針對當(dāng)時(shí)空中無線電監(jiān)測依賴于懸?；蜓仡A(yù)設(shè)軌道飛翔的監(jiān)測辦法，不能充分利用空中渠道機(jī)動靈活的才能，無法取得最佳丈量方位和丈量值的問題，剖析了空中無線電監(jiān)測使命和監(jiān)測進(jìn)程，在現(xiàn)有空中電磁頻譜測向定位辦法的基礎(chǔ)上，提出一種多旋翼無人機(jī)自主途徑規(guī)劃辦法，根據(jù)監(jiān)測使命實(shí)時(shí)進(jìn)行無線電監(jiān)測，將循環(huán)迭代的監(jiān)測成果作為自主途徑規(guī)劃的根據(jù)，研討包含無人機(jī)飛翔的高度、方向、轉(zhuǎn)向判據(jù)和轉(zhuǎn)向視點(diǎn)的操控辦法，并規(guī)劃了無人機(jī)途徑規(guī)劃流程。
關(guān)鍵詞:無人機(jī)；空中頻譜監(jiān)測；使命規(guī)劃；途徑規(guī)劃
引言
基于無人空中渠道的無線電監(jiān)測從20世紀(jì)90年代末就開端有相關(guān)測驗(yàn)。到現(xiàn)在為止，無人空中監(jiān)測首要選用升空懸停監(jiān)測和預(yù)先規(guī)劃軌道監(jiān)測兩種辦法。升空懸停監(jiān)測僅僅單純地提升了接收機(jī)和天線的高度，擴(kuò)展了監(jiān)測規(guī)模，進(jìn)步了某些參數(shù)的丈量精度，可觀測的內(nèi)容與地上監(jiān)測站大體一致。預(yù)先規(guī)劃軌道監(jiān)測需求在無人渠道升空前，由操作人員依據(jù)既定丈量使命、監(jiān)測區(qū)域地勢、地物、地貌以及丈量經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定飛翔道路?？墒强臻g電磁環(huán)境十分雜亂，固定的飛翔道路不能有針對性的施行監(jiān)測使命，無法滿意尋覓無線電信號最佳丈量時(shí)機(jī)和丈量方位的準(zhǔn)確丈量需求。
現(xiàn)有的無人機(jī)主動途徑規(guī)劃都是用于完結(jié)既定使命、躲避地上和空中障礙物的途徑規(guī)劃辦法，比較于預(yù)先規(guī)劃飛翔軌道，主動途徑規(guī)劃的環(huán)境適應(yīng)性更好，可以在愈加雜亂的動態(tài)環(huán)境下完結(jié)既定使命，但現(xiàn)在這些途徑規(guī)劃算法的規(guī)劃準(zhǔn)則與無線電監(jiān)測無關(guān)，對進(jìn)步空中無線電監(jiān)測功能沒有任何協(xié)助，但這種適應(yīng)環(huán)境改變的反饋式途徑規(guī)劃思維是值得學(xué)習(xí)的。依據(jù)監(jiān)測參數(shù)的不同，空中無線電監(jiān)測的辦法、最佳方位都不相同，因而本文測驗(yàn)設(shè)計(jì)一種新的空中無線電監(jiān)測辦法，在空中無線電監(jiān)測中引入主動途徑規(guī)劃的思維，使途徑規(guī)劃準(zhǔn)則與無線電監(jiān)測直接相關(guān)，即依據(jù)前一階段監(jiān)測剖析的成果規(guī)劃下一階段無人機(jī)的飛翔途徑，在飛翔過程中接連監(jiān)測，循環(huán)迭代監(jiān)測成果批改航線，以期繼續(xù)取得最佳丈量方位和丈量值，滿意無線電準(zhǔn)確丈量的需求。
1空中頻譜監(jiān)測的相關(guān)測驗(yàn)
2008年開端進(jìn)行空中無線電監(jiān)測的討論，提出了空中無線電監(jiān)測對無人機(jī)的要求，對無線電監(jiān)測對飛翔高度、續(xù)航時(shí)刻以及操控方法等無人機(jī)研制急需解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了剖析。
2012年成都九華圓通公司使用無人直升機(jī)搭載無線電監(jiān)測測向設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了空中監(jiān)測渠道與地上監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成的立體監(jiān)測。提高了在雜亂地理環(huán)境下的電磁環(huán)境監(jiān)測才干。2014年西華大學(xué)研制出依據(jù)多旋翼機(jī)器人的空中無線電監(jiān)測體系，選用比幅法丈量輻射源方向，并選用交叉定位法取得信號源方位，測向定位差錯為200米。隨后浙江省無線電監(jiān)測站、寧波市無線電監(jiān)測站、成都華日通訊、上海創(chuàng)遠(yuǎn)儀器別離試驗(yàn)和制作了依據(jù)旋翼無人機(jī)的空中無線電監(jiān)測體系，使用形式均選用多旋翼無人機(jī)裝載無線電監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)過遙控方法遍及選用預(yù)先規(guī)劃軌道或?qū)崟r(shí)地上操控。
