邱福生，楊建平，邵緒威

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院)，沈陽110136)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)，是用于獲取、存儲、分析、顯示地理空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，GIS廣泛地應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)輸入、屬性數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)顯示、探查、分析和GIS建模等方面，并以此為基礎(chǔ)解決更加復雜的問題［1］。無人機航跡規(guī)劃就是在根據(jù)無人機自身機動性、戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)要求，為其選擇一條安全有效的飛行路線［2］。在現(xiàn)代日新月異的高科技空戰(zhàn)中，航跡規(guī)劃是確保無人機對敵區(qū)進行遠程偵察和精確打擊必要途徑之一［3－4］。ArcGIS Engine 是一個簡單的、獨立于應(yīng)用程序的 Arc Objects編程環(huán)境［5］。本文利用ArcGIS Engine，開發(fā)出一款無人機航跡規(guī)劃導航軟件，在無人機地面站系統(tǒng)中嵌入數(shù)字地圖功能，增強了無人機地面站系統(tǒng)應(yīng)用的空間分析能力，提高了數(shù)字地圖管理與航線規(guī)劃的效率。

1 系統(tǒng)功能概述

本軟件是基于成熟數(shù)字地圖數(shù)據(jù)和全球定位系統(tǒng)(GPS)相結(jié)合，通過以太網(wǎng)通訊，航跡軟件系統(tǒng)通過地面控制站獲得無人機的GPS定位信息，并在數(shù)字地圖上實時顯示出無人機飛行航跡狀態(tài)［6］，實現(xiàn)無人機航線快速生成與加載。該航跡規(guī)劃軟件的難點在于對電子地圖的設(shè)置和操作，由于電子地圖包含了許多圖層，每個圖層同時也對應(yīng)著許多的地理信息數(shù)據(jù)。該軟件主要具有地圖處理與顯示、獲取經(jīng)緯度信息，設(shè)置航路點、生成航線等功能。整個無人機地面站控制系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。航跡規(guī)劃軟件主要包括數(shù)據(jù)通信模塊、地圖處理顯示模塊和航跡規(guī)劃模塊，其中航跡規(guī)劃模塊包括航路點規(guī)劃子模塊、航路信息生成與校驗處理子模塊和歷史航跡顯示子模塊，如圖2所示。

圖1 無人機地面站控制系統(tǒng)示意圖

圖2 航跡規(guī)劃軟件各模塊之間的關(guān)系

2 算法描述及驗證

2.1 威脅代價函數(shù)

當無人機進行三維航跡規(guī)劃時，實質(zhì)上是一個多約束優(yōu)化問題，本文對航跡規(guī)劃威脅代價函數(shù)采用線性加權(quán)的指標方法［2］。

其中l(wèi)i表示第i段航跡的長度，hi表示第i段航跡的海拔高度，n表示航跡段的總條數(shù)，J總表示各航跡段總威脅代價，w1，w2為權(quán)系數(shù)，w1+w2=1，由w2和w1的大小來選擇飛機是從上方飛越還是從障礙側(cè)邊繞過。

2.2 算法描述

遺傳算法在航跡規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用，遺傳算法的選擇、交叉和變異算子在搜索最佳的航跡路線時，能夠以隨機的方式得到尋求最優(yōu)解，新一代的子群體主要是通過上一代父群體之間進行交叉重組產(chǎn)生的，容易得到全局最優(yōu)解附近的局部最優(yōu)解，所以，單純的使用遺傳算法容易導致早熟和陷入局部最優(yōu)解，而模擬退火算法能夠?qū)z傳算法尋優(yōu)過程進行擾動，具有擺脫局部最優(yōu)解的能力，在交叉和變異過程中用Metropolis準則判斷新解是否可以被接受，使用兩者結(jié)合的遺傳模擬退火算法能夠有效地解決陷入局部最優(yōu)解問題，從而得到全局最優(yōu)解［7］。

設(shè)定種群規(guī)模M，最大遺傳操作代數(shù)N，交叉概率pc，變異概率pm，初始溫度T=T0，溫度更新次數(shù) j=0，設(shè)定退火溫度變化規(guī)律為 Tj+1=0.9Tj，終止溫度為Te。遺傳模擬退火算法流程圖如圖3所示:

圖3 遺傳模擬退火算法流程圖

3 數(shù)據(jù)通信模塊

地面站控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊模塊包括以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和無線電網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，無線電網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)地面控制站和無人機自動駕駛儀的在線通信，是地面控制站和無人機自動駕駛儀交互信息的一種方式。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是為了實現(xiàn)航跡規(guī)劃系統(tǒng)與地面控制站之間的信息傳遞，完成無人機航跡規(guī)劃和實時路徑顯示，可以將航跡規(guī)劃軟件中的航跡路線傳送給地面控制站，也可以將控制站接收到的無人機GPS實時地將數(shù)據(jù)傳送給航跡規(guī)劃軟件。

4 地圖處理顯示模塊

4.1 地圖處理

數(shù)字地圖具備多種可選圖層，能夠顯示包括衛(wèi)星、行政區(qū)域、等高線視圖等多種地理信息的實時地圖，同時也可以根據(jù)實際情況，在數(shù)字地圖上編輯禁飛區(qū)、降落區(qū)、備降區(qū)等特定區(qū)域，以便在規(guī)劃航線時使用。在Form1窗體上添加一個ToolbarControl控件，一個 MapControl控件，一個LicenseControl1控件，然后為 MapControl添加放大、縮小、平移、測距、圖層管理等工具，就可完成對地圖的基本操作。其中各選項功能如下:

(1)放大:在地圖上任一位置點擊時，滾動向下鼠標中鍵或按“+”按鈕，地圖將以鼠標點所在位置為中心，逐步放大比例尺顯示;

(2)縮小:在地圖上任一位置點擊時，滾動向上鼠標中鍵或按“－”按鈕，地圖將以鼠標點所在位置為中心，逐步縮小比例尺顯示;

(3)平移:將鼠標光標移至某一位置，按住鼠標左鍵在屏幕上拖動地圖，地圖界面就會沿著拖動方向移動;

(4)測距:用于航線規(guī)劃人員在數(shù)字地圖上測量規(guī)劃的一條直線長度或者多條連續(xù)折現(xiàn)的總長度;

(5)圖層管理:用于對圖層進行添加、更新、刪除和移動等管理功能，并可對圖層屬性進行控制［8］。

4.2 獲取經(jīng)緯度信息

無人機在飛行時能將自身的GPS定位信息反饋給地面站，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后能夠轉(zhuǎn)換成二維的經(jīng)緯度信息顯示在數(shù)字地圖上，在數(shù)字地圖上進行操作時，反饋回來的定位信息能夠給用戶提供航線規(guī)劃指導，方便增加、調(diào)整和刪除相關(guān)航路點的位置［9］。在鼠標移動事件情況下，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就能動態(tài)獲得鼠標所在地圖位置的經(jīng)緯度坐標信息.。屏幕坐標可以通過函數(shù)體中的關(guān)鍵代碼轉(zhuǎn)化成地圖坐標。

4.3 獲取高程信息

等高線指的是各個高程相等的點連接而成的閉合曲線，是把地面上海拔高度相同的點連成的閉合曲線。等高線可以為無人機在航跡規(guī)劃中提供飛行高度參考，從而確定無人機的飛行高度。

5 航跡規(guī)劃模塊

5.1 航路點規(guī)劃

航跡規(guī)劃的目的是在一定的時間內(nèi)為無人機設(shè)計出一條安全可行的飛行航跡，飛行航跡包括一系列航路點，航路點的屬性存儲該點經(jīng)緯度、飛行高度、速度等信息。根據(jù)無人機飛行任務(wù)需求，可以利用鼠標在數(shù)字地圖上手動選取航路點，或者通過鍵盤輸入航路點的三維坐標。用鼠標在數(shù)字地圖上選取航路點時能夠顯示航路點的經(jīng)緯度、距離上一航點的距離、航點屬性［10］。航路點的類型共有6類，分別是機場點、主航點、過定點、盤旋點、任務(wù)起點和任務(wù)終點。

5.2 航路信息生成與校驗

根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的航路點編號和航路點坐標，選取符合飛行需求的航路點，各個被選的航路點按照被選取的先后順序，通過線段連接生成一條航線［11］，用程序?qū)崿F(xiàn)在電子地圖上航線顯示功能。航線的類型共有4類，分別是主航線、著陸航線、返航航線和迫降航線。

