基于三维地理环境的无人机任务规划系统设计与实现.pdf

第 1期 2 0 1 4年 2月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG No 1 Fe b 201 4 d o i： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 5 8 X 2 0 1 4 0 1 0 2 基于三维地理环境的无人机任务规划系统设计与实现 王有锼 ， 李克恭 ， 昊文魁 ， 张斌 才 ( 甘肃省基础地理信 息中心 ， 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘 要 ： 文 中介 绍 了基 于三 维地 理 环境 的无人 机任 务规 划 系统设 计 的 目标 和技 术路 线 、 系统 的 总 体框 架设计、 系统 实现的方法等方面的主要 内容。该任务规划 系统不但能够利 用详细的战 区环境信 息， 而且可以事先对控防航路做 出合理规划， 可以极 大地提高飞行 器的生存能力。 关键 词 ：三维地 理环 境 ；无人 机 ；任务 规 划 ；设计 开发 中图分类号 ： P 2 0 8 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 0 4 0 4 1 引 言 无 人机 ( U n ma n n e d A ir V e h ic l e s ) 是 一 种 具 有 自 主能力的无人飞行器 ， 世界上第一架无人机 由英 国 人于 1 9 1 7年研制成功。2 0世纪五十年代后 ， 无人机 有 了较大发展 。随着无人侦察机 、 无人通信机等 多 用 途元 人机 的 出现 ， 无 人 机 在 军 事 领 域 的应 用 受 到 各 国普遍重视 ， 特别是在近年来的两次海湾战争 ， 科 索沃战争以及美 国对 阿富汗 的反恐 战争 中， 无人 机 在战场侦察 、 情报 收集、 精确制导武器 目标定位、 目 标监视 、 实时毁伤评估 、 战斗支援甚至 自杀性攻击等 方面发挥了重要作用。无人机任务规划系统 ( U A V， Mis s io n P l a n n in g S y s t e m) 简称 MP S ， 是无人机作战指 挥系统的核心部分 。作战任务规划系统通过计算机 技术 ， 基于地理信 息系统、 战场情报系统、 综合 数据 链 系统、 无人机平 台特性、 战场( 战区 ) 威胁模型、 专 家决策系统、 实时监视系统、 任务推演系统等各种支 持系统 ， 通过调用底层各类数据库 ， 为作战决策人员 和作战任务规划人员提供 可靠 的综 合战区信 息， 以 制定最佳作战方案和最优飞行方案。一架装有 飞行 控制计算机和任务控制计算机 的无人机在强大任务 规划系统 的支持下 ， 能够对 目标进行准确打击或信 息 获取 。无人 机在 着 陆 时 ， 通 过任 务 规 划 系 统 设 计 的着陆航线和任务控制等 ， 能够确保无人机安全着 陆 ， 这对无人机尤其是大型无人机而言 ， 是最为核心 的问题之一。本文就合作完成 的基于三维地理环境 的无人机任务 规划 系统设 计和 实现 的方 法进行论 述 。 2 系统的 总体设 计 4 2 1 设计 的 目标 和 主要 内容 ( 1 ) 设计 目标 实现三维场景中无人 机 自动航路规划 、 自动任 务布置、 自动武器配置； 充分利用战场实 时信息 ， 初 步实现无人机实时航路规划 ； 利用相关硬件设施 ， 建 立完善的无人机作战任务 推演模块 ； 初步建立智能 决策系统 ， 能 自动生成无人机 目标分配方案和多机 场出动方案 ； 建立多机种无人机实时监视模块 ； 系统 将基本解决无人机的超低 空飞行 问题 ， 实现无人机 飞行 过程 中的地形 回避和地 形 跟随 能力 。 2 2技 术路 线及 流程 图 ( 1 ) 技术路线及流程 图 系统 的技术路线 以系统开发 的 目标 为 出发点 ， 通过对无人机执行任务分析 ， 建立地理空 间信 息框 架数据库和专题数据库， 在各种数据库基础上 ， 结合 实际应用需求 ， 基于三维地理信 息平 台和无线 电通 迅技术 ， 采用动感效果 比较好 的 F L E X开发平 台二 次 开 发而成 。如 图 1所示 。 ( 2 ) 系统运行环境设计 操 作 系 统 ： Mi c r o s o ft Win d o w 2 0 0 0 X P w in 7 0； 开发语言 ： Mic r o s o ft V is u a l S t u d io N e t 2 0 0 5 、 M i c r o s o ft Vis u a l Ba s ic 6 0、HT ML、VBS c r ip t 、J a v a S c r ip t 、 T S Q L等 ； 三维地理信息平台 ： S k y l in e 5 1 ； 数据库 ： A c c e s s 2 0 0 0 ； 数据处理软件 ： A r c G I S 、 E R D A S 、 P C I 等 ； 建模软件 ： 3 D MA X； ( 3 ) 系统硬件最低配置 ： C P U 主频 ： P e n t iu m I V 3 0 G H Z 第 1期 王有我等 ： 基 于三维地 理环境的无人机任务规划 系统设计与 实现 2 0 1 4年 2月 无人机任务规划系统开发 l 有 关 资 袈 地J 信 息 数 据 I ” I和 方 案 编 写 l 专 题 数 据 整 理 和 空I I空间 地 理 数 据 处 理和 I l 建筑 拍 照和 建模 l 间 化 I 三 维 地 理 环 境 建 设 l I 专 题 模 型 制 作 I l 基 础 空 间 地 理 数 据l l 起降 地 信息 和 作战 预I l 无人 机 和 雷 达、 危 险l I 库 建 设 f I 案 等 专 题 库 建 设 l I 源 模 型 库 建 设 J 自动航线路规划算法分析和无线电通讯接口研究 I 一 模 块 开 发 l I 作 战 任 务 推 演 模 块 开 发 I I飞 行 监 视 模 块 开 发 系统测试和相关技术文档编写、组织验收 图 1 系 统 实 现 的 技 术 路 线 流 程 图 内存 ： 2 G内存 硬盘容量 ： 8 0 G B 网卡 ： 1 o 0 M 网络适 配器 显卡： 独立显卡、 4 C显存 2 3 系统 总体 框 架设 计 ( 1 ) 设 计原 则 系统设计遵循原则 ： 先进性和实用性原则 ； 规范 性原 则； 安全 性和保密性 原则 ； 扩 展性和灵 活性原 则 ； 可靠性和稳定性原则 ； 易管理性原则 ； 整体规划、 分段 实施 原则 。 ( 2 ) 系统总体框架结构 无人 机 任 务 规 划 系统 的 开 发 主 要 包 括 三 个 层 次 ： 基础支持层 、 数据存储层、 应用 系统 层。系统总 体框架结构 ， 如图 2所示。 2 4 系统功 能模 块设 计 ( 1 ) 飞行任务规划模块设计 飞行任务规划模块主要包括 ： 视 图工具 、 量测工 具、 图层控制 、 航路编辑 、 参数设置和信息传输等 ， 如 图 3所示 。 ( 2 ) 作战推演模块设计 作战推演模块包括 ： 视图工具、 模 型设 置、 运动 参数 、 场景切换和模拟飞行控制等， 如图4所示 。 ( 3 ) 任务实时监视模块设计 任务实时监视模块包括 ： 视 图工具 、 航迹显示、 任务 管理 、 信息传输和模 拟飞行控制 等， 如 图 5所 示 。 巫 困 蠹 网 一一一国 一一一广 一一 I 实 体 模 形 库 l f 属 性 数 据 库 I 间 地 理 数 据 库 f I 场景软件平台 硬件支持平台 图 2 系统总体框架结构 图 航路规划模块 人工辅助规划卜一参数设 置 一自 动 航线规划 视图工具 I I 量测 工具 l f图层控制 J I 航路编 辑 I I 信息传输 空 间 漫 游 I 藿 I 詈 量 I I 改 空 间 漫 游 图 3任务规划模块结构 图 l 任 务 规 划 系 统 I l 模 型 设 置H 任 务 模 拟 飞 行 l 运 动 参 数l 三维场景 二维电子地图 图 4 作战推演结构 图 实时监视模块 视图工具 I l航迹显示 l I任务管理l I信息传输 I蓁 l I茎 l I l I篓 l萋 l l l薹 信 息 管 理 图 5任 务 实 时 监 视 结 构 图 2 5数据 库设 计 ( 1 ) 空间地理数据处理 1 ： 5 0 0 0 0数字高程模型数据 ， 格网间距 2 5 m、 1 0 m分辨率彩色遥感影像数据处理 ； 1 m分辨率彩色遥 感影 像数 据处 理 ；1 ： 2 5 0 0 0 0数 字 高程模 型数 据 ， 5 第 1 期 韦 铖等 ： 基 于方差分量估计 的 自适应 融合 滤波在 G N S S组合定位 中的应用 2 0 1 4年 2月 存在波动主要是 由于当观测存在异常或状态产生异 常扰动时 ， 滤波融合解的容错性较差。