2015年西華大學(xué)研制的用于無線電監(jiān)測的空中智能機(jī)器人是國內(nèi)首個(gè)使用自主途徑規(guī)劃的有用空中無線電監(jiān)測體系，選用監(jiān)測得到的場強(qiáng)散布成果引導(dǎo)無人機(jī)自主途徑規(guī)劃，但沒有揭露更多其自主途徑規(guī)劃性能指標(biāo)。
國外空中無線電監(jiān)測使用方面，除一個(gè)用于查找播送天線體系故障的無人機(jī)頻譜監(jiān)測使用外，其他查到的空中無線電監(jiān)測體系都用于軍事，盡管沒有揭露闡明其軍事使用的無人機(jī)監(jiān)測體系操控方法，但從其可以主動定位盯梢方針等描繪中猜想其無人機(jī)體系應(yīng)該裝載有自主和人工兩種操控形式。
空中渠道在國內(nèi)現(xiàn)有的懸停監(jiān)測或沿預(yù)設(shè)軌道飛翔監(jiān)測方法中僅起到升空接納的作用，而依據(jù)丈量使命和空中實(shí)時(shí)丈量成果進(jìn)行飛翔軌道規(guī)劃的無線電丈量方法還剛起步，如何充分使用機(jī)動性、通視性等空中渠道優(yōu)勢取得最佳丈量時(shí)機(jī)和方位是當(dāng)時(shí)研討的一個(gè)難點(diǎn)。
2空中監(jiān)測使命
無人空中無線電監(jiān)測是指把監(jiān)測設(shè)備裝載在無人空中渠道進(jìn)行的無線電監(jiān)測方法?？罩斜O(jiān)測使命首要包含丈量指定區(qū)域電磁頻譜環(huán)境、無線電信號參數(shù)，對信號源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和測向定位，并依此生成區(qū)域電磁態(tài)勢。常見的可用于空中無線電監(jiān)測的無人渠道有固定翼、單旋翼、多旋翼無人機(jī)以及氣球、飛艇等。無人渠道的挑選對完結(jié)快速、高精度無線電信號丈量和測向使命具有決定性含義。多旋翼無人機(jī)是一種較為抱負(fù)的空中丈量渠道，其操控簡潔，可實(shí)現(xiàn)半自主式和全自主式操控，可以完結(jié)懸停、小半徑直角轉(zhuǎn)向等飛翔動作，既滿意空中飛翔機(jī)動靈活的要求，也可以供給空中監(jiān)測設(shè)備的載荷需求。
影響空中無線電監(jiān)測精度的首要因素是天線方向和監(jiān)測間隔，所以在監(jiān)測過程中不斷優(yōu)化二者才干取得更精確的信號參數(shù)?？罩袩o線電監(jiān)測可劃分為三個(gè)階段：一是發(fā)現(xiàn)信號階段，此階段旋翼機(jī)在某預(yù)先規(guī)劃的飛翔軌道升空飛翔，實(shí)時(shí)丈量空間頻譜，發(fā)現(xiàn)待測信號；二是定位信號源階段，發(fā)現(xiàn)方針后使用旋翼機(jī)載監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行測向，經(jīng)過初始測向成果斷定“當(dāng)時(shí)最佳丈量方位”，在規(guī)則的丈量時(shí)刻內(nèi)使用“當(dāng)時(shí)最佳丈量方位批改算法”進(jìn)行迭代運(yùn)算，實(shí)時(shí)規(guī)劃丈量途徑，尋覓當(dāng)時(shí)最佳丈量方位；三是取得最優(yōu)丈量參數(shù)，歸納信號場強(qiáng)、頻譜和信號源方位等參數(shù)生成區(qū)域電磁態(tài)勢。本文著重對發(fā)現(xiàn)信號后的第二階段旋翼機(jī)途徑規(guī)劃進(jìn)行討論。
3依據(jù)丈量使命尋覓最佳丈量途徑
針對監(jiān)測使命需求預(yù)先規(guī)劃多旋翼無人機(jī)飛翔高度和預(yù)先飛翔軌道，依據(jù)地域的巨細(xì)和地勢地貌，斷定旋翼機(jī)升空高度，依據(jù)監(jiān)測區(qū)域地勢地貌斷定預(yù)先飛翔軌道。
在發(fā)現(xiàn)信號后，依據(jù)第一階段監(jiān)測過程中測得的信號源方向，實(shí)時(shí)斷定轉(zhuǎn)向視點(diǎn)，不斷迭代調(diào)整飛翔方向，達(dá)到最佳監(jiān)測作用。假定監(jiān)測使命是獲取半徑120km區(qū)域內(nèi)信號源的頻譜占用度、場強(qiáng)散布、方位等信息。
