CN111665508B - 直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法，直升机载地形跟随与回避可视化导航***，包括：防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***。本发明提供的直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法，将空间三维轨迹规划降维为在二维空间进行航迹规划，从而明显降低了计算复杂度，加快了航迹规划的速度，满足导航实时性的要求。

Description

直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法
技术领域
本发明属于航空航天导航技术领域，具体涉及一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法。
背景技术
在现代航空航天领域中，导航是一种十分重要的技术，通过导航对直升机在空中的飞行轨迹进行实时规划，从而最终使直升机从起始点成功到达目标终点。近年来，直升机在低空飞行的需求越来越重要，随着电子技术、地理信息和防空技术的不断发展，直升机低空飞行技术已经成为军事技术和战术战略手段。现有技术中，在对直升机进行导航时，主要采用空间三维轨迹导航规划方法，具体的，假设直升机在空间中的当前点为A点，需要首先确定A点周围邻近的栅格点，在三维空间中，邻近栅格点数量为26个，因此，需要比较A点分别与26个邻近栅格点之间的路径差异，从而在26个邻近栅格点中确定最佳的栅格点，假设最佳栅格点为栅格点B，进而确定了直升机需要从当前A点向栅格点B飞行的导航方向。
上述直升机三维空间导航方法，具有以下问题：由于需要在三维空间搜索航迹，因此，计算过程复杂，需要花费较长的时间，无法满足对导航实时性的要求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***，包括：防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***；
所述防撞雷达***、所述敌方威胁探测***、所述电子地理信息***、所述无线电高度表、所述大气机、所述卫星定位***和所述惯导***的输出端均与所述数据处理计算机的输入端连接；所述全权限电传飞控***具有手动控制模式和自动控制模式，在手动控制模式下，所述数据处理计算机输出端与所述综合显示器连接，将导航画面显示到所述综合显示器，因此，通过手动操作手柄控制器，进而手动控制所述全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的机身飞行姿态；在自动控制模式下，所述数据处理计算机的控制指令输出端直接与所述全权限电传飞控***连接，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态。
优选的，所述卫星定位***为北斗卫星定位***和/或GPS卫星定位***。
本发明还提供一种基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，包括以下步骤：
步骤1，确定与直升机低空飞行任务相应的三维规划空间；确定与所述三维规划空间相对应的栅格化的数字高程地图；其中，栅格化的数字高程地图为用于表征与三维规划空间对应的地形属性的地图，其中，每个栅格具有的栅格位置信息为：(x0,y0,z0)；其中，x0代表栅格经度数据；y0代表栅格纬度数据；z0代表栅格高程数据；
步骤2，结合飞行任务对所述三维规划空间的实际情况进行分析，确定所述三维规划空间的障碍物信息和敌方威胁信息；将所述障碍物信息存入到障碍物数据库；将所述敌方威胁信息存入到敌方威胁数据库；
步骤3，将步骤2确定的所述障碍物信息和所述敌方威胁信息标识到步骤1建立的所述数字高程地图中，得到处理后的数字高程地图；
步骤4，根据步骤3确定的所述处理后的数字高程地图，得到二维地图；其中，所述二维地图为栅格形式地图，每个栅格位置通过栅格经度数据x0和栅格纬度数据y0表示；同时，每个所述栅格还对应有栅格高程数据z0；
步骤5，基于直升机低空飞行任务和所述二维地图，对直升机飞行轨迹进行初始规划，得到基础航迹；所述基础航迹为满足直升机低空飞行任务，同时回避所述二维地图中已标识的所有障碍物信息和所有敌方威胁信息的航迹；所述基础航迹由按飞行方向依次排列的n个航迹点连线形成；将n个航迹点按飞行方向依次表示为：航迹点P1,P2,...,Pn；其中，航迹点P1为飞行起点；航迹点Pn为飞行终点；航迹点P2,...,Pn-1为航迹中间点；
步骤6，直升机同时搭载防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***进行飞行，当直升机飞行到任意的当前航迹点Pi时，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方法进行航迹规划，从而确定飞行方向；
步骤6.1，防撞雷达***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在障碍物，如果有，则将探测到的障碍物信息实时发送给数据处理计算机；敌方威胁探测***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在敌方威胁，如果有，则将探测到的敌方威胁信息实时发送给数据处理计算机；
