CN117289722B - 一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法。在飞行器巡航作业中，如果希望飞行器执行定向攻击任务，需要为飞行器提供飞行航路，使得飞行器能够从期望的航向飞向目标并实施攻击。传统的航路规划方法所规划的航路只考虑到飞行器初始位置、目标位置以及期望打击航向，未考虑到飞行器的当前航向，若第一航段方向与飞行器当前航向夹角过大，飞行器在快速连续转弯过程中可能存在一定风险。本发明考虑到飞行器当前飞行航向，所规划出的航线能够引导飞行器安全、快速的以期望航向飞向目标，该方法也可用于集群系统的协同航路规划，具有广阔的应用前景。

Description

一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种定向打击航路规划方法。

背景技术

飞行器航路规划的目的是找到能够保证飞行器顺利完成飞行任务的最优或者满意的航路。战场信息瞬息万变，在获得目标位置时，需要为飞行器规划攻击航路以抵近并攻击目标。对于特殊目标，对飞行器的攻击方向有严格的要求，传统的航路规划方法所生成的定向打击航路没有考虑当前飞行器的飞行航向，飞行器在制导飞行时存在一定的风险，且航路的总距离可能过长。为了保证飞行器制导过程的安全性和抵近目标的快速性，急需一种针对固定翼飞行器考虑初始航向的定向打击航路规划方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法。在飞行器巡航作业中，如果希望飞行器执行定向攻击任务，需要为飞行器提供飞行航路，使得飞行器能够从期望的航向飞向目标并实施攻击。传统的航路规划方法所规划的航路只考虑到飞行器初始位置、目标位置以及期望打击航向，未考虑到飞行器的当前航向，若第一航段方向与飞行器当前航向夹角过大，飞行器在快速连续转弯过程中可能存在一定风险。本发明考虑到飞行器当前飞行航向，所规划出的航线能够引导飞行器安全、快速的以期望航向飞向目标，该方法也可用于集群系统的协同航路规划，具有广阔的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：设置转弯半径r，攻击距离L，缓冲距离L’；

步骤2：将目标的经纬高坐标系坐标（λ_T,ψ_T,H_T）和飞行器当前的经纬高坐标系坐标（λ_p,ψ_p,H_p）分别转换为地心直角坐标系坐标（X_TE,Y_TE,Z_TE）和（X_pE,Y_pE,Z_pE）；

步骤3：根据目标的位置和打击方向，计算攻击航段以及攻击航段的起点和终点；

步骤4：计算由圆弧段-直线段-圆弧段组成的dubins航线，获得飞行器从当前位置到进入攻击航段的最短航迹；

步骤5：由dubins航线反算地心直角坐标系下航点；

步骤6：将地心直角坐标系下航点转换至经纬高坐标系下；

步骤7：输出航点的经纬高坐标系坐标至飞行器，结束。

进一步地，所述地心直角坐标系和经纬高坐标系的定义为：

地心直角坐标系O_Ex_Ey_Ez_E，简称ECEF系：原点O_E位于地心处，O_Ex_E轴在赤道平面内指向子午线，O_Ez_E轴垂直于赤道平面指向北极，O_Ey_E轴垂直于O_Ex_Ez_E平面并构成右手坐标系；

经纬高坐标系，简称LBH系：/>轴为地心指向目标的方向，/>轴垂直于赤道平面指向北极，大小为地心与目标的连线在赤道平面的投影与/>轴的夹角，东经为正；/>轴垂直于/>平面构成右手坐标系，大小为地心与目标的连线以及其在赤道平面内的投影的夹角，北纬为正。

进一步地，所述步骤6将地心直角坐标系下航点转换至经纬高坐标系下的方法如下：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

其中a为WGS-84标准下地球的长半轴，e为地球的偏心率，、/>、/>、/>、/>、、/>、/>、/>、/>和/>均为中间变量，/>、/>、/>分别为参考点的经纬高，/>、/>和/>表示地心直角坐标系中的点距离参考点的相对位置，/>、/>、/>分别为地心直角坐标系中的点的经纬高。

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比，本发明提出的考虑初始航向的定向打击航路规划方法根据初始航向，为固定翼飞行器规划出安全且能够快速实现定向打击的航路。本方法根据飞行器的初始经纬高、飞行航向、目标点的经纬高和打击方向，在线生成定向打击航路点坐标。飞行器根据提供的坐标点信息飞行并完成定向打击任务。该方法充分考虑了飞行器最小转弯半径的约束，规划出的航迹保证飞行器不需要连续旋转超过90°的大弯，可大幅增加飞行的安全性，同时又可以保证飞行器无需飞行冗余路线，能够快速得完成定向打击任务，在巡飞类系统中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明实施例dubins航线计算过程示意图。

