劉燦由，張　威，汪　波，黃　明，郭洪建

(1.西安衛(wèi)星測控中心 宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安　710043；2.測繪信息技術(shù)總站，西安　710054)

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BDS支持下的航天器著陸回收指揮平臺

劉燦由1，張威2，汪波1，黃明1，郭洪建1

(1.西安衛(wèi)星測控中心 宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安710043；2.測繪信息技術(shù)總站，西安710054)

摘要：針對航天器著陸返回后需在大范圍區(qū)域內(nèi)進行快速搜救的問題，提出了BDS支持下的航天器著陸回收指揮平臺建設(shè)方案。該方案利用BDS的導(dǎo)航定位功能，實現(xiàn)對搜索載體的快速定位；利用BDS短報文通信功能，完成各級指揮平臺對所屬用戶的輔助指揮，實現(xiàn)各搜救力量之間的信息傳輸，完成著陸區(qū)航天器態(tài)勢數(shù)據(jù)向指揮中心三維GIS系統(tǒng)的傳遞，并提出了將基于地理信息的空間分析與人的經(jīng)驗相結(jié)合實現(xiàn)最優(yōu)越野路徑的規(guī)劃方法，文中分別闡述方法的原理及步驟，結(jié)果表明新方法使得著陸回收指揮平臺形成全方位的立體快速搜救能力，滿足實際工程需求。

關(guān)鍵詞：BDS；著陸返回；搜救指揮；路徑規(guī)劃；人工智能；地毯式搜索

0引言

航天器回收著陸技術(shù)是航天技術(shù)的重要組成部分，它是隨著火箭、導(dǎo)彈、空間技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來，并得到廣泛應(yīng)用的一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，其涉及的范圍很廣，而航天器著陸返回最后的搜救工作是整個航天任務(wù)過程成敗的關(guān)鍵[1-2]。對于載人航天器的搜救，雖然著陸區(qū)域范圍較小，但考慮到宇航員的安全，要求以最短時間集結(jié)空中與地面搜救分隊，對時間與應(yīng)急路徑規(guī)劃方面提出了很高要求；對于非載人航天器的搜救由于散射范圍較大，對著陸區(qū)域的大范圍地形路徑規(guī)劃提出了很大要求[3-4]?？傊?，根據(jù)航天器多種傳感器信息及時、快速找到航天器，是目前搜救工作的難點。為此，本文提出了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的航天器著陸搜救指揮平臺，它集成了多種類型數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)等，并利用BDS進行導(dǎo)航定位與通信，以實現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃算法，快速、準(zhǔn)確到達航天器的落地點，實現(xiàn)整個搜救工作的智能化。

1平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個航天器著陸回收指揮平臺運用三維地理信息系統(tǒng)直觀地反映主著陸場地形狀況，并根據(jù)實時信息提供指揮決策與搜索救援方案，它主要由兩部分組成：地面指揮車地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)服務(wù)端、地面搜救車與空中直升機的GIS客戶端。其中，指揮車GIS系統(tǒng)是以統(tǒng)籌全局為目的，配置在主著落場指揮車上提供指揮決策與搜索救援方案的可視化輔助決策系統(tǒng)。該GIS系統(tǒng)核心功能主要有三個，1)實時展示遙測信息，包括彈道、特征點參數(shù)、航天器高度-時間表；2)搜集地面分隊、空中分隊的方位、位置信息，統(tǒng)籌地面與空中搜救任務(wù)；3)快速導(dǎo)航，獲取到目標(biāo)位置后，系統(tǒng)自動規(guī)劃路徑，快速導(dǎo)航到目標(biāo)所在位置。地面搜救車與空中直升機的GIS系統(tǒng)主要用于航天器實時位置顯示、三維地形模擬與路徑導(dǎo)航，并向指揮車實時發(fā)送位置信息。

圖1　基于BDS的航天器著陸回收指揮平臺結(jié)構(gòu)

