无人机数据链通视评估方法、可读存储介质及终端设备
技术领域
本发明涉及无人机数据链评估方法，具体涉及一种无人机飞行航线数据链链路通视评估方法。
背景技术
随着科技发展和社会经济不断进步，无人机系统在遥感、测绘、防灾减灾等工作中发挥出重要作用，其应用领域已逐步渗透至各行各业。
数据链是无人机系统的重要组成部分，承担着无人机与地面指挥控制站间信息通讯的重要功能。在实际使用过程中，受数据链路遮挡、干扰及多路径效应三大因素的影响，数据链的实际作用距离与设计作用距离指标值相差较大，缩短了无人机的实际使用半径。
其中，链路遮挡(又称链路通视问题)是影响数据链实际作用距离最重要的因素，链路通视是保证无人机受控飞行与数据稳定回传的必要条件，在制定无人机飞行计划的过程中，航线设计及起降场的选择必须考虑链路通视状况。然而，长期以来，数据链路通视状况评估主要依靠飞行计划制定人员的主观感受或手动估算，缺乏专业软件进行严谨、精确的计算并给出评估结论，导致航线设计及起降场的选择不够科学合理，带来无人机设计飞行高度过高、飞行过程中遥控丢失、图像传输效果低于预期等不利影响，此类现象在地形起伏较大的山区尤为明显。
发明内容
本发明为解决无人机数据链的链路通视状况评估缺乏精确计算和评估，导致航线设计和起降场选择不够科学，造成无人机设计飞行高度过高、飞行过程中遥控丢失、图像传输效果低于预期等不利影响，在地形起伏较大的山区尤为明显的技术问题，进而提供一种无人机数据链通视评估方法、可读存储介质及终端设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无人机数据链通视评估方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，航线采样
以预设距离间隔对航线上的航点进行采样，得到航线采样点集合；
S2，采样点通视计算
S2.1，航线采样点与地面站点坐标转换
将航线采样点集合中的航线采样点与地面站点的大地坐标转换为航线采样点相对于地心的地心坐标，同时得到地面站点的地心坐标；
S2.2，视线采样
将航线采样点与地面站点相连的直线定义为视线，在视线上以预设采样间隔对视线进行采样；
S2.3，逐个视点计算是否通视
S2.3.1，将视线定义为由多个视点组成的集合；
S2.3.2，将视点地心坐标转换为视点大地坐标，视点大地坐标包括视点的纬度、经度和高度；
S2.3.3，判断视线中每个视点大地坐标中的高度是否小于零，若任一视点大地坐标中的高度小于零，则该视线不通视，对应航线采样点不通视；否则，继续执行步骤S2.3.4；
S2.3.4，判断每个视点大地坐标中的高度是否小于对应视点大地坐标中经度和纬度所在的地面高度，若任一视点大地坐标中的高度小于对应视点大地坐标中经度和纬度所在的地面高度，则该视线不通视，对应航线采样点不通视；否则，继续执行步骤S2.3.5；
S2.3.5，通过如下公式计算得到菲涅尔传输通道对高度的影响值：
其中，λ表示数据链采用的电磁波波长，L1表示视点距地面站点的距离，L2表示视点距相应航线采样点的距离，L表示航线采样点与地面站点的距离；
再用视点大地坐标中的高度与菲涅尔传输通道对高度的影响值做差值计算，得到修正后的视点高度；
若修正后的视点高度小于对应视点大地坐标中经度和纬度所在的地面高度，则该视线不通视，对应航线采样点不通视；否则，该视线通视，对应航线采样点通视；
S3，航线总通视率计算
统计通视的航线采样点数量，计算得到航线总通视率；
S4，航线通视评估
将航线总通视率与预设标准进行对比，评估航线通视情况。
进一步地，步骤S1中的所述预设距离间隔与步骤S2.2中的所述预设采样间隔相同。
进一步地，步骤S2.2中，所述预设采样间隔为，三倍于地面高程模型分辨率的等距离间隔。或者，步骤S1中，所述预设距离间隔为，三倍于地面高程模型分辨率的等距离间隔。或者，步骤S2.2中所述预设采样间隔和步骤S1中所述预设距离间隔，均为三倍于地面高程模型分辨率的等距离间隔。
进一步地，所述步骤S3具体为，将经步骤S2.3计算为不通视的航线采样点赋值为0，将经步骤S2.3计算为通视的航线采样点赋值为1，将各航线采样点赋值相加求和，与航线采样点集合中航线采样点总数相除，计算得到航线总通视率。
进一步地，所述步骤S4具体为，若航线总通视率小于50％，则判定航线通视差，不允许无人机飞行；若航线总通视率大于等于50％且小于99％，则判定航线通视较差，不建议无人机飞行；若航线总通视率大于等于99％且小于等于100％，则判定航线通视良好，无人机可以飞行。
另外，本发明还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特殊之处在于，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
同时，本发明还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特殊之处在于，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明无人机数据链通视评估方法，在航线上选择多处航线采样点，逐一计算其是否通视，再统计通视的航线采样点计算得到航线总通视率，进而对航线通视进行评估；该评估方法中关于通视计算，分三步对通视情况进行逐一判断，分别针对地球曲率、地形遮挡及菲涅尔无线电传输通道三种影响链路通视的因素，综合评估无人机的飞行航线的通视率，具有便于编程实现和计算精度高的特点，可用于航线设计及起降场选择的辅助计算。