同时，无线电高度表实时测量直升机到地面的实时真实高度数据，并将所述实时真实高度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，大气机实时探测到飞行区域的大气参数，并将所述大气参数实时发送给所述数据处理计算机；
同时，卫星定位***实时检测到直升机当前经纬度数据，并将所述当前经纬度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，惯导***实时检测到直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，并将所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据实时发送给所述数据处理计算机；
步骤6.2，如果所述数据处理计算机接收到所述防撞雷达***探测到的障碍物信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的障碍物信息是否已存储于所述障碍物数据库，如果有，则执行步骤6.3；如果没有，则将探测到的障碍物信息存储到所述障碍物数据库，同时，将实时探测到的新的障碍物信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；
如果所述数据处理计算机接收到所述敌方威胁探测***探测到的敌方威胁信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的敌方威胁信息是否已存储于所述敌方威胁数据库，如果有，则执行步骤6.3；如果没有，则将探测到的敌方威胁信息存储到所述敌方威胁数据库，同时，将实时探测到的新的敌方威胁信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；
步骤6.3，所述数据处理计算机判断当前航迹点Pi是否为飞行终点，如果是，则结束导航过程；如果不是，则令i＝i+1，返回步骤6.1；
步骤6.4，所述数据处理计算机调用动态航迹规划模块，进行动态航迹规划，具体包括：所述数据处理计算机综合分析探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁，以及步骤6.1得到的所述实时真实高度数据、所述大气参数、所述当前经纬度数据和所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，确定距离探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁最近的安全基础航迹点为动态航迹规划终点；同时，以当前航迹点Pi为动态航迹规划起点Pi；设动态航迹规划终点为Pj；
步骤6.5，动态航迹规划起点的三维坐标为：Pi(xi,yi,zi)，其中，xi为动态航迹规划起点Pi的经度数据；yi为动态航迹规划起点Pi的纬度数据；zi为动态航迹规划起点Pi在空中的高度数据；
将动态航迹规划起点Pi(xi,yi,zi)投影到步骤6.2得到的更新后的二维地图中，设其在更新后的二维地图的投影点为Pi'，投影点Pi'的经度数据仍然为xi，纬度数据仍然为yi，投影点Pi'所在地形的地形高程数据为zi'；
在更新后的二维地图中，投影点Pi'共有8个相邻栅格点，对于每一个相邻栅格点，均执行以下步骤6.5.1-步骤6.5.4，从而判断该相邻栅格点是否为障碍点：
步骤6.5.1，假设相邻栅格点为Qk(xk,yk)，其中，xk为相邻栅格点经度数据，yk为相邻栅格点纬度数据，相邻栅格点Qk的地形高程数据表示为zk；
步骤6.5.2，采用下式计算投影点Pi'到相邻栅格点Qk的爬升高度H：
H＝zk-zi'
根据投影点Pi'与相邻栅格点Qk的位置坐标，得到投影点Pi'到相邻栅格点Qk的水平距离S；
Figure BDA0002471747270000041
通过惯导***，获得直升机在动态航迹规划起点Pi时的飞机平飞速度v；
步骤6.5.3，采用下式，计算直升机从投影点Pi'到相邻栅格点Qk的实际爬升率
Figure BDA0002471747270000042
Figure BDA0002471747270000043
步骤6.5.4，获得直升机在当前平飞速度v时所能达到的最大爬升率ΓMax；比较实际爬升率
Figure BDA0002471747270000044
和最大爬升率ΓMax，如果实际爬升率
Figure BDA0002471747270000045
小于等于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为自由点；反之，如果实际爬升率
Figure BDA0002471747270000051
大于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为障碍点；
步骤6.6，因此，将步骤6.5识别出的所有性质为自由点的相邻栅格点加入到自由点集合中，假设自由点集合中共有d个自由点，分别为：Q11,Q12,...,Q1d,对于任意一个自由点，表示为Q1f，其中，f＝1,2,...,d，均采用下式计算自由点Q1f的估价值f(Q1f)：