如圖1所示，航天器著陸回收指揮平臺所處理的數(shù)據(jù)主要包含四種類型影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)以及動態(tài)數(shù)據(jù)。其中，原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)過切片工具預(yù)先切片形成瓦片數(shù)據(jù)集，瓦片數(shù)據(jù)集在搜救車的平板上、指揮車的計算機上以及直升機上作為地圖數(shù)據(jù)進行顯示；基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)包含行政區(qū)劃邊界、道路、水系、地名點、高程點或者等高線數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過要素分層配圖后存儲為文件數(shù)據(jù)源，基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)在搜救車、直升機或者指揮車上疊加到影像數(shù)據(jù)上顯示，另外為提高大比例尺的矢量數(shù)據(jù)實時顯示速度，也可將大比例矢量數(shù)據(jù)切片為矢量瓦片數(shù)據(jù)集后疊加顯示；高程數(shù)據(jù)(digital elevation model，DEM)通過預(yù)處理形成基于地形的路徑搜索網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時DEM通過預(yù)切片形成地形瓦片數(shù)據(jù)集，此地形瓦片數(shù)據(jù)集是GIS系統(tǒng)實現(xiàn)地形三維模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外，為實現(xiàn)回收區(qū)各類態(tài)勢信息向指揮中心傳遞，平臺還需要處理一些動態(tài)數(shù)據(jù)信息，例如受環(huán)境影響而變化的地理區(qū)域、河流、道路等矢量數(shù)據(jù)，各搜救車、指揮車、直升機的位置、軌跡，指揮車發(fā)送的任務(wù)內(nèi)容等，需要通過BDS短報文的形式實現(xiàn)信息傳輸，同時指揮車還需要能夠接收航天器的遙測信息。直升機在接收到航天器位置信息后，通過GIS系統(tǒng)的目標(biāo)方位指引，便能很快明確航向，迅速飛向目標(biāo)，但對于航天器著陸后的處理工作，還需要用到大型的裝備，這就需要地面分隊通過運輸才能抵達，如何根據(jù)運輸車的行駛條件，找到最佳的搜救路徑是該平臺的一個關(guān)鍵，以下將對此問題進行深入探討。

2關(guān)鍵技術(shù)算法

各移動載體的BDS定位信息通過BDS短報文的形式傳送到指揮車，指揮車的GIS系統(tǒng)需要融合各類數(shù)據(jù)，并實時計算出各搜救車的最佳搜救路徑，然后將搜救方案下發(fā)給各搜救車。為實現(xiàn)路徑最優(yōu)規(guī)劃，本文提出了基于多源數(shù)據(jù)融合的路徑搜索算法，首先需要分析各類數(shù)據(jù)類型與用途，再根據(jù)不同的場景狀況采用不同的路徑規(guī)劃方法實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃。

2.1路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)

本文將路徑規(guī)劃需要使用的數(shù)據(jù)細(xì)化為以下幾種類型，具體包括影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)以及不可達或危險區(qū)域。

影像數(shù)據(jù)，是指衛(wèi)星或者航拍的遙感數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)應(yīng)該使用盡可能新的數(shù)據(jù)，其用途是在GIS系統(tǒng)中提供直觀的紋理層，以方便搜索人員更準(zhǔn)確的判斷周圍的情況。高程數(shù)據(jù)的用途存在兩種，一種為GIS系統(tǒng)提供三維地形顯示，三維場景顯示不需要很高精度的DEM，實際使用可以采樣到10～30 m精度，第二種為路徑規(guī)劃搜索可行進路線所使用，此種場景下數(shù)據(jù)格網(wǎng)精度一般要求在1～5 m之間，精度越高路徑規(guī)劃的可靠性越高，通過地形算法計算出某區(qū)域內(nèi)從起點到目標(biāo)點適合行駛的路線?；A(chǔ)矢量數(shù)據(jù)包括水系、境界、居民地、道路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)主要用于GIS使用過程中能夠更方便的參照定位。

