一種基於sar雷達成像的無人機航線規劃方法

2023-06-02 14:29:16 1

專利名稱：一種基於sar雷達成像的無人機航線規劃方法
技術領域：
本發明屬於無人機導航制導與控制領域，具體地說，是指一種應用於無人機的針 對SAR雷達成像的無人機航線規劃方法。
背景技術：
機載合成孔徑雷達(SAR)是60年代末發展起來的先進的雷達探測系統。機載合 成孔徑雷達不僅能提供寬闊的監視空域、超高的解析度和目標自動跟蹤能力，還能提供近 似照片的成像和地圖。合成孔徑雷達之所以受到國內外雷達界的極大重視，其原因就是它的解析度在相 同條件下是普通圖像雷達望塵莫及的。SAR的解析度與可見光照相差不了多少，但它比可 見光照相有許多重要的優點。首先是SAR的信號可以實時傳輸和應用(如用於圖像匹配製 導)，又不受黑夜或雲層的限制，是一種全天候的遙感技術；SAR還發現微波能透過而可見 光不能透過的遮擋物遮擋著的景物，如森林中的坦克大炮等。當用於圖像匹配製導時，飛彈 上除了存貯有目標的圖像信息外，還有一個小的SAR攝取圖像，並與存貯的目標圖像對比 藉以達到制導目的。在對機載SAR雷達進行理論和技術分析時，都假設雷達相對於被成像的區域作勻 速直線的平移運動。實際飛行中不可能完全做到這點，雷達載機總要或多或少地偏離這種 理想狀況。機載SAR雷達對載機的飛行狀態有嚴格的要求，在工作的過程中載機始終保持 水平、直線、勻速飛行，並同時保持載機飛行姿態的穩定。由於氣流的影響和載機性能的限 制，實際上載機的飛行狀態不能達到如此苛刻的要求，總是或多或少地偏離標稱航線和產 生轉動，即產生運動誤差。載機的運動誤差可以分為三類1)載機偏離理想姿態的角度誤 差，2)載機偏離理想航跡的平移誤差，幻載機沿理想航跡的速度誤差。穩定平臺的主要作 用就是隔離載機的角運動，使天線波束指向穩定，消除載機航向和姿態變化的影響，同時給 出載機偏離理想航跡的平移誤差和沿理想航跡的速度。根據對成像圖像的解析度和作用距離的不同要求，SAR雷達一般有多種工作模式 聚束照射模式、條帶照射模式、地面動目標成像模式、相干變化檢測模式等，由於SAR雷達 的成像原理，其所成圖像為一個條帶與一個條帶拼接而成，無人機需要進行平行的往復飛 行才能獲得任務成像區的完整圖像，因此需要預先規劃的航線航點數的量都比較大。穩定平臺在一定程度上減小了 SAR雷達對載機運動和飛行姿態穩定的苛刻要求， 但在具體應用中，由於受到穩定平臺在俯仰、橫滾和方位向工作範圍的影響，在進行定高飛 行時，若空中出現較大的風，超出穩定平臺的工作範圍，就會導致SAR雷達無法工作，不能 完成任務，造成任務失敗。比如一般情況下，飛機自身的穩定性要求均能滿足SAR穩定平 臺的工作範圍，如某無人機的姿態穩定精度(均方差)是俯仰<2°，橫滾<2°，航向 <3°，其裝載的SAR穩定平臺工作範圍是俯仰角士 8°，橫滾角士 70°，方位角士 18°。 若在靜風情況下，該無人機的空速和地速重合，飛機機頭指向航線方向，SAR雷達能夠正常 工作，如圖1所示，此時該組航線能夠滿足SAR雷達成像的無人機對成像目標區執行任務的
4要求；如果空中有常值風(風速、風向保持在一定範圍內的風)，由於縱向一般採用定高控 制，俯仰角的穩定沒有問題，而穩定平臺的橫滾角範圍很大，也沒有問題，如果飛機在航向 上採用的是航向角控制而不是航跡角控制時，則由於航向角控制的向風性效果，飛機沿著 航線飛行，但其機頭將偏離預定航跡方向，風越大，機頭偏離航跡就越大，如圖2所示，由於 南風的存在，造成空速和地速存在一個夾角，即機頭偏離航跡的角度，也稱為偏流角，當該 偏流角超過SAR雷達穩定平臺的方位向工作範圍時，SAR雷達就不能正常成像，無法正常工 作，此時，該組航線已經不能滿足SAR雷達成像的要求。解決的一種方法是提前獲得執行任務時間段巡航高度上的風速風向分布的氣象 數據，這樣可以根據風速風向預先規劃與空中風相適應的一組航線，減小偏流角，得以規避 這個問題，這種方法的前提是能夠在飛行前得到非常準確的氣象數據，如果得不到氣象數 據或者氣象預測有誤，這種方法就失去意義了 ；另一種方法是在發現已經規劃的這組航線 不能滿足要求時，航線規劃人員實時規劃另一組可以適應當時風速風向的航線，這種方法 需要無人機需具備實時航線規劃的功能，另外，由於SAR雷達的成像特性，規劃的航線均為 多條平行航線，航點數據量大，因此規劃工作量也大，不但耗時，在高度緊張的情況下也容 易出錯，給飛行安全帶來隱患。

發明內容