依據(jù)丈量使命的描繪，在未知輻射源散布規(guī)則的前提下，需求丈量節(jié)點(diǎn)針對某一個(gè)輻射源丈量并逐次迫臨，丈量不同參數(shù)，需求的丈量方法不同，例如丈量電磁環(huán)境的場強(qiáng)散布需求在盡量多的方位靜止地測出所在方位的場強(qiáng)值，這樣依據(jù)傳達(dá)模型預(yù)測出的電磁環(huán)境場強(qiáng)散布才愈加精確；而丈量輻射源方位，則需求在運(yùn)動中丈量輻射源的方向，再依據(jù)丈量的成果挑選恰當(dāng)?shù)姆轿晦D(zhuǎn)向恰當(dāng)?shù)姆较?，逐漸迫臨輻射源所在方位的上空，以期取得更精確的方位丈量成果。
3.1多旋翼無人機(jī)飛翔高度規(guī)劃
多旋翼無人機(jī)飛翔與的鴻溝連線構(gòu)成一個(gè)與地球相切的圓錐面，切線在地球外表圍成的丈量規(guī)模是一個(gè)球冠的上外表。
3.2初始飛翔方向規(guī)劃
穿插定位精度受監(jiān)測節(jié)點(diǎn)運(yùn)動方向與信號源方向夾角、測向精度、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度、監(jiān)測定位時(shí)刻等要素影響，信號源方向及其相反方向是測向穿插定位的盲區(qū)，空中平臺的初始飛翔方向首先要掃除這兩個(gè)方向。
實(shí)踐丈量過程中，測向差錯會跟著丈量節(jié)點(diǎn)與信號源的間隔拉大而則增大，所以初始飛翔方向信號源方向初值夾角小于90°，否則會由于間隔增大而導(dǎo)致差錯增加，如圖1：
3.3轉(zhuǎn)向方位和轉(zhuǎn)向視點(diǎn)規(guī)劃
多旋翼無人機(jī)的轉(zhuǎn)向方位和轉(zhuǎn)向方向由轉(zhuǎn)向前的一切丈量成果迭代決議。轉(zhuǎn)向前的丈量成果存在兩種狀況：丈量成果收斂、丈量成果發(fā)散。如圖3-3，測向穿插定位的丈量成果是一個(gè)四邊形含糊區(qū)域，在測向精度一定的狀況下，四邊形面積縮小，即丈量成果收斂，表明信號源定位的成果比較穩(wěn)定，是可信的定位成果，闡明當(dāng)時(shí)運(yùn)動方向是較好的丈量方位和運(yùn)動方向；丈量成果發(fā)散，代表當(dāng)時(shí)運(yùn)動方向是較差的丈量方位和運(yùn)動方向，不能測得信號源方位。丈量成果收斂時(shí)，持續(xù)丈量直到在這個(gè)飛翔方向上到達(dá)抱負(fù)的丈量長度；丈量成果發(fā)散時(shí)，立即中止這個(gè)方向上的丈量，根據(jù)最終測得的信號源方向從頭尋覓初始飛翔方向。
從圖3中暗影區(qū)域的構(gòu)成能發(fā)現(xiàn)用來交匯的兩個(gè)方向夾角越小，含糊區(qū)域在垂直于飛翔方向的方向上越延伸，夾角越大，含糊區(qū)域在飛翔方向上越延伸，并且對于測向穿插定位來說，兩頭測向成果相交的夾角要遠(yuǎn)大于測向成果的含糊角，測向成果相交的含糊區(qū)域能夠近似看作平行四邊形，多個(gè)高度持平的平行四邊形明顯邊長最小的矩形面積最小，因而當(dāng)且僅當(dāng)兩方向線彼此正交時(shí)，含糊區(qū)域最小。所以發(fā)作轉(zhuǎn)向的方位應(yīng)該是測向成果與測向初始值彼此正交的方位。
其次，要判別轉(zhuǎn)向視點(diǎn)，如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為向信號源方向90°時(shí)，跟著丈量的進(jìn)行，旋翼機(jī)會逐步逼近信號源，一起處理了無線電丈量和抵近信號源的問題，所以應(yīng)取轉(zhuǎn)向方向?yàn)樾盘栐捶较?0°。
綜上所述，基于任務(wù)的多旋翼無人機(jī)路徑規(guī)劃流程如圖5所示：
4結(jié)語
本文以充分利用旋翼無人機(jī)特性，提出了根據(jù)丈量任務(wù)的途徑規(guī)劃辦法，該辦法將主動途徑規(guī)劃的思維與頻譜監(jiān)測結(jié)合，對進(jìn)步空中無線電監(jiān)測的精確度有協(xié)助，使空中無線電監(jiān)測能夠習(xí)慣更加雜亂的動態(tài)丈量環(huán)境，并減小頻譜監(jiān)測無人機(jī)操作者的操作難度，使旋翼機(jī)能夠在最佳方位得到抱負(fù)的丈量成果。但本文提出的途徑規(guī)劃辦法還僅僅一個(gè)開始設(shè)想，沒有進(jìn)行什物或仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提出的無人機(jī)途徑規(guī)劃辦法也是本文主要后續(xù)作業(yè)。
今日薦文的作者為裝甲兵工程學(xué)院專家劉玉軍，張行知，陳坤和裝甲兵學(xué)院專家蔡猛等。本篇節(jié)選自論文《基于監(jiān)測任務(wù)的多旋翼無人機(jī)路徑規(guī)劃》，發(fā)表于《中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》第12卷第1期。