路網(wǎng)數(shù)據(jù)是指已經(jīng)規(guī)劃、建設(shè)的道路，主要來源于基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)或事先在著陸場區(qū)采集的數(shù)據(jù)。對于路網(wǎng)數(shù)據(jù)中的道路和可行進路線，不僅要記錄路線定位數(shù)據(jù)，而且要記錄路線的合適級別，如(非常容易行駛，比較容易行駛、晴天可行駛、雨雪天氣不可行駛等)。路網(wǎng)數(shù)據(jù)用于路徑搜索時優(yōu)先使用的路徑。不可達或危險的區(qū)域數(shù)據(jù)是指通過現(xiàn)場勘查人員在場區(qū)勘察采集到的車輛不可達的區(qū)域(如山區(qū)、丘陵)，危險區(qū)域(如沙地、沼澤)等，也可以通過影像數(shù)據(jù)由專業(yè)人員識別不可達或危險的區(qū)域，或者通過高程數(shù)據(jù)使用空間分析算法計算出不可達的區(qū)域。對于不可達或危險的區(qū)域的數(shù)據(jù)采集應(yīng)盡量采用多種方式，單一采集方式有可能不夠完全、不夠準(zhǔn)確。不可達或危險的區(qū)域數(shù)據(jù)并不僅僅是區(qū)域數(shù)據(jù)，同時應(yīng)該包含一定的環(huán)境對區(qū)域危險程度的影響，如雨雪天氣下為危險區(qū)域，但是晴朗天氣下則不危險等。不可達或危險的數(shù)據(jù)用于在路徑規(guī)劃過程中自動實現(xiàn)避開危險區(qū)域或者提醒搜索人員注意危險區(qū)域。

2.2路徑規(guī)劃方法

基于BDS的航天器著陸回收指揮平臺是通過短報文進行動態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)收，并通過BDS與遙測數(shù)據(jù)確認(rèn)航天器坐標(biāo)進行路徑規(guī)劃，根據(jù)不同的場景狀況分為以下三種類型：

(1)理想狀態(tài)(有路網(wǎng)與目的地)

航天器著陸點位于道路網(wǎng)可以到達的區(qū)域或者附近，此路徑規(guī)劃方法可以由通用的最短路徑分析功能完成。

(2)非理想狀況(無路網(wǎng)，但有目的地)

航天器落地點已知，但是著陸區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)狀況未知，需要在常規(guī)路網(wǎng)分析的基礎(chǔ)之上從高精度DEM數(shù)據(jù)分析得出最優(yōu)的越野路線。

(3)特殊狀況(無路網(wǎng)且無目的地)

當(dāng)航天器著陸過程中，其信號發(fā)射器出現(xiàn)故障，不能發(fā)射航天器位置信號，即不知道著陸場區(qū)的路網(wǎng)情況，也不知道航天器實際位置這種情況出現(xiàn)時，只能進行地毯式搜索。搜救直升機先以最快的速度抵達預(yù)計落地點進行搜尋，地面搜救分隊根據(jù)可能的著陸區(qū)域展開地毯式搜索。

2.2.1道路網(wǎng)數(shù)據(jù)可以連通目標(biāo)位置

目標(biāo)位置可能位于道路網(wǎng)可以到達的區(qū)域或者附近，此路徑規(guī)劃方法可以由通用的路徑分析功能完成。對于存在道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置已知的情況下通過常規(guī)道路網(wǎng)分析實現(xiàn)，需要注意的是分析過程需要根據(jù)環(huán)境的惡劣程度預(yù)先剔除不適合行進的路徑段，路徑分析出來之后應(yīng)該結(jié)合危險避讓區(qū)域進行疊加分析，提醒搜索人員注意危險區(qū)域，必要時考慮危險避讓區(qū)域與道路網(wǎng)的重疊，剔除重疊的路徑段再進行分析，整個流程如圖2所示。

圖2　路徑規(guī)劃流程

2.2.2無道路網(wǎng)或道路網(wǎng)不可到達目標(biāo)位置

在沒有道路網(wǎng)或者道路網(wǎng)不全，目標(biāo)位置位于道路網(wǎng)之外的情況需要在常規(guī)路網(wǎng)分析的基礎(chǔ)之上從高精度DEM數(shù)據(jù)分析得出行徑路線。具體過程如下：

(1)根據(jù)DEM計算理論適合行進的區(qū)域

圖3　路徑規(guī)劃示意圖(左圖表示可通行區(qū)域，右圖疊加了不可達或危險區(qū)域)

此過程不需要在搜索現(xiàn)場實時進行，可以事先計算保存結(jié)果既可。具體方法是通過對高精度DEM數(shù)據(jù)采用空間分析算法[5]，計算出整個DEM地形范圍內(nèi)所有適合行進的區(qū)域范圍，所謂適合行進是根據(jù)搜索特種車輛的性能要求，地勢適合搜索車輛行駛的區(qū)域。理論適合行駛區(qū)域可以以矢量數(shù)據(jù)面的形式存儲起來，如圖3所示。