本發明的目的是為了解決上述兩種方法的缺陷，提出一種基於SAR雷達成像的無 人機航線規劃方法，利用該方法，可以靈活應對空中風速風向的變化，更有利於SAR雷達完 成任務，提高任務完成效率。一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，包括以下幾個步驟步驟一獲得初步的風速風向；根據機場氣象部門的初步預測，獲得無人機執行成像任務的飛行高度上的風速Vw 和風向，該風應該在無人機的抗風能力範圍內，滿足飛行安全要求；步驟二 獲得最少規劃航線數；將風速Vw沿航線分解為垂直分量和水平分量，得到無人機的偏流角，將偏流角與 SAR穩定平臺方位向的工作範圍進行比較，根據比較的結果確定需要規劃的最少航線數；步驟三確定執行航線區，完成航線規劃；根據執行任務地區的限制條件，確定航線區，即飛機執行成像任務可飛行的區域， 然後按照下達的成像任務要求，利用航線規劃軟體或人工進行航點編排，完成航線規劃。本發明提出的基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法的優點在於(1)適用於裝載了 SAR雷達系統的無人機，特別是存在SAR雷達系統的穩定平臺方 位向的工作範圍限制的情況，能夠提高無人機應對空中風變化的能力，節約飛行時間，提高 任務完成效率；(2)針對不能準確獲得風速、風向氣象預測數據的情況，可在飛機起飛前做好充足 規劃準備工作，避免因臨時規劃大量航線造成易出錯的可能，為飛機飛行提供保障，提高飛 行安全。


圖1是背景技術中靜風情況下SAR雷達成像的無人機飛行航線示意圖；圖2是背景技術中有風情況下SAR雷達成像的無人機飛行航線示意圖；圖3是本發明中風在航線方向進行分解的示意圖；圖4是本發明的方法流程圖；圖5是本發明最少規劃航線數N為2時的規劃示意圖；圖6是本發明最少規劃航線數N為4時的規劃示意圖；圖7是本發明最少規劃航線數N為8時的規劃示意圖；圖8是本發明應用於某無人機某次成像任務的規劃示意具體實施例方式下面結合實例和附圖對本發明作進一步詳細說明。圖3是風在航線方向進行分解的示意圖，下面結合圖3說明本發明的思路。如圖 3所示，首先利用空速Vk、地速Vd、風速Vw的關係，即地速Vd是風速Vw和空速Vk的矢量和， 將風速\沿著航線方向進行分解，分為垂直分量Vwl和水平分量Vw2，垂直分量Vwl的大小直 接影響了飛機機頭偏離航跡方向的程度，因此根據Vwl和空速Vk得到偏流角α，如果偏流角 α在SAR雷達穩定平臺的方位向工作範圍內，則SAR雷達可以成像工作；否則，SAR雷達不 能成像工作。本發明提供的一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，流程如圖4所示，通 過以下幾個步驟實現步驟一獲得初步的風速風向；根據機場氣象部門的初步預測，獲得無人機執行成像任務的飛行高度上的風速Vw 和風向，該風應該在無人機的抗風能力範圍內，滿足飛行安全要求；步驟二 獲得最少規劃航線數；將風速Vw沿航線分解為垂直分量和水平分量，利用風速、地速和空速三者的關係， 計算出在風作用下無人機的偏流角，與SAR雷達方位向工作範圍進行比較，根據比較值的 大小確定需要規劃的最少航線數，具體包括以下兩個步驟(a)首先將風速沿東西方向航線和南北方向航線分解為垂直分量和水平分量，如 圖5所示，東西方向航線表示與正北向夾角為90°或270°的一組航線(包括在成像目標 區對稱位置的與其平行的航線組)；南北方向航線表示與正北向夾角為0°或180°的一組 航線(包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組)，根據(1)式和( 式獲得風速的 兩個分量；V11 = I VwCos (Ψw)(1)V12 = I VwSin (Ψ￥)(2)其中，Vw表示風速大小，單位為m/s，Ψ￥表示風向，單位為°，當在東西方向航線分 解時，V11為垂直分量，V12為水平分量；當在南北方向航線分解時，V11為水平分量，V12為垂 直分量；將V11和V12中的較小者賦予V1，即V! = min(Vn, V12)，根據(3)式可獲得相應偏 流角α
α = arcsin(V 丄/Vk) (3)其中，α表示偏流角，單位為。