CN111895998B

CN111895998B - 一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法

Info

Publication number: CN111895998B
Application number: CN202010554052.9A
Authority: CN
Inventors: 李南伯; 王华辉; 周放
Original assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Current assignee: Chengdu Aircraft Industrial Group Co Ltd
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: CN111895998A

Abstract

本申请涉及无人机技术领域，公开了一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，可有效的提高规划工作本身的效率，减少了大量反复修订调整的时间，并且，采用本方法所获得的规划数据与实际飞行结果相比较，航时的精确度可由原先的10%左右误差缩减到1%以内，因此，相应的航程以及油耗的规划数据与实际飞行数据的符合度也得到了较大的提升。

Description

一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，具体涉及一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法。

背景技术

早期的大型固定翼无人飞行器航线规划都以简单的直线及在小区域中盘旋等简单添加任务形成。随着飞行器技术的日益成熟，无人机试飞面临着滞空时间长、任务区域广、飞行环境复杂、空域使用冲突等有别于有人机试飞的全新挑战，在试飞过程中如何有效的利用机、站、链、空域等现有资源，高效的完成验证包括飞机平台验证、空中侦察监视、通信中继、反潜、电子干扰和空战演练等任务，尽量减少试飞过程中无人机的出动次数，提高试飞安全性，这些都是航路规划方法发展的需求。

现在国内航路规划方法主要是在可用空域内重复的航路内来回转圈，并在转圈的过程中尽量加入飞行任务，如图1所示，飞机在起飞后按照指定路线进入空域飞行，在多次重复转圈中完成所需执行的飞行任务。因此，上述方法存在以下缺点：(1)大量的无任务平飞段、衔接段浪费了宝贵的飞行时间和飞行架次；(2)在进行复杂飞行任务，如任务载荷使用、侦察、攻击等的时候，还会出现多次重复推衍迭代的情况，影响规划工作本身的效率；(3)以现有方法进行规划所得出的推衍数据，如航时、油耗等与实际值偏差较大的问题，既影响了飞行效率，又给航管协调增加难度和风险，从而对空中飞行安全带来负面影响。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本申请针对现有的粗放型规划方法所获取的规划数据信息与实际飞行结果有较大出入以及导致大量空中无意义航段，从而浪费飞行时间与飞行架次的问题，提出了一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法。

为了实现上述发明目的，本方法按照以下步骤开展航路规划工作：

一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，具体包括以下步骤：

S1.将无人飞行器的整个空中飞行状态进行详细分类：

将无人飞机器需要进行人为设定参数从而实现飞行状态变化的点设置为航路的分段点，每两个相邻分段点之间的航段为待计算航段，确定每个待计算航段的主导计算参数；

S2.对分段点间的待计算航段进行分段计算：

根据每个分段点间待计算航段的主导计算参数以及无人飞行器自身性能指标参数，精确计算出每个分类航段的基础信息以及拓展信息；

S3.以堆栈的方式绘制出完整的空中航路图：

根据步骤S2中分段计算的结果以及飞行空域的航管信息，在可使用区域内以堆栈的方式绘制出完整的空中航路图；

S4.详细推衍航路图节点的位置信息：

根据航路图中的分段信息，以实际测绘的机场地面点信息为基准，推衍空域内所有实际航路点的地理位置信息，并赋予每个航路点除位置信息外相应的控制参数；

S5.数据检验及修正。

将规划过程中产生的规划数据以及航路信息进行最后的检验、修正，完善无人飞行器所使用的装订数据及飞行决策所使用的飞行参考数据。

优选地，所述步骤S3中，航路图堆栈具体包括以下步骤：

S3.1.首先根据已知机场点绘制出机场；

S3.2.堆栈起降航线：

起飞航线设计：根据飞机爬升率计算相应的航程，在考虑航向调整的情况下进行起飞、出航航线堆栈；

着陆航线设计：根据着陆点位置、飞机下降控制的下滑角、飞机开始进入近径着陆下滑的起始高度以及可用三角函数关系计算出飞机开始下滑的点到着陆点所需要的水平距离，依次堆栈着陆航线，接着在堆栈由归航点至飞机着陆航线起始点的降高以及通场接入飞机着陆航线起始点的航线；

S3.3.堆栈任务区域航线：

根据计算得到的有效航段的有效航程，按照高度先后的顺序进行排列并依次堆栈。

优选地，所述步骤S1中，主导计算参数为待计算航段中相对固定的计算参数，若没有固定计算参数，则取变量的平均值作为主导计算参数。

优选地，所述步骤S4中，根据已知初始点的经纬度坐标、飞行器航向以及飞行距离，将分布在椭球型的地球的经度线和纬度线分别做弧度值计算，推算出目标位置的经纬度位置信息。