(2)疊加不可達或危險區(qū)域，形成最可能行進區(qū)域

理論可行進區(qū)域與危險、不可及區(qū)域在搜索現(xiàn)場進行疊加分析，這主要是因為危險、不可及區(qū)域和現(xiàn)場的氣候環(huán)境相關(guān)，可以根據(jù)氣候環(huán)境來確定哪些區(qū)域為不可及、危險區(qū)域，通過和理論可行進區(qū)域疊加分析，即可從理論可行進區(qū)域排除危險區(qū)域形成最可能行進的區(qū)域，如圖3所示。

(3)形成路徑搜索走廊

路徑搜索走廊是路徑搜索結(jié)果可能會覆蓋的一片區(qū)域，路徑搜索最優(yōu)的搜索走廊就是從始發(fā)點到目標(biāo)點之間的一段直線進行緩沖區(qū)分析后所得到的區(qū)域。

圖4　考慮人工干預(yù)的路徑規(guī)劃示意圖

搜索走廊可以由計算自動生成(即始發(fā)點到目標(biāo)點的直線緩沖區(qū))，也可以由有經(jīng)驗的搜索人員在地圖上標(biāo)繪建議路徑定義為搜索走廊，如圖4所示。

(4)分析參與路徑搜索的可行進區(qū)域

通過確定的搜索走廊和最可能的行進區(qū)域進行相交查詢可以確定哪些可行進區(qū)域參與到路徑規(guī)劃過程中。

(5)分析可行進區(qū)域最優(yōu)越野路線生成行進路線網(wǎng)

通過對參與路徑規(guī)劃的可行進區(qū)域計算出行進時間最短的越野路線，即可得出可行進路線網(wǎng)，如圖4所示。

(6)補全破碎的進行路線網(wǎng)

通過最優(yōu)越野路線分析出來的路線網(wǎng)可能無法構(gòu)成完整的通達網(wǎng)絡(luò)，此時需要對各拓?fù)浞蛛x的路線網(wǎng)進行補全[6]。具體方法可以對所有破碎的最優(yōu)越野路線進行端點間的距離分析，在距離足夠近的情況下進行連通，如圖5所示。

程序自動補全路線網(wǎng)并不一定都是正確的，通過醒目的標(biāo)示，程序自動拓?fù)溲a全的路線可以借鑒人工勢場法[7-8]，通過與地形、影像數(shù)據(jù)結(jié)合來確定程序補全的路線是否合理，或者可以由人工來手動補全一些路線。

(7)對生成的路網(wǎng)載入到路網(wǎng)分析流程中規(guī)劃出搜索路線，如圖5所示。

2.2.3地毯式搜索越野路徑規(guī)劃

圖5　規(guī)劃路徑的自動拓?fù)涫疽鈭D

地毯式搜索路徑規(guī)劃的方法可以認(rèn)為是多次路徑規(guī)劃的過程，與目標(biāo)位置明確的路徑規(guī)劃不同，地毯式搜索的目標(biāo)不是到達路徑規(guī)劃終點[9]，而是通過多次路徑規(guī)劃形成的搜索走廊進行區(qū)域合并，最終實現(xiàn)對整個可能著陸區(qū)域的全覆蓋。

地毯式搜索路徑規(guī)劃的具體過程如下：

(1)通過人工標(biāo)繪圈出可疑搜索范圍；

(2)通過可疑搜索范圍和可行進區(qū)域相交查詢，得出參與規(guī)劃可行進區(qū)域；

(3)計算可行進區(qū)域的最優(yōu)越野路線構(gòu)成路線網(wǎng)；

(4)補全路線網(wǎng)；

(5)定義搜索設(shè)備車輛可覆蓋的觀察范圍(如附近1 km)；

(6)定義地毯式搜索的可能起點；

(7)程序可以通過路網(wǎng)的端點自動生成地毯式搜索的起點，也可以人工添加地毯式搜索的起點；

(8)通過對所有可能的起點排列組合形成多次路徑規(guī)劃，每次路徑規(guī)劃根據(jù)觀察范圍形成搜索走廊的緩沖區(qū)。

通過對所有的走廊排列組合計算可行的搜索路線要求達到這樣的條件[10]：

(1)所使用的搜索走廊數(shù)量最少，

(2)搜索走廊間的重疊區(qū)域最小

(3)所有搜索走廊覆蓋的區(qū)域最大。

3平臺實驗

基于BDS的航天器著陸回收指揮平臺包含三大核心功能，包括：航天器態(tài)勢信息的實時展示；地面分隊與空中分隊位置信息搜集，以及相互間的BDS通信；考慮人工干預(yù)的最優(yōu)越野路徑規(guī)劃，統(tǒng)籌地面空中的搜救力量，實現(xiàn)對航天器的立體快速搜救。