2.本发明中航线采样时的预设距离间隔和视线采样时的预设采样间隔均为三倍于地面高程模型分辨率，设置合理，若间隔较小，则计算的准确度较高，但计算效率较差，若间隔较大，则计算的准确度较低，但计算效率较高，三倍于地面高程模型分辨率的间隔设置兼顾了计算的准确度和计算效率。
3.本发明中对航线总通视率的判定合理，经验证，大于等于99％时进行无人机飞行时，链路通视均良好，本发明的评估方法准确可靠。
4.本发明可读存储介质中存储有上述评估方法对应的程序，能够快速、准确、便捷的对链路通视情况进行评估。
5.本发明终端设备中的处理器能够执行上述评估方法，可将上述评估方法转换为专用的终端设备，便于使用操作。
附图说明
图1为本发明无人机数据链通视评估方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
本发明提供了一种无人机飞行航线数据链链路通视评估方法，包括以下步骤：
(1)航线采样：以预设距离间隔对航线上的航点进行采样，得到航线采样点集合；
(2)采样点通视计算：逐个采样点计算其与地面站点是否通视；
(3)航线总通视率计算：统计航线采样点集合的通视情况，计算航线总通视率；
(4)航线通视评估：以航线总通视率为衡量指标，与预设标准进行对比，评估航线通视情况。
如下，对上述评估方法进行详细解释：
航线采样。无人机飞行航线由一组航点组成，航点包含了经度、纬度及高度信息，将无人机航线表示为N个航点的集合{Bi，Li，Hi|i∈[1,N]}，其中Bi表示第i个航点的纬度，Li表示第i个航点的经度，Hi表示第i个航点的高度。
根据航线的航点集合，对航线进行预设距离间隔采样，采样时采用等间距采样，预设距离间隔按实际需求设置，若预设距离间隔较小，则计算的准确度较高，但计算效率较差；若预设距离间隔较大，则计算的准确度较低，但计算效率较高。优选使用3倍于地面高程模型分辨率，即若地面高程模型分辨率为30m，则预设距离间隔设置为90m。
采样完成后，航线表示为n个航线采样点的集合：{Bsi，Lsi，Hsi|i∈[1,n]}，其中Bsi表示第i个采样点的纬度，Lsi表示第i个采样点的经度，Hsi表示第i个采样点的高度。
采样点通视计算。计算单个航线采样点与地面站点是否通视时，考虑地球曲率、地形遮挡及菲涅尔传输通道对通视情况的综合影响，其计算流程为：
①航线采样点与地面站点坐标转换：将航线采样点与地面站点的大地坐标转换为地心坐标，此坐标转换采用通用公式，得到采样点地心坐标(Xs，Ys，Zs)及地面站点地心坐标(X0,Y0,Z0)；
②视线采样：将航线采样点与地面站点连成的直线定义为视线。在视线上以预设采样间隔对视线进行采样，视线表示为由m个视点组成的集合{Xvi，Yvi，Zvi|i∈[1,m]}。预设采样间隔与航线采样时预设距离间隔的设置方法相同。
③逐个视点计算通视情况：将视点地心坐标转换为大地坐标，此坐标转换采用通用公式，转换后的视点集合表示为{Bvi，Lvi，Hvi|i∈[1,m]}，其中，Bvi表示第i个视点的纬度，Lvi表示第i个视点的经度，Hvi表示第i个视点的高度。
若Hvi<0，则表示该视线受地球曲率影响导致不通视，否则继续判断；
结合地面高程模型，若Hvi小于对应经纬度所在的地面高度，则表示该视线受地形遮挡影响导致不通视，否则继续判断；
计算菲涅尔传输通道影响，菲涅尔传输通道对高度的影响值的计算采用公式为：
上述计算中，若视线通视，则对应航线采样点通视，若视线不通视，则对应航线采样点不通视。
本发明采用了地心直角坐标系进行视点采样，相较于采用高斯或其他投影得到的平面坐标而言，具有坐标转换精度高、便于代码编写的特点：采用地心直角坐标系进行视点采样时，可以快速将其转化至大地坐标系，直接利用视点的高度是否小于0的方法评估其是否受地球曲率影响，而不需要其他复杂度高的计算，且没有坐标转换时的精度丢失。同时，本发明兼顾了地球曲率、地形遮挡及菲涅尔无线电传输通道三种因素，通视计算结果更趋近于真实情况。
航线总通视率计算。采用上述计算步骤逐个航线采样点计算其与地面站点是否通视，通视结果表示为集合{Vsi|i∈[1,n]}。集合中，若第i个采样点与地面站点不通视，则Vsi赋值为0；若第i个采样点与地面站点通视，则Vsi赋值为1。
统计航线总通视率采用如下公式计算：
式中：Vtotal表示航线总通视率，n表示采样点个数，Vsi表示第i个采样点与地面站点通视情况(若Vsi＝0，表示第i个采样点与地面站点不通视；若Vsi＝1，表示第i个采样点与地面站点通视)。
航线通视评估。以航线总通视率为衡量指标，判定航线通视情况的好坏，评估方法如下：
99％≤Vtotal≤100％，航线通视性良好，无人机可以飞行；50％≤Vtotal＜99％，航线通视性较差，不建议无人机飞行；Vtotal＜50％，航线通视性极差，不允许无人机飞行。
另外，本发明还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述无人机数据链通视评估方法的步骤。本发明还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现上述无人机数据链通视评估方法的步骤。可读存储介质和终端设备均能够将上述方法模块化、应用化，实际应用时便于执行。
采用本发明提供的评估方法对表1中所示的航线进行评估，其中，地面站点坐标为：北纬34.017522°，东经108.680019°，海拔470m。分别评估其在不同高度(高度1和高度2)时的通视率，航线高度1300m时评估结果为通视性较差，航线高度1800m时的评估结果为通视性良好。
表1被评估航线表
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