图3是本发明实施例根据dubins航线反算航点过程示意图。

图4（a）是本发明实施例40°初始航向规划的航线的结果图。

图4（b）是本发明实施例0°初始航向规划的航线的结果图。

图4（c）是本发明实施例-40°初始航向规划的航线的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明要解决的技术问题是固定翼飞行器定向打击航路规划。为解决上述技术问题，本发明提供一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法，如图1所示，具体包括以下内容：

（1）坐标系定义；

地心直角坐标系O_Ex_Ey_Ez_E（简称ECEF系）：原点O_E位于地心处，O_Ex_E轴在赤道平面内指向子午线，O_Ez_E轴垂直于赤道平面指向北极，O_Ey_E轴垂直于O_Ex_Ez_E平面并构成右手坐标系。

经纬高坐标系（简称LBH系）：/>轴为地心指向目标的方向，/>轴垂直于赤道平面指向北极，大小为地心与目标的连线在赤道平面的投影与/>轴的夹角（东经为正），/>轴垂直于/>平面构成右手坐标系，大小为地心与目标的连线以及其在赤道平面内的投影的夹角（北纬为正）。

（2）坐标系之间的转换；

ECEF系到LBH系：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（3）数学模型；

i. 飞行器获得定向打击指令以及目标经纬高（λ_T,ψ_T,H_T）和打击方位，开始定向打击航路规划。飞行器当前具有经纬高（λ_p,ψ_p,H_p）和飞行航向/>。飞行器的转弯半径/>约束为/>，设置攻击航段的距离L和缓冲距离L’，期望飞行高度H；/>表示最小转弯半径；

ii. 通过公式（1）和（2）分别计算出飞行器当前的ECEF系坐标（X_pE,Y_pE,Z_pE）（下标E代表在ECEF坐标系下)；

iii. 根据目标位置和打击方向，计算攻击航段以及攻击航段的起点和终点。

iv. 计算由圆弧-直线-圆弧构成的dubins航线，如图3所示，飞行器将按照该航线飞向攻击航段。根据当前航向、打击方向和转弯半径r，计算1^#和3^#圆弧段所在的圆心位置o1（X_o1,Y_o1）和o2（X_o2,Y_o2），根据向量o1o2和转弯半径r可以计算出直线航段2^#的方向和长度L₂，进而得到1^#和3^#圆弧段的弧度a1和a2，至此dubins航迹已经得到，即飞行器从当前位置以转弯半径r飞过圆心为o1、弧度为a1的圆弧；之后，飞过长度为L₂的直线段；最后，以转弯半径r飞过圆心为o2、弧度为a2的圆弧。此时已经进入攻击航路。如图2所示。

v. 由dubins航路反算航点，首先为第一段圆弧航段设计航点，将该圆弧航段分为n段90°的弧和一段小于90°的弧，如图3中区域1和区域2为90°的圆弧，区域3为小于90°的圆弧。航点①和航点②为90°圆弧对应的航点，航点前后均有转弯半径r，即航点①距离飞行器距离为r、方向为飞行器当前航向，航点②距离航点①距离为2r，方向为/>+90°。航点③为弧度/>对应的圆弧，根据几何关系可以得出航点③与航点②之间的距离为r*(1+tan(/>/2))。

接下来为第二个圆弧航段设计航点，与第一段圆弧的设计方法相同，得到航点④和航点⑤，顺着目标的方向延长L+L’+ r*(1+tan(/2))，规划出⑥，航段⑤⑥即为攻击航段，为了能够多次进入攻击航段，设计航点⑦、⑧和⑨，与航点⑥组成(L+L’)*(r+r)的迂回圈。考虑初始方向的定向打击航路点①-⑨至此结束。

vi. 将ECEF坐标系下的航点①-⑨，根据公式(1)(2)计算LHB坐标系下的经纬高（λ_①,ψ_①,H_①）-（λ_⑨,ψ_⑨,H_⑨）。

实施例：

一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法的实现，在具体实施中，按以下步骤实现：

1）：开始，设置转弯半径r，攻击距离L，缓冲距离L’；

2）：将目标的经纬高坐标（λ_T,ψ_T,H_T）和飞行器当前具有经纬高（λ_p,ψ_p,H_p）转换至ECEF系坐标（X_TE,Y_TE,Z_TE）和（X_pE,Y_pE,Z_pE）；