航路信息校驗的主要功能是加載已規(guī)劃的航路文件，在地圖上以航點及線條形式表現(xiàn)出來，用于檢驗航線規(guī)劃軟件的正確性。根據(jù)已經(jīng)生成的航路信息，分二維模式與三維模式對試飛規(guī)劃航路進行模擬，即自動在數(shù)據(jù)地圖上生成平面航線模擬，在虛擬背景下進行航線三維飛行模擬，用于校驗生成航線的性能，主要有以下幾方面:

(1)閉合完整性:生成航線是否閉合完整，從起飛至飛回機場是否可安全降落;

(2)飛行暢通性:生成全航線飛行過程中是否有禁飛區(qū)域或危險區(qū)域，航線是否暢通合理，避免運算生成往返折線;

(3)機動合理性:全航線飛行過程中的起飛、降落、機動轉(zhuǎn)彎、盤旋運動檢查，是否正確。

5.3 歷史航跡顯示

無人機在飛行過程中，飛行到達的經(jīng)度、緯度和高度信息都被保持在數(shù)據(jù)庫中，可以方便技術(shù)人員進行數(shù)據(jù)分析和處理，在歷史航跡顯示子模塊下，可以已經(jīng)保存好的飛行數(shù)據(jù)解碼、拆分和轉(zhuǎn)換，能夠再現(xiàn)航路信息生成時的航跡，顯示出無人機飛行中的詳細情況。歷史航跡顯示的不是現(xiàn)在操作回放的時間，而是直接從數(shù)據(jù)庫導航信息表中讀取飛行航跡各相關(guān)信息，顯示的是當時執(zhí)行飛行任務(wù)的時間。

6 結(jié)語

本文以ArcGIS Engine組件為地理信息平臺，以遺傳模擬退火算法為理論依據(jù)，研究并開發(fā)出一款無人機航跡規(guī)劃軟件，并對軟件的設(shè)計方案和功能進行介紹，無人機指揮人員可以根據(jù)飛行任務(wù)需要。規(guī)劃航路點和航線，在電子地圖上實時監(jiān)控無人機的飛行路徑，并根據(jù)情況需要，及時對飛行路線進行修改和調(diào)整。軟件運行穩(wěn)定，界面友好，操作簡單方便，實現(xiàn)了航跡規(guī)劃的科學性和實用性，提高了部隊和科研人員的規(guī)劃效率，為無人機執(zhí)行飛行任務(wù)提供了重要的保障。

［1］陳建飛，地理信息系統(tǒng)導論［M］.北京:清華大學出版社，2009:1 －9.

［2］鄭昌文，嚴平，丁明躍，等.飛行器航跡規(guī)劃［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008:27－40.

［3］Gilmore J F.Autonomous vehicle planning analysis methodology［C］//The Proceedings of Association for Unmanned Vehicles Systems Conference，Washington D C，USA，1991:67.

［4］Hura M，Mcleod G.Route planning issues for low observable aircraft and cruise missiles:implications for the intelligence community.RAND，Santa Monica，CA，1993:234.

［5］邱洪剛，張青蓮，陸紹強，等.ArcGIS Engine開發(fā)從入門到精通［M］.北京:人民郵電出版社，2010:45.

［6］吳益明，盧京潮，魏莉莉，等.基于GIS的無人機航跡系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.彈箭與制導學報，2006(2):1056－1058.

［7］周明，孫樹棟.遺傳算法原理及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999:65.

［8］王磊.基于MapX的電子地圖路徑規(guī)劃軟件設(shè)計［J］.計算機與數(shù)字工程，2012，40(5):114 －116.

［9］劉波，盧京潮，吳益明.無人機地面導航站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2006，14(12):1714－1716.

［10］崔文，崔煥東，張嵩.基于GIS組件的航跡標繪系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］測繪與空間地理信息，2012，35(2):107－109.

［11］趙磊，楊磊，閆鶴，等.基于GIS的直升機輔助航跡規(guī)劃探討［J］.北京測繪，2012(1):54－55.