f(Q1f)＝g(Q1f)+h(Q1f)
其中：
g(Q1f)表示从动态航迹规划起点Pi到自由点Q1f的实际代价；
h(Q1f)表示从自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的估计值；
由于共有d个自由点，因此，共计算得到d个估价值；在d个估价值中，识别出最小估价值所对应的自由点，设为自由点Q1min；自由点Q1min为二维地图的地形数据点，其经度数据为x1min，纬度数据为y1min，地形高程数据为z1min；地形跟随间隙h0为已知设定值；因此，根据自由点Q1min，确定对应的空间规划航迹点P0(x0,y0,z0)为：
x0＝x1min
y0＝y1min
z0＝z1min+h0
空间规划航迹点P0即为本次动态航迹规划得到的航迹点；因此，直升机从当前航迹点Pi向空间规划航迹点P0飞行，同时，以航迹点Pi作为步骤6.5的动态航迹规划起点，动态航迹规划终点仍然为Pj，对空间规划航迹点P0的下一个航迹点进行规划，如此不断进行动态航迹规划，最终到达动态航迹规划终点Pj；由于动态航迹规划终点Pj为基础航迹点，因此，当直升机到达动态航迹规划终点Pj后，返回步骤6.1，继续沿基础航迹飞行，同时对新的障碍物和新的敌方威胁进行探测，当探测到新的障碍物和新的敌方威胁时，重新启用动态航迹规划算法，如此不断循环，直到飞行到飞行终点Pn。
优选的，步骤6.6中，h(Q1f)为自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的距离；所述距离为曼哈顿距离。
优选的，还包括：
步骤7，当数据处理计算机通过动态轨迹规划算法，得到下一时刻的飞行目标点后，如果全权限电传飞控***启动手动控制模式，则数据处理计算机将带有导航指示方向的导航画面数据输出到综合显示器；飞行员通过观察综合显示器，手动操纵手柄控制器，进而手动控制全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的飞行姿态；
如果全权限电传飞控***启动自动控制模式，数据处理计算机直接生成控制指令，并将控制指令直接输出给全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态。
本发明提供的直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法具有以下优点：
本发明提供的直升机载地形跟随与回避可视化导航***以及导航方法，将空间三维轨迹规划降维为在二维空间进行航迹规划，从而明显降低了计算复杂度，加快了航迹规划的速度，满足导航实时性的要求。
附图说明
图1为本发明提供的直升机载地形跟随与回避可视化导航***的结构原理图；
图2为本发明提供的二维地图中相邻栅格点和投影点位置关系图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***，尤其涉及一种用于直升机低空飞行时实现地形跟随和地形回避的可视步导航***，参考图1，包括：防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***；
所述防撞雷达***、所述敌方威胁探测***、所述电子地理信息***、所述无线电高度表、所述大气机、所述卫星定位***和所述惯导***的输出端均与所述数据处理计算机的输入端连接；所述全权限电传飞控***具有手动控制模式和自动控制模式，在手动控制模式下，所述数据处理计算机输出端与所述综合显示器连接，将导航画面显示到所述综合显示器，因此，通过手动操作手柄控制器，进而手动控制所述全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的机身飞行姿态；在自动控制模式下，所述数据处理计算机的控制指令输出端直接与所述全权限电传飞控***连接，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态。
本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***，具备自动地形跟随、自动地形回避、自动威胁回避、防撞告警及自动规避和可视化实时导航功能，可达到以下性能指标：
a)地形跟随间隙：不大于20米；
b)地形回避间距：不大于50米；
c)孤立障碍物告警距离：不小于2千米；
d)高压线告警距离：不小于1千米；
e)可靠度：不小于0.98。
本发明提供一种直升机载地形跟随与回避可视化导航***，在直升机沿基础航迹飞行过程中，数据处理计算机实时采集到防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、卫星定位***、惯导***和大气机等传感器上传的数据，从而可探测到飞行路径上数字高程地图未标注的新的障碍物和/或新的敌方威胁，综合应用数据融合技术和飞行控制技术，获得当前时刻最佳的可规避新的障碍物和/或新的敌方威胁的最佳航迹点，进而生成航迹优化控制指令，再将航迹优化控制指令发送给全权限电传飞控制***，或通过综合显示器向飞行员提供可视化导航画面和控制指令，由飞行员手动控制直升机飞行，实现实时导航的效果。