；Vk表示空速，單位為m/s ；若α滿足⑷式β-α 彡 2° (4)其中β表示SAR穩定平臺方位向工作範圍，即士 β ° ；則需要規劃的最少航線數N為2組，即東西方向航線和南北方向航線，轉至步驟 三；如果不滿足(4)式，則轉至(b)；(b)與步驟(a)類似，如圖6所示，將風速沿135°方向航線和45°方向航線分解 為垂直分量和水平分量，其中135°方向航線表示與正北向夾角為135°或315°的一組航 線(包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組)，45°方向航線表示與正北向夾角 為45°或225°的一組航線(包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組)；根據(5) 式和(6)式分別得到風速的兩個分量V21 = |ν￥οο8(Ψ￥+135) (5)V22 = |ν￥8 η(Ψ￥+135) (6)其中當在風速沿135°方向航線分解時，V21為垂直分量，V22為水平分量，當在風 速沿45°方向航線分解時，V21為水平分量，^2為垂直分量；將V21和^2中的較小者賦予 V丄，即V丄=min(V21，V22)，根據(3)計算得到α，並與β比較，若滿足(4)式，則需要規劃 的航線數N為4組，即東西方向航線、南北方向航線、135°方向航線和45°方向航線，轉至 步驟三；若仍然不滿足(4)式，不再繼續往下規劃，因為一方面需要規劃的航線至少為8組， 如圖7所示，規劃工作量增加很多，另一方面此高度下的風速風向很不利於飛行安全，建議 變更飛行高度或者變更起飛時間，從步驟一重新開始規劃，以獲得較少的航線數。步驟三確定執行航線區，完成航線規劃；根據執行任務地區的地理、空域等限制條件，確定航線區，即飛機執行成像任務可 飛行的區域，為實線航線所在區或者虛線航線所在區；然後按照下達的成像任務要求，如成 像距離、航線間距、完成科目等，利用已有的航線規劃軟體或人工進行航點編排，完成航線 規劃。實施例以下通過具體實施例和數據來進一步說明本發明提供的航線規劃方法。本發明應用於某型無人機的航線規劃，該無人機裝載的SAR雷達穩定平臺的方位 向工作範圍為士 22°，即β =22°，其某一次執行成像任務的飛行高度為4000m，空速為 40m/s，實現本發明的具體步驟為步驟一初步確定風速風向；當時由於機場氣象部門條件的限制，無法獲得4000m高層風的數據，氣象部門的 預報是3000m高層的風速25m/s，風向138°，並根據該地區風的季節特性，預計4000m高 層的風向會有所變化，風速變化不大；根據預報的情況，3000m高層風速在無人機的抗風能 力範圍內，滿足飛行安全要求，因此先基於根據3000m風的數據進行航線規劃，確SVw = 25m/s, Ψ￥ = 138° ；步驟二 確定規劃最少規劃航線數；將風速相對航線方向分解為垂直分量和水平分量，得到航跡偏差角，並將該值與
7SAR穩定平臺方位向的工作範圍進行比較，根據比較的結果確定需要規劃的最少航線數，具 體包括兩個步驟(a)將風沿東西方向航線和南北方向航線分解為垂直分量和水平分量，根據式 (1)和( 分別獲得相應的垂直分量；其中東西方向航線表示與正北向夾角為90°或 270°的一組航線，南北方向航線表示與正北向夾角為0°或180°的一組航線；V11 = VwCos (Ψw) I = 18. 58m/sV12 = VwSin(Ψ￥) I = 16. 7m/s將V11和V12中的較小者賦予Vi，即C= min(V11, V12) = 16. 7m/s，根據式(3)可 獲得相應偏流角α α = arcsin(V 丄/Vk) = 24. 7°則根據(4)式β -α = -2. 7°不滿足(4)式的要求，轉至步驟(b)；(b)與步驟(a)類似，將風沿135°方向航線和45°方向航線分解為垂直分量和水 平分量，根據( 式和(6)式分別得到相應的垂直分量V21 = VwCos (Ψ.+135) = 1. 31m/sV22 = VwSin (Ψ.+135) | = 24. 97m/s將V21和V22中的較小者賦予即V= min(V21, V22) = 1. 31m/s，根據(3)得到 α α = arcsin(V 丄/Vk) =1.2°根據⑷式β -α = 20. 8°滿足的要求，則確定需要規劃的航線數N = 4組，即東西方向航線、南北方向 航線、135°方向航線和45°方向航線；步驟三確定執行航線區，完成航線規劃；由於成像目標區的南面區域為市區，南東面在申報空域之外，因此執行航線區為 東西航向航線的實線航線區、南北方向航線的實線航線區、135°方向航線的實線航線區、 45°方向航線的虛線航線區；然後按照成像任務的要求利用已有的航線規劃軟體或人工進 行航點編排，完成航線規劃。圖8為應用該航線規劃方法所規劃的航線圖，四組航線每組包括43個航點，起 飛前將四組航線均裝訂到飛控計算機中，先預設第2組航線(135°方向航線的實線航線 區)為目標航線，起飛後到達任務高度再根據空中風的情況決定是否更換；當無人機到達 3500m時，風速變化不大，但風向已經有所轉變，大致與東西方向平行，因此操縱人員將目標 航線更換為第1組航線，無人機爬升到4000m時，風向基本與東西方向航線平行，這樣就使 得SAR雷達能夠在其使用限制條件內正常成像工作，由於及時調整了任務航線，確保了此 次成像任務及時順利地完成。