方案 3采用 基于方差分量估计 的 自适应融合解 ， 通过 自适应 因 子合理 的调整 了动力学模型预报信息 的贡献 ， 其融 合 解具 有较 强 的先验 方差 调 节能 力 和 自适 应 调 节 动 力学模型贡献的功能。从而使融合解的误差序列较 方 案 1和方 案 2的更 加平缓 。 图 5为对三种方案定位结果在 、 l ， 、 z三个方向 上误差 R MS值 的统计 图。图 5进一 步验证 了顾及 动力学模型的方差分量估计计算融合导航解较单独 使用方差分量估计或滤波求得的融合解更加稳定可 靠 。 3 结 论 本文对 G N S S组合定位中如何获得更加合理的 融合解进行了探讨。分析了方差分量估计法、 卡尔 曼滤波法 、 基于方差分量估 计的 自适应融合滤波法 三种方法的优缺点及各 自的适用范围。 基于验证结果可知 ， 对于 G N S S组合定位 ， 采用 基于方差分量估计的 自适应融合滤波的方法将方差 分量估计与滤波优势互补。实现 了实时合理地分配 了各导航系统 在融合 导航解 中的贡献 ， 从 而使得融 合导航解达到最优。 2 参考文献 ： 杨 霞， 党亚民 ， 成英燕 ， 等G N S S多卫 星 系统数 据预 处 理方法 研 究 J 大地 测 量 与地 球 动 力 学 ，2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 0 1 0 1 5 L e ic k A，et a1 As s e s s in g GLONAS S o bs e r va t ion I n： P r o c e e d in g s o f I ON GPS 98 Na s h v il l e：1 9 98 1 60 8 1 6】 2 p ) 3 高星伟 ， 葛茂荣G P S G L O N A S S伪距 差分 的数据 处理 J 测绘通报 ， 2 0 0 6 ， 6 ： l 一 3 4 段举 举 ， 沈 云 中 基 于方差分 量估 计 的 G P S G L O N A S S 组合 点定位 J 测绘 通报 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 4 6 5 崔希 璋 ， 於 宗俦 ， 陶本 藻 ， 等 广义 测 量平 差 M 武 汉 ： 武汉大学 出版社 ， 2 O o 9 6 马运鹏 基 于 T M S 3 2 0 C 6 7 4 6的 多模 G N S S接收 机计 算 技术 的研 究与实现 D 北京 ： 北京邮 电大学， 2 0 1 1 7 任锴G P S G L O N A S S组合定 位及 R A I M研 究 D 郑 州： 解放 军信息工程 大学 ， 2 0 0 9 8 杨元喜 自适应动态导航定位 M 北 京 ： 测绘 出版社 ， 20 06 9 胡从玮 ， 刘大杰 基 于方差分量估计原理 的 自适应卡 尔 曼滤波及其应 用 J 测绘 学院学报 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 1 ) ： 1 5 1 8 1 0 贾沛璋 ， 朱征 桃 最优 估计及 其 应用 M 北 京： 科 学 出版 社 1 9 8 4 1 1 胡 国荣 ， 欧吉坤 改进 的高动 态 G P S定位 自适 应卡 尔 曼滤波方法 J 测绘学报 ， 1 9 9 9 2 8 ( 4 ) 1 2 杨元喜 ， 高为广 基 于方差 分量估 计 的 自适应 融合 导 航 J 测绘 学报 2 0 0 4， 3 3 ( 1 ) ： 2 2 2 6 1 3 Y A N G Y， H E H， X U G A d a p tiv e l y R o b u s t F il t e r in g f o r K in e m a t i c G e o d e tic P o s i t i o n in g J 。J o u r n a l o f G e o d e s y ， 2 0 0 1 ，7 5( 2 3) ： 1 0 9一I 1 6 1 4 李玮 G P S精 密单 点定位 算 法研 究与软 件 实现 D 北京 ： 中国测绘科 学研 究院， 2 0 1 0 作者简介 ： 韦铖( 1 9 8 7一) ， 男 ， 山东淄博 人 ， 硕 士研究生