各功能模块的主要功能为：
a)防撞雷达***：用于实时探测和识别直升机飞行前方设定范围的地形，进而判断是否存在障碍物；
b)电子地理信息***：用于提供载机任务区域的高精度数字高程地图；
c)无线电高度表：用测量直升机到地面的实时真实高度；
d)大气机：用于实时探测到飞行区域的大气参数；
e)卫星定位***，可以为北斗卫星定位***和/或GPS卫星定位***，用于检测直升机当前经纬度数据；
f)惯导***：用于实时检测到直升机当前航向、姿态和飞行速度数据。
g)数据处理计算机：用于处理各传感器采集到的数据，当需要进行航迹重新规划时，采用动态实时航迹规划算法解算到最佳航迹点，进而生成控制指令。
h)全权限电传飞控制***：用于根据数据处理计算机下发的控制指令，实时控制直升机的飞行姿态。
i)综合显示器：用于向飞行员显示可视化导航画面，可以为水平和垂直引导二维/三维导航视图，以及预测安全飞行轨迹(包括水平轨迹和垂直轨迹)，同时显示载机状态信息和实时引导指令。
各功能模块的性能指标要求为：
1、防撞雷达***性能指标要求：
a)工作频段与带宽：Ka波段，带宽不小于200MHz；
b)天线波速宽度：不大于6°(方位)×11°(俯仰)；
c)天线方位扫描：±60°范围，速度25°±10°/s；
d)天线俯仰扫描：自动方式，范围-15°～+10°；
e)作用距离：对直径≥20mm的架空绞股线(载机与目标高差不大于60米)不小于2km，对直径≥1m的烟囱(载机与目标高差不大于60米)不小于4km；
f)连续工作时间：不小于8h。
2、电子地理信息***性能指标要求：
a)加载的图幅数量≥100幅；
b)可同时绘制的空间实体数量≥100000个；
c)数据查询相应时间≤5秒；
d)显示刷新率≥30帧/秒；
e)***最大占用内存小于4GB；
f)***运行平均帧率≥30fps；
g)场景中视点转移过程中无明显卡顿；
h)UI操作所对应的功能响应时间不大于0.1s；
i)网络数据传输的过程中，在不考虑网络延时的情况下，软件从接收数据、解析数据到绘制显示的用时小于等于0.5s；
j)瓦片数据加载速度达到毫秒级。
3、无线电高度表性能指标要求
a)测高范围：0m～1500m；
b)工作频率：4200MHz～4400MHz；
c)测高精度：
≤0.3m(高度H不大于50m)；
≤2％H(高度H为500m～800m)；
≤3％H(高度H为800m～1500m)；
d)响应时间：高度在60m以下时，输入信号突变10％时，输出信号响应时间应不大于0.1s；
e)适应姿态角：俯仰、横滚姿态角不大于±40°时，应能正常工作；
f)具有自动功率控制功能；
4、北斗/GPS性能指标要求
a)定位精度(CEP)：30m；
b)姿态精度(1s)：0.1°；
c)航向精度(1s)：0.2°；
d)东、北向速度精度(RMS)：0.5m/s。
5、惯导***性能指标要求
无特殊要求，根据载机装配的惯导***性能指标，修改地形跟随/回避算法模型。
6、大气机性能指标要求
无特殊要求，根据载机装配的大气机性能指标，修改地形跟随/回避算法模型。
本发明还提供一种基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，包括以下步骤：
步骤1，确定与直升机低空飞行任务相应的三维规划空间；确定与所述三维规划空间相对应的栅格化的数字高程地图；其中，栅格化的数字高程地图为用于表征与三维规划空间对应的地形属性的地图，其中，每个栅格具有的栅格位置信息为：(x0,y0,z0)；其中，x0代表栅格经度数据；y0代表栅格纬度数据；z0代表栅格高程数据；
步骤2，结合飞行任务对所述三维规划空间的实际情况进行分析，确定所述三维规划空间的障碍物信息和敌方威胁信息；将所述障碍物信息存入到障碍物数据库；将所述敌方威胁信息存入到敌方威胁数据库；其中，障碍物信息包括但不限于地理障碍、孤立障碍物、高压线等。
步骤3，将步骤2确定的所述障碍物信息和所述敌方威胁信息标识到步骤1建立的所述数字高程地图中，得到处理后的数字高程地图；具体的，在处理后的数字高程地图中，对于障碍物信息，会标识出障碍物位置以及影响范围；同样，对于敌方威胁信息，会标识出敌方威胁位置以及影响范围。
步骤4，根据步骤3确定的所述处理后的数字高程地图，得到二维地图；其中，所述二维地图为栅格形式地图，每个栅格位置通过栅格经度数据x0和栅格纬度数据y0表示；同时，每个所述栅格还对应有栅格高程数据z0；
步骤5，基于直升机低空飞行任务和所述二维地图，对直升机飞行轨迹进行初始规划，得到基础航迹；所述基础航迹为满足直升机低空飞行任务，同时回避所述二维地图中已标识的所有障碍物信息和所有敌方威胁信息的航迹；所述基础航迹由按飞行方向依次排列的n个航迹点连线形成；将n个航迹点按飞行方向依次表示为：航迹点P1,P2,...,Pn；其中，航迹点P1为飞行起点；航迹点Pn为飞行终点；航迹点P2,...,Pn-1为航迹中间点；
其中，步骤1-步骤5为直升机飞行前进行的基础步骤。从步骤6开始，描述直升机实际飞行过程。
步骤6，直升机同时搭载防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***进行飞行，当直升机飞行到任意的当前航迹点Pi时，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方法进行航迹规划，从而确定飞行方向；
