，检测地形遮挡情况，从而获取无人机在巡航高度H飞行时，地面链路天线向无人机发出的无线电波在空间中的无遮挡区域覆盖范围；具体包括以下步骤：
步骤1、确定链路天线位置O，巡航高度H，圆周半径R；
步骤2、沿圆周每隔一定角度生成一条空间直线；
步骤3、将所有空间直线整合为一个空间直线文件；
步骤4、在三维地形图中打开空间直线文件，检查遮挡情况；
步骤5、删除被遮挡的空间直线，并保存无遮挡空间直线文件，判断无遮挡空间直线文件是否为一个完整的圆周，若是则进入步骤7，若否则进入步骤6；
步骤6、缩小圆周半径R，并重复步骤2到5；
步骤7、在三维地形图中打开无遮挡空间直线文件，得到链路天线在位置O，巡航高度为H的视距链路覆盖区域图。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，其特征在于，步骤1中，圆周半径R为视距链路自身无遮挡情况下的最远作用距离。
3.根据权利要求1所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，其特征在于，步骤2中所述的一定角度，在圆周半径R小于500km内时，所述的一定角度为1°。
4.根据权利要求1所述的一种无人机飞行视距链路覆盖范围的计算方法，其特征在于，步骤6中所述缩小圆周半径R，具体包括将圆周半径R减小5km。
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