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權利要求
1.一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟 步驟一獲得初步的風速風向；根據機場氣象部門的初步預測，獲得無人機執行成像任務的飛行高度上的風速Vw和風 向Ψψ，該風應該在無人機的抗風能力範圍內，滿足飛行安全要求； 步驟二 獲得最少規劃航線數；將風速Vw沿航線分解為垂直分量和水平分量，得到無人機的偏流角，將偏流角與SAR 穩定平臺方位向的工作範圍進行比較，根據比較的結果確定需要規劃的最少航線數； 步驟三確定執行航線區，完成航線規劃；根據執行任務地區的限制條件，確定航線區，即飛機執行成像任務可飛行的區域，然後 按照下達的成像任務要求，利用航線規劃軟體或人工進行航點編排，完成航線規劃。
2.根據權利要求1所述的一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，其特徵在於， 所述的步驟二具體包括以下幾個步驟(a)將風速沿東西方向航線和南北方向航線分解為垂直分量和水平分量，根據(1)式 和( 式獲得風速的兩個分量；V11 = VwCos (Ψ￥) I (1) V12 = VwSin(Ψ￥) I (2)其中，\表示風速大小，單位為m/s，Ψψ表示風向，單位為。，當在東西方向航線分解 時，V11為垂直分量，V12為水平分量；當在南北方向航線分解時，V11為水平分量，V12為垂直 分量；將V11和V12中的較小者賦予即Vi=Hiin(Vn，V12)，根據(3)式可獲得相應偏流角α α = Brcsin(V^Ak) (3)其中，α表示偏流角，單位為。；Vk表示空速，單位為m/s ； 若α滿足⑷式 β-α 彡 2° (4)其中β表示SAR穩定平臺方位向工作範圍，S卩士 β ° ；則需要規劃的最少航線數N為2組，即東西方向航線和南北方向航線，轉至步驟三；如 果不滿足(4)式，則轉至(b)；(b)將風速沿135°方向航線和45°方向航線分解為垂直分量和水平分量，根據(5)式 和(6)式分別得到風速的兩個分量V21 = |ν￥οο8(Ψ￥+135) (5) V22 = |ν￥8 η(Ψ￥+135) (6)其中當在風速沿135°方向航線分解時，V21為垂直分量，V22為水平分量，當在風速沿 45°方向航線分解時，V21為水平分量，V22為垂直分量；將V21和V22中的較小者賦予即 Vi= min(V21, V22)，根據(3)計算得到α，並與β比較，若滿足⑷式，則需要規劃的航線 數N為4組，即東西方向航線、南北方向航線、135°方向航線和45°方向航線，轉至步驟三； 若仍然不滿足(4)式，變更飛行高度或者變更起飛時間，返回步驟一重新開始規劃。
3.根據權利要求2所述的一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，其特徵在於， 所述的東西方向航線表示與正北向夾角為90°或270°的一組航線，包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組；南北方向航線表示與正北向夾角為0°或180°的一組航線， 包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組。
4.根據權利要求2所述的一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，其特徵在於， 所述的135°方向航線表示與正北向夾角為135°或315°的一組航線，包括在成像目標區 對稱位置的與其平行的航線組；45°方向航線表示與正北向夾角為45°或225°的一組航 線，包括在成像目標區對稱位置的與其平行的航線組。
全文摘要
本發明公開了一種基於SAR雷達成像的無人機航線規劃方法，該方法針對不能準確獲得空中風的數據，而風的變化使無人機的偏流角超出SAR雷達穩定平臺方位向的工作角度範圍的限制，影響其成像的問題，根據初步風速風向數據，利用空速、地速和風三者的關係，以及穩定平臺方位向的工作範圍，確定最少規劃航線數，達到預規劃多組有效備用航線的目的；利用該方法，能夠提高無人機應對空中風變化的能力，避免因臨時規劃大量航線造成易出錯的可能，提高飛行安全，同時節約飛行時間，提高任務完成效率。
文檔編號G05D1/10GK102122173SQ20111000669
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者向錦武, 張翠萍, 王宏倫, 鄭麗麗 申請人:北京航空航天大學