步骤6.1，防撞雷达***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在障碍物，如果有，则将探测到的障碍物信息实时发送给数据处理计算机；敌方威胁探测***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在敌方威胁，如果有，则将探测到的敌方威胁信息实时发送给数据处理计算机；
同时，无线电高度表实时测量直升机到地面的实时真实高度数据，并将所述实时真实高度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，大气机实时探测到飞行区域的大气参数，并将所述大气参数实时发送给所述数据处理计算机；
同时，卫星定位***实时检测到直升机当前经纬度数据，并将所述当前经纬度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，惯导***实时检测到直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，并将所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据实时发送给所述数据处理计算机；
步骤6.2，如果所述数据处理计算机接收到所述防撞雷达***探测到的障碍物信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的障碍物信息是否已存储于所述障碍物数据库，如果有，表明在生成基础航迹时，已规避该障碍物，因此，不需要变化基础航迹，直升机可沿基础航迹继续向前飞行，因此，则执行步骤6.3；如果没有，表明此时探测到的为新障碍物，如果直升机继续沿基础航迹飞行，新障碍物会影响到直升机正常飞行，此时需要启动动态航迹规划算法，因此，将探测到的障碍物信息存储到所述障碍物数据库，同时，将实时探测到的新的障碍物信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；
如果所述数据处理计算机接收到所述敌方威胁探测***探测到的敌方威胁信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的敌方威胁信息是否已存储于所述敌方威胁数据库，如果有，则执行步骤6.3；如果没有，则将探测到的敌方威胁信息存储到所述敌方威胁数据库，同时，将实时探测到的新的敌方威胁信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；敌方威胁的处理思想，与障碍物的处理思想相同，在此不再赘述。
步骤6.3，所述数据处理计算机判断当前航迹点Pi是否为飞行终点，如果是，则结束导航过程；如果不是，则令i＝i+1，返回步骤6.1；
步骤6.4，所述数据处理计算机调用动态航迹规划模块，进行动态航迹规划，具体包括：所述数据处理计算机综合分析探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁，以及步骤6.1得到的所述实时真实高度数据、所述大气参数、所述当前经纬度数据和所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，确定距离探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁最近的安全基础航迹点为动态航迹规划终点；同时，以当前航迹点Pi为动态航迹规划起点Pi；设动态航迹规划终点为Pj；
步骤6.5，动态航迹规划起点的三维坐标为：Pi(xi,yi,zi)，其中，xi为动态航迹规划起点Pi的经度数据；yi为动态航迹规划起点Pi的纬度数据；zi为动态航迹规划起点Pi在空中的高度数据；
将动态航迹规划起点Pi(xi,yi,zi)投影到步骤6.2得到的更新后的二维地图中，设其在更新后的二维地图的投影点为Pi'，投影点Pi'的经度数据仍然为xi，纬度数据仍然为yi，投影点Pi'所在地形的地形高程数据为zi'；其中，地形高程数据zi'与zi的关系为：zi减去zi'的差值，等于地形跟随间隙h0。
在更新后的二维地图中，投影点Pi'共有8个相邻栅格点，如图2所示，中心点为投影点Pi'，其周围共有8个相邻栅格点。对于每一个相邻栅格点，均执行以下步骤6.5.1-步骤6.5.4，从而判断该相邻栅格点是否为障碍点：
步骤6.5.1，假设相邻栅格点为Qk(xk,yk)，其中，xk为相邻栅格点经度数据，yk为相邻栅格点纬度数据，相邻栅格点Qk的地形高程数据表示为zk；
步骤6.5.2，采用下式计算投影点Pi'到相邻栅格点Qk的爬升高度H：
H＝zk-zi'
根据投影点Pi'与相邻栅格点Qk的位置坐标，得到投影点Pi'到相邻栅格点Qk的水平距离S；
Figure BDA0002471747270000121
通过惯导***，获得直升机在动态航迹规划起点Pi时的飞机平飞速度v；
步骤6.5.3，采用下式，计算直升机从投影点Pi'到相邻栅格点Qk的实际爬升率
Figure BDA0002471747270000131
Figure BDA0002471747270000132