优选地，所述步骤S3.3中，在堆栈过程中加入衔接航段。

本申请的有益效果：

(1)本申请中的航路规划具有灵活性，以堆栈的方式构建航路可以使飞行航路在可用空域内以任何想要的方式进行延伸或组合。

(2)本申请中的航路规划具有精简性，采用堆栈的方式构建航路可以使得航路中的有效航段的比例大幅增加以及使得每段航路的有效时间能够达到最优，因此，能够大幅提升总体的航路有效性。

(3)本申请可有效的提高规划工作本身的效率，减少了大量反复修订调整的时间，并且，采用本方法所获得的规划数据与实际飞行结果相比较，航时的精确度可由原先的10％左右误差缩减到1％以内，因此，相应的航程以及油耗的规划数据与实际飞行数据的符合度也得到了较大的提升。

附图说明

图1为现有规划方法航路图示例；

图2为本申请规划方法航路图示例。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请作进一步地详细说明，但本申请的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，具体包括以下步骤：

S1.将无人飞行器的整个空中飞行状态进行详细分类：

在无人飞行器位置发生变化的情况下，所有涉及无人飞行器需要进行人为设定参数进行飞行状态控制的高度、速度、姿态、飞行状态、任务点切换等情况所发生的的飞行变化都设置为航路的分段点，也就是说将无人飞机器需要进行人为设定参数从而实现飞行状态变化的点设置为航路的分段点，进一步地，每两个相邻航路分段点之间的航段为待计算航段，确定每个待计算航段的主导计算参数；

S2.对分段点间的待计算航段进行分段计算：

S3.以堆栈的方式绘制出完整的空中航路图：

S4.详细推衍航路图节点的位置信息：

S5.数据检验及修正。

进一步地，在所述步骤S3中，参照说明说附图2，航路图堆栈具体包括以下步骤：

S3.1.首先根据已知图中已知的机场点1点和2点绘制出机场；

S3.2.堆栈起降航线：

起飞航线设计：因航管要求飞机须在7点处以5700m高度出航进入任务空域，因此按照步骤S2中根据飞机爬升率计算的航程，在考虑航向调整的情况下进行起飞、出航航线堆栈，即图2中1→2→3→4→5→6→7。在此过程中，飞机完成5700m高度爬升，并调整航向通过出航点由本场空域进入任务空域。

着陆航线设计：根据航管要求，飞机同样需要在7点以5700m返航后开始下降高度，并完成标准的五边飞行后降落。因此，根据着陆点g点位置、飞机下降控制的下滑角、飞机开始进入近径着陆下滑的起始高度以及可用三角函数关系计算出飞机开始下滑的点f点到着陆点g点所需要的水平距离，依次堆栈着陆航线g→f→e→d→c→b→a，接着在堆栈由归航点至飞机着陆航线起始点a点的降高以及通场接入飞机着陆航线起始点a点的航线，如图2中：45→46→47→48→49→50→51→52→53→a；

S3.3.堆栈任务区域航线：

根据步骤S2中计算的有效航段的有效航程，按照高度先后的顺序进行排列并依次堆栈，如果有必要，在堆栈过程中相应加入衔接航段，如图2中7→8→9→10→…→42→43→44→45。

下面对图2中任务区域航线作大略说明：

7→8→9→10→11→12飞机由5700m爬升至7000m由于根据计算7点至12点的直线连接段距离不满足爬升距离要求，因此堆栈了这样一条转折的航线；结合飞机爬升需求及任务载荷对飞标校的需求，设计了飞机由7000m爬升至8000m的航线并在13→14、15→16点进行任务载荷对飞标校的航线12→13→14→15→16→17；同理设计了飞机由8000爬升至10000m航线17→18→19→20、飞机由10000m爬升至11000m航线20→21→22、飞机由11000m爬升至12000m航线22→23→24；24→25→26堆栈出飞机在12000m高度调整速度至265，并在265速度点的定时平飞状态数据采集航线；26→27→28堆栈出飞机调整速度至250，并在直线段加速至300的加速性测试航线；28→29→30→31→32堆栈出飞机爬升至13000m的爬升航段；32→33→34→35→36堆栈飞机在13000m的任务航线(略)；36→37→38堆栈飞机由13000m下降到6500m的下降航线；38→39→40堆栈飞机由6500m下降到5700m归航高度的下降航线，并尽量接近归航点。余下略。

以上为空中航路图堆栈的过程。

进一步地，在步骤S3.2中，还包括出航航线设计以及归航航线设计。

进一步地，在着陆航线设计中，f点位下滑起始点，g点为着陆点，h为下滑起始点的高度，L为下滑段的距离，α为下滑角，那么可用三角函数关系具体就是指利用已知的下滑起始点高度h以及下滑角α，使用三角函数求解得到下滑段距离L，即