3.1航天器實時信息顯示

當(dāng)指揮車接收到航天器的遙測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)右上角狀態(tài)欄遙測燈變亮，單擊遙測按鈕，系統(tǒng)界面上顯示實時的遙測信息，主要有實時彈道軌跡、高度-時間表與信號通道，以及屏幕上方的詳細(xì)信息，如經(jīng)緯度、高度、預(yù)報落點等。

圖6　航天器信息顯示

3.2各搜救隊間的位置關(guān)系

以指揮車為中心，可實時看到所有搜救車、直升機到它的距離、方位，其中距離以文字形式展示，方位信息用搜救隊與指揮車的連線表示。

圖7　搜救隊與指揮車的距離、方位信息

3.3考慮人工干預(yù)的越野路徑規(guī)劃

航天器著陸回收指揮平臺另一個核心功能是考慮人工干預(yù)的越野路徑規(guī)劃功能。當(dāng)目標(biāo)位置確定后，并可人工干預(yù)輸入中間點坐標(biāo)或在圖上直接點選位置后，系統(tǒng)將自動進行路徑規(guī)劃。指揮車GIS系統(tǒng)導(dǎo)航獲取目標(biāo)位置的方式有多種包括遙測自動獲取、BDS短報文獲取、手動輸入目標(biāo)經(jīng)緯度、以及定向儀角度交會位置。如圖8所示當(dāng)接收到BDS短報文的航天器落點信息時，系統(tǒng)將其自動設(shè)置為目標(biāo)位置，并開始規(guī)劃路線。

圖8　通過BDS短報文獲取定位信息并自動導(dǎo)航

4結(jié)束語

隨著后續(xù)載人空間站的常規(guī)化，航天器的著陸回收工作將越來越頻繁，對航天器的快速搜救工作將提出更高的要求，本文提出的基于BDS的航天器著陸回收指揮平臺，對搜救力量的整合與實況信息的互聯(lián)互通提供了一個基礎(chǔ)地理信息平臺，并能夠?qū)⒒诘乩頂?shù)據(jù)的空間分析與人為的經(jīng)驗相結(jié)合，根據(jù)不同的場景狀況為搜救隊快速計算出最優(yōu)搜救路徑，但對于不同搜救力量的協(xié)同搜索路徑規(guī)劃還有待于進一步研究。

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Spacecraft Landing Recovery Command Platform based on BDS

LIUCanyou1，ZHANGWei2，WANGBo1，HUANGMing1，GUOHongjian1

(1.Xi’an Satellite Control Center，State Key Laboratory of Astronautic Dynamics，Xi’an 710043，China；2.Technical Division of Surveying and Mapping，Xi’an 710054，China)

Abstract：For the issues of rapidly searching and rescuing in a wide range after spacecraft landing，the construction scheme of the spacecraft landing recovery command platform based on the support of BDS is proposed.The scheme realizes the rapid positioning of the search vectors by using BDS navigation and positioning function；it also achieves auxiliary command at all levels of command platform，transmits information between the search and rescue forces，transfers landing spacecraft state data to the command center of 3D GIS by using BDS short message communication function.This paper presents method of combining geographic information spatial analysis and experience to achieve best off-road path，and explains in detail the principle of the method and steps.The results show that the new method makes landing recovery command platform to form a full range of three-dimensional rapid search and rescue capabilities，and meet the needs of practical engineering.

Key words：BDS；landing recovery；rescue command；path planning；artificial intelligence；blanket search

中圖分類號：P228

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0010-06

作者簡介：第一劉燦由(1985—)，男，福建省泉州市人，工程師，博士，現(xiàn)主要從事航天測控等科研和應(yīng)用方面工作。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：劉燦由，張威，汪波，等.BDS支持下的航天器著陸回收指揮平臺[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(1)：10-15.(LIU Canyou，ZHANG Wei，WANG Bo，et al.Spacecraft Landing Recovery Command Platform based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：10-15.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160103.