步骤6.5.4，获得直升机在当前平飞速度v时所能达到的最大爬升率ΓMax；比较实际爬升率
Figure BDA0002471747270000133
和最大爬升率ΓMax，如果实际爬升率
Figure BDA0002471747270000134
小于等于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为自由点；反之，如果实际爬升率
Figure BDA0002471747270000135
大于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为障碍点；
步骤6.6，因此，将步骤6.5识别出的所有性质为自由点的相邻栅格点加入到自由点集合中，假设自由点集合中共有d个自由点，分别为：Q11,Q12,...,Q1d,对于任意一个自由点，表示为Q1f，其中，f＝1,2,...,d，均采用下式计算自由点Q1f的估价值f(Q1f)：
f(Q1f)＝g(Q1f)+h(Q1f)
其中：
g(Q1f)表示从动态航迹规划起点Pi到自由点Q1f的实际代价；
h(Q1f)表示从自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的估计值；作为一种具体实现方式，h(Q1f)可表示为自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的距离；所述距离为曼哈顿距离。
由于共有d个自由点，因此，共计算得到d个估价值；在d个估价值中，识别出最小估价值所对应的自由点，设为自由点Q1min；自由点Q1min为二维地图的地形数据点，其经度数据为x1min，纬度数据为y1min，地形高程数据为z1min；地形跟随间隙h0为已知设定值；因此，根据自由点Q1min，确定对应的空间规划航迹点P0(x0,y0,z0)为：
x0＝x1min
y0＝y1min
z0＝z1min+h0
空间规划航迹点P0即为本次动态航迹规划得到的航迹点；因此，直升机从当前航迹点Pi向空间规划航迹点P0飞行，同时，以航迹点Pi作为步骤6.5的动态航迹规划起点，动态航迹规划终点仍然为Pj，对空间规划航迹点P0的下一个航迹点进行规划，如此不断进行动态航迹规划，最终到达动态航迹规划终点Pj；由于动态航迹规划终点Pj为基础航迹点，因此，当直升机到达动态航迹规划终点Pj后，返回步骤6.1，继续沿基础航迹飞行，同时对新的障碍物和新的敌方威胁进行探测，当探测到新的障碍物和新的敌方威胁时，重新启用动态航迹规划算法，如此不断循环，直到飞行到飞行终点Pn。
还包括：
步骤7，当数据处理计算机通过动态轨迹规划算法，得到下一时刻的飞行目标点后，如果全权限电传飞控***启动手动控制模式，则数据处理计算机将带有导航指示方向的导航画面数据输出到综合显示器；飞行员通过观察综合显示器，手动操纵手柄控制器，进而手动控制全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的飞行姿态；
如果全权限电传飞控***启动自动控制模式，数据处理计算机直接生成控制指令，并将控制指令直接输出给全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态。
本发明还提供一种基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，主要思路可描述为：
1)飞行任务开始之前，在地面根据GIS、任务需求等已知信息规划形成基础航迹；并将基础航迹导入到数据处理计算机中。
2)飞行任务开始后，直升机按照基础航迹跟随地形飞行，飞行过程中，数据处理计算机实时采集、融合防撞雷达***、敌方威胁探测***、无线电高度表、大气机、惯导等传感器数据，判断是否探测到新的障碍物和/或新的敌方威胁，如果没有，则继续按基础航迹跟随地形飞行；如果有，则数据处理计算机调用动态航迹规划模块，进行动态航迹规划，得到规避新的障碍物和/或新的敌方威胁，并且代价最小的最佳航迹点，从而对基础航迹进行局部优化，经数据处理计算机给出控制指令。同时数据处理计算机将实时导航信息画面显示到综显。
3)控制指令可以在自动模式和手动模式之间切换。在自动模式下，控制指令可直接发送给全权限电传飞控***处理，最终控制飞机姿态。在手动模式下，控制指令显示到综显，飞行员根据提供的参考信息操作手柄，经全权限电传飞控***处理，最终控制飞机姿态。
本发明中，主要创新之一为动态航迹规划算法，现有技术中，采用空间三维轨迹导航规划方法，具有计算过程复杂，需要花费较长的时间等不足。而发明中，将空间三维轨迹规划降维为在二维空间进行航迹规划，具体的，假设直升机在空间中的当前点为A点，投影到二维地图时为A1点，因此，在二维空间中进行航迹搜索时，只需要在A1点周围的相邻8个栅格点进行寻优确定轨迹即可，从而明显降低了计算复杂度，加快了航迹规划的速度，满足导航实时性的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，其特征在于，直升机载地形跟随与回避可视化导航***，包括：防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***；