进一步地，在步骤S1中，主导计算参数应当为待计算航段中相对固定的计算参数，如定爬升率的爬升段的主导计算参数应为无人飞行器相应高度的爬升率，下降段的主导计算参数为下降率，平飞段的主导计算参数为装订速度所对应的真速；如果没有固定计算参数，例如加速段或减速段，则取变量的平均值作为主导计算参数，如加减速段初始速度和加减速完成后速度的平均值。

进一步地，在步骤S2中，无人飞行器自身性能指标参数主要是指：飞机在不同标准气压高度下自主控制的爬升率、飞机在不同标准气压高度下自主控制的下降率、飞机在不同真速下自主控制的转弯半径、飞机在近径阶段自主控制的下滑角、飞机在加入着陆航线后的平均自主控制速度、飞机在不同高度不同真速下自主控制的耗油率以及飞机在自主进行空滑迫降时所使用的空滑迫降比等。

进一步地，在步骤S2中，基础信息主要是指无人飞行器的航程数据以及航时数据。

进一步地，在步骤S2中，拓展信息是通过基础信息计算得到的数据，理论上讲，航路规划在完成所有参数设定后，可以根据基础信息推算出飞行器在空中飞行的每一个位置的飞行距离、飞行耗时(总耗时或分段耗时)、飞行耗油(总耗油或分段耗油)、预达时间等等信息，而拓展信息具体有哪些则主要取决于实际飞行需求，具体的需求方一般是飞行员、飞行指挥员、航管制度以及飞行组织方等。

进一步地，在步骤S4中，根据已知初始点的经纬度坐标、飞行器航向以及飞行距离，将分布在椭球型的地球的经度线和纬度线分别做弧度值计算，推算出目标位置的经纬度位置信息。在实际操作中，通常通过软件实现上述过程。

进一步地，在步骤S5中，规划过程中产生的规划数据主要包括两大部分，第一部分是按飞行规划的飞行时序排列每个飞行状态控制点的参数获取状态数据，而第二部分则是通过推衍得到的空域中所有实际航路点的位置信息。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.将无人飞行器的整个空中飞行状态进行详细分类：

将无人飞机器需要进行人为设定参数从而实现飞行状态变化的点设置为航路的分段点，每两个相邻分段点之间的航段为待计算航段，确定每个待计算航段的主导计算参数，主导计算参数为待计算航段中相对固定的计算参数，若没有固定计算参数，则取变量的平均值作为主导计算参数；

S2.对分段点间的待计算航段进行分段计算：

根据每个分段点间待计算航段的主导计算参数以及无人飞行器自身性能指标参数，精确计算出每个分类航段的基础信息以及拓展信息；所述无人飞行器自身性能指标参数包括飞机在不同标准气压高度下自主控制的爬升率、飞机在不同标准气压高度下自主控制的下降率、飞机在不同真速下自主控制的转弯半径、飞机在近径阶段自主控制的下滑角、飞机在加入着陆航线后的平均自主控制速度、飞机在不同高度不同真速下自主控制的耗油率以及飞机在自主进行空滑迫降时所使用的空滑迫降比；所述基础信息是指无人飞行器的航程数据以及航时数据；所述拓展信息是通过基础信息计算得到的数据，包括飞行器在空中飞行的每一个位置的飞行距离、飞行耗时、飞行耗油以及预达时间；

S3.以堆栈的方式绘制出完整的空中航路图：

S4.详细推衍航路图节点的位置信息：

S5.数据检验及修正：

将规划过程中产生的规划数据以及航路信息进行最后的检验、修正，完善无人飞行器所使用的装订数据及飞行决策所使用的飞行参考数据；

所述步骤S3中，航路图堆栈具体包括以下步骤：

S3.1.首先根据已知机场点绘制出机场；

S3.2.堆栈起降航线：

着陆航线设计：根据着陆点位置、飞机下降控制的下滑角、飞机开始进入近径着陆下滑的起始高度以及可用三角函数关系计算出飞机开始下滑的点到着陆点所需要的水平距离，依次堆栈着陆航线，接着再堆栈由归航点至飞机着陆航线起始点的降高以及通场接入飞机着陆航线起始点的航线；

S3.3.堆栈任务区域航线：

2.根据权利要求1所述的一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据已知初始点的经纬度坐标、飞行器航向以及飞行距离，将分布在椭球型的地球的经度线和纬度线分别做弧度值计算，推算出目标位置的经纬度位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种大型固定翼无人飞行器分段堆栈式航路规划方法，其特征在于：所述步骤S3.3中，在堆栈过程中加入衔接航段。