3）：计算由圆弧段-直线段-圆弧段组成的dubins航线。

4）：由dubins航线反算ECEF系坐标下航点。

5）：将ECEF系坐标下航点转换至LHB坐标系下；

6）：输出航路点的经纬高坐标至飞行器，结束。

某次飞行任务中，目标距离飞行器当前位置大约5000米，飞行器的经纬高为（124.485860°，47.518176°，317m），目标点的坐标为（124.544018°，47.513211°，167m），最小转弯半径450m，攻击距离2000米，缓冲距离350米，打击航向为40°，如果当前航向为40°、0°、-40°，规划定向打击航路。如图4（a）是本发明实施例40°初始航向规划的航线的结果图。图4（b）是本发明实施例0°初始航向规划的航线的结果图。图4（c）是本发明实施例-40°初始航向规划的航线的结果图。图中，米字符号为飞行器当前位置，三角符号为目标位置，小圈为所规划的航点，十字符号和圆圈符号分别为dubins航线第一个圆弧航段和第二个圆弧航段所在圆的圆心。从图中可以看出，对于不同初始航向，均可规划出合适的过渡航段引导无人机进入打击航段，体现出所公开航路规划方法的初始航向适应性。

Claims (3)

1.一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置转弯半径r，攻击距离L，缓冲距离L’；

步骤2：将目标的经纬高坐标系坐标(λ_T,ψ_T,H_T)和飞行器当前的经纬高坐标系坐标(λ_p,ψ_p,H_p)分别转换为地心直角坐标系坐标(X_TE,Y_TE,Z_TE)和(X_pE,Y_pE,Z_pE)；

步骤3：根据目标的位置和打击方向，计算攻击航段以及攻击航段的起点和终点；

步骤4：计算由圆弧段-直线段-圆弧段组成的dubins航线，获得飞行器从当前位置到进入攻击航段的最短航迹；

步骤5：由dubins航线反算地心直角坐标系下航点；

首先为dubins航线的第一段圆弧段设计航点，将该圆弧段分为n段90°的弧和一段弧度为θ的弧，θ<90°；每一段90°的圆弧对应一个航点，该航点满足与90°圆弧的两个端点以及圆弧所在圆的圆心组成一个矩形；弧度为θ的弧对应的航点的计算方法是：从上一航点连线至弧的起点，并延长r*(1+tan(θ/2))，到达的位置即为弧度为θ的弧对应的航点；

与第一段圆弧的设计方法相同，为dubins航线的第二个圆弧段设计航点；

将第二个圆弧段对应的最后一个航点连线至第二个圆弧段的末端点，并延长L+L’+r*(1+tan(θ/2))，得到新的航点，该新的航点与第二个圆弧段对应的最后一个航点连接的线段即为攻击航段；设计另外三个航点与该新的航点组成长为L+L’、宽为r+r的矩形，矩形的一条边在攻击航段上，矩形作为飞行器的迂回圈；

其中，L为攻击航段的距离，L’为攻击航段的缓冲距离，r为飞行器的转弯半径；

步骤6：将地心直角坐标系下航点转换至经纬高坐标系下；

步骤7：输出航点的经纬高坐标系坐标至飞行器，结束。

2.根据权利要求1所述的一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法，其特征在于，所述地心直角坐标系和经纬高坐标系的定义为：

地心直角坐标系O_Ex_Ey_Ez_E，简称ECEF系：原点O_E位于地心处，O_Ex_E轴在赤道平面内指向子午线，O_Ez_E轴垂直于赤道平面指向北极，O_Ey_E轴垂直于O_Ex_Ez_E平面并构成右手坐标系；

经纬高坐标系O_EλψH，简称LBH系：O_EH轴为地心指向目标的方向，O_Eλ轴垂直于赤道平面指向北极，大小为地心与目标的连线在赤道平面的投影与O_Ex_E轴的夹角，东经为正；O_Eψ轴垂直于O_EλH平面构成右手坐标系，大小为地心与目标的连线以及其在赤道平面内的投影的夹角，北纬为正。

3.根据权利要求2所述的一种考虑初始航向的定向打击航路规划方法，其特征在于，所述步骤6将地心直角坐标系下航点转换至经纬高坐标系下的方法如下：

其中a为WGS-84标准下地球的长半轴，e为地球的偏心率，Xd、Yd、Zd、dX、dY、dZ、Xm、Ym、Zm、N和Nt均为中间变量，λ₀、ψ₀、H₀分别为参考点的经纬高，X、Y和Z表示地心直角坐标系中的点距离参考点的相对位置，λ、ψ、H分别为地心直角坐标系中的点的经纬高。