所述防撞雷达***、所述敌方威胁探测***、所述电子地理信息***、所述无线电高度表、所述大气机、所述卫星定位***和所述惯导***的输出端均与所述数据处理计算机的输入端连接；所述全权限电传飞控***具有手动控制模式和自动控制模式，在手动控制模式下，所述数据处理计算机输出端与所述综合显示器连接，将导航画面显示到所述综合显示器，因此，通过手动操作手柄控制器，进而手动控制所述全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的机身飞行姿态；在自动控制模式下，所述数据处理计算机的控制指令输出端直接与所述全权限电传飞控***连接，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态；
基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法包括以下步骤：
步骤1，确定与直升机低空飞行任务相应的三维规划空间；确定与所述三维规划空间相对应的栅格化的数字高程地图；其中，栅格化的数字高程地图为用于表征与三维规划空间对应的地形属性的地图，其中，每个栅格具有的栅格位置信息为：(x0,y0,z0)；其中，x0代表栅格经度数据；y0代表栅格纬度数据；z0代表栅格高程数据；
步骤2，结合飞行任务对所述三维规划空间的实际情况进行分析，确定所述三维规划空间的障碍物信息和敌方威胁信息；将所述障碍物信息存入到障碍物数据库；将所述敌方威胁信息存入到敌方威胁数据库；
步骤3，将步骤2确定的所述障碍物信息和所述敌方威胁信息标识到步骤1建立的所述数字高程地图中，得到处理后的数字高程地图；
步骤4，根据步骤3确定的所述处理后的数字高程地图，得到二维地图；其中，所述二维地图为栅格形式地图，每个栅格位置通过栅格经度数据x0和栅格纬度数据y0表示；同时，每个所述栅格还对应有栅格高程数据z0；
步骤5，基于直升机低空飞行任务和所述二维地图，对直升机飞行轨迹进行初始规划，得到基础航迹；所述基础航迹为满足直升机低空飞行任务，同时回避所述二维地图中已标识的所有障碍物信息和所有敌方威胁信息的航迹；所述基础航迹由按飞行方向依次排列的n个航迹点连线形成；将n个航迹点按飞行方向依次表示为：航迹点P1,P2,...,Pn；其中，航迹点P1为飞行起点；航迹点Pn为飞行终点；航迹点P2,...,Pn-1为航迹中间点；
步骤6，直升机同时搭载防撞雷达***、敌方威胁探测***、电子地理信息***、无线电高度表、大气机、卫星定位***、惯导***、综合显示器、数据处理计算机和全权限电传飞控***进行飞行，当直升机飞行到任意的当前航迹点Pi时，其中，i＝1,2,...,n，均采用以下方法进行航迹规划，从而确定飞行方向；
步骤6.1，防撞雷达***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在障碍物，如果有，则将探测到的障碍物信息实时发送给数据处理计算机；敌方威胁探测***实时探测和识别直升机飞行前方设定范围是否存在敌方威胁，如果有，则将探测到的敌方威胁信息实时发送给数据处理计算机；
同时，无线电高度表实时测量直升机到地面的实时真实高度数据，并将所述实时真实高度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，大气机实时探测到飞行区域的大气参数，并将所述大气参数实时发送给所述数据处理计算机；
同时，卫星定位***实时检测到直升机当前经纬度数据，并将所述当前经纬度数据实时发送给所述数据处理计算机；
同时，惯导***实时检测到直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，并将所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据实时发送给所述数据处理计算机；
步骤6.2，如果所述数据处理计算机接收到所述防撞雷达***探测到的障碍物信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的障碍物信息是否已存储于所述障碍物数据库，如果有，则执行步骤6.3；如果没有，则将探测到的障碍物信息存储到所述障碍物数据库，同时，将实时探测到的新的障碍物信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；
如果所述数据处理计算机接收到所述敌方威胁探测***探测到的敌方威胁信息，则所述数据处理计算机判断实时探测到的敌方威胁信息是否已存储于所述敌方威胁数据库，如果有，则执行步骤6.3；如果没有，则将探测到的敌方威胁信息存储到所述敌方威胁数据库，同时，将实时探测到的新的敌方威胁信息标识到步骤4确定的二维地图，得到更新后的二维地图；然后执行步骤6.4；
步骤6.3，所述数据处理计算机判断当前航迹点Pi是否为飞行终点，如果是，则结束导航过程；如果不是，则令i＝i+1，返回步骤6.1；
步骤6.4，所述数据处理计算机调用动态航迹规划模块，进行动态航迹规划，具体包括：所述数据处理计算机综合分析探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁，以及步骤6.1得到的所述实时真实高度数据、所述大气参数、所述当前经纬度数据和所述直升机当前航向、姿态和飞行速度数据，确定距离探测到的障碍物和/或探测到的敌方威胁最近的安全基础航迹点为动态航迹规划终点；同时，以当前航迹点Pi为动态航迹规划起点Pi；设动态航迹规划终点为Pj；
步骤6.5，动态航迹规划起点的三维坐标为：Pi(xi,yi,zi)，其中，xi为动态航迹规划起点Pi的经度数据；yi为动态航迹规划起点Pi的纬度数据；zi为动态航迹规划起点Pi在空中的高度数据；
将动态航迹规划起点Pi(xi,yi,zi)投影到步骤6.2得到的更新后的二维地图中，设其在更新后的二维地图的投影点为Pi'，投影点Pi'的经度数据仍然为xi，纬度数据仍然为yi，投影点Pi'所在地形的地形高程数据为zi'；
在更新后的二维地图中，投影点Pi'共有8个相邻栅格点，对于每一个相邻栅格点，均执行以下步骤6.5.1-步骤6.5.4，从而判断该相邻栅格点是否为障碍点：
步骤6.5.1，假设相邻栅格点为Qk(xk,yk)，其中，xk为相邻栅格点经度数据，yk为相邻栅格点纬度数据，相邻栅格点Qk的地形高程数据表示为zk；
步骤6.5.2，采用下式计算投影点Pi'到相邻栅格点Qk的爬升高度H：
H＝zk-zi'
根据投影点Pi'与相邻栅格点Qk的位置坐标，得到投影点Pi'到相邻栅格点Qk的水平距离S；
Figure FDA0003820468800000031
通过惯导***，获得直升机在动态航迹规划起点Pi时的飞机平飞速度v；
步骤6.5.3，采用下式，计算直升机从投影点Pi'到相邻栅格点Qk的实际爬升率
Figure FDA0003820468800000041
Figure FDA0003820468800000042
步骤6.5.4，获得直升机在当前平飞速度v时所能达到的最大爬升率ΓMax；比较实际爬升率
Figure FDA0003820468800000043
和最大爬升率ΓMax，如果实际爬升率
Figure FDA0003820468800000044
小于等于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为自由点；反之，如果实际爬升率
Figure FDA0003820468800000045
大于最大爬升率ΓMax，则代表相邻栅格点Qk为障碍点；
步骤6.6，因此，将步骤6.5识别出的所有性质为自由点的相邻栅格点加入到自由点集合中，假设自由点集合中共有d个自由点，分别为：Q11,Q12,...,Q1d,对于任意一个自由点，表示为Q1f，其中，f＝1,2,...,d，均采用下式计算自由点Q1f的估价值f(Q1f)：
f(Q1f)＝g(Q1f)+h(Q1f)
其中：
g(Q1f)表示从动态航迹规划起点Pi到自由点Q1f的实际代价；
h(Q1f)表示从自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的估计值；
由于共有d个自由点，因此，共计算得到d个估价值；在d个估价值中，识别出最小估价值所对应的自由点，设为自由点Q1min；自由点Q1min为二维地图的地形数据点，其经度数据为x1min，纬度数据为y1min，地形高程数据为z1min；地形跟随间隙h0为已知设定值；因此，根据自由点Q1min，确定对应的空间规划航迹点P0(x0,y0,z0)为：
x0＝x1min
y0＝y1min
z0＝z1min+h0
空间规划航迹点P0即为本次动态航迹规划得到的航迹点；因此，直升机从当前航迹点Pi向空间规划航迹点P0飞行，同时，以航迹点Pi作为步骤6.5的动态航迹规划起点，动态航迹规划终点仍然为Pj，对空间规划航迹点P0的下一个航迹点进行规划，如此不断进行动态航迹规划，最终到达动态航迹规划终点Pj；由于动态航迹规划终点Pj为基础航迹点，因此，当直升机到达动态航迹规划终点Pj后，返回步骤6.1，继续沿基础航迹飞行，同时对新的障碍物和新的敌方威胁进行探测，当探测到新的障碍物和新的敌方威胁时，重新启用动态航迹规划算法，如此不断循环，直到飞行到飞行终点Pn。
2.根据权利要求1所述的基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，其特征在于，步骤6.6中，h(Q1f)为自由点Q1f到动态航迹规划终点Pj的距离；所述距离为曼哈顿距离。
3.根据权利要求1所述的基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，其特征在于，还包括：
步骤7，当数据处理计算机通过动态轨迹规划算法，得到下一时刻的飞行目标点后，如果全权限电传飞控***启动手动控制模式，则数据处理计算机将带有导航指示方向的导航画面数据输出到综合显示器；飞行员通过观察综合显示器，手动操纵手柄控制器，进而手动控制全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，手动控制直升机的飞行姿态；
如果全权限电传飞控***启动自动控制模式，数据处理计算机直接生成控制指令，并将控制指令直接输出给全权限电传飞控***，通过所述全权限电传飞控***，自动控制直升机的飞行姿态。
4.根据权利要求1所述的基于直升机载地形跟随与回避可视化导航***的导航方法，其特征在于，所述卫星定位***为北斗卫星定位***和/或GPS卫星定位***。
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