艾 兵, 楊 睿

(中國航空無線電電子研究所,上海 200030)

直升機海上搜索航路輔助規(guī)劃算法

艾 兵, 楊 睿

(中國航空無線電電子研究所,上海 200030)

隨著國家海上貿易、軍事活動的日益增多，直升機作為海上搜救的重要工具，海上搜救能力需要不斷提高。搜索航路的合理性是提高直升機海上搜救的效率及成功率的關鍵因素。在能夠獲取目標地點的前提下，給出不同場景下的搜索航路規(guī)劃方法。首先給出兩種手持設備場景下的電子航路規(guī)劃方法，然后重點分析了目力搜索航路規(guī)劃，給出了目力觀察范圍、存活時間估計、飛行高度限制、飛行速度限制、掃海寬度計算、搜索起始點的計算以及3種常用航路的選取原則與參數(shù)設置，最后給出了整個算法的流程圖及仿真分析。

航路輔助規(guī)劃； 直升機搜救； 搜索航路； 目力搜索

0 引言

隨著我國經濟與軍事的發(fā)展，跨地區(qū)、國家的海上貿易、軍事活動日益增多，隨之而來的是對海上搜救能力越來越高的要求。直升機海上搜救具有快速機動、覆蓋面廣、搜索效率高、救援效果好等特點，因而在海上搜救任務中受到重視。2015年6月1日，從南京出發(fā)、駛向重慶的客船“東方之星”在長江中游湖北監(jiān)利水域遇到大風導致翻沉。長江航務等部門接報后，立即組織救援力量趕赴現(xiàn)場參加救援任務，其中包括6架直-8型直升機。

在航務、海事等部門接收到遇險目標發(fā)出的求救信號并判明遇險人員基本分布后，通知載有救援直升機的艦船到達遇險人員分布區(qū)域進行搜救。由于海上搜救場景中存在海流、風生流、風壓差等因素，遇險人員分布區(qū)域會擴大到一定范圍，研究如何在較大范圍內高效地規(guī)劃航路對提高搜索效率具有重要的意義。文獻[1]利用人機工程學理論和運籌學原理建立遇險目標及直升機的運動模型和觀察人員發(fā)現(xiàn)概率模型；文獻[2]對搜尋方法尤其是視力搜尋方法進行總結和分類,對各種搜尋方法予以評估。但是這些研究只給出了運動模型或搜尋方法，并未給海上搜索形成明確可行的規(guī)劃航路，本文在能夠獲取事故發(fā)生地點的前提下，結合海上目力搜索模型及海上搜救航路特點，給出搜索航路的輔助規(guī)劃算法。

1 電子搜索航路規(guī)劃

在海上搜索中，電子搜索是常用且效率、成功率較高的一種搜索方式，但該種搜索方式能夠應用的前提為遇險個體自身需配備手持設備，機載設備通過接收處理來自遇險個體手持設備的無線電、北斗報文等信息來對其定位，從而完成救援任務。國內的手持設備主要包括手持電臺、手持北斗用戶機等。

1.1 手持電臺場景

超短波電臺通常主要由收發(fā)信機、控制盒、電源和天線組成，與短波電臺相比，具有更寬的通頻，并且傳輸信號更穩(wěn)定。在海上救援中，主要使用救生電臺設備的救生搜索、語音通話功能，具有3個固定的救生頻率，分別為121.5 MHz(AM),156.8 MHz(FM)和243 MHz(AM)。

執(zhí)行搜救任務時，航路的規(guī)劃依據(jù)搜救區(qū)域的大小分為兩種：1) 當搜索區(qū)域小于機載電臺的作用范圍時，航路規(guī)劃會給出直飛規(guī)劃，航路終點定為搜索區(qū)域的中心，若在前往搜索區(qū)域中心的過程中發(fā)現(xiàn)待救人員則終止航路并進行人員營救；2) 當搜索區(qū)域大于機載電臺的作用范圍時，通常采用梯形線搜尋方位，梯形航線的間距為機載電臺的作用距離，其航線參數(shù)信息參見本文2.6節(jié)。

直升機飛行到遇險人員分布區(qū)域前，需要將電臺主接收機設置在對應頻段的救生頻率上，以便接收來自遇險個體的救生頻率信號。

1.2 手持北斗設備場景

北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)，手持北斗設備利用北斗系統(tǒng)完成定位及通信，定位精度最高可達5 m以內[3]，具有全天候的定位、守時和雙向報文通信功能，支持基于文本/航跡圖/指南針等多種方式的移動導航等。

國內直升機較多配備了北斗綜合衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)，系統(tǒng)可以接收來自其他北斗機的報文信息，遇險個體可以通過手持北斗設備向其他北斗機發(fā)送求救報文、自身位置信息。此類場景的救援中，搜救直升機可以獲取遇險個體的精確位置，輔助航路規(guī)劃模型在獲取遇險個體的位置信息后，會自動生成直飛航路，在飛行過程中根據(jù)遇險個體位置對航路進行實時更新。

2 目力搜索航路規(guī)劃

2.1 目力觀察范圍

機上人員在目力搜索過程中視力會處于松馳狀態(tài)，其垂直平面內的自然視線低于水平38°，對海洋(藍色)的水平視野為左右各40°，垂直視野中上下方向為20°，人員每次瞥視的區(qū)域為水平左右各2°，垂直視野中上下方向為20°[1]，上方向需要根據(jù)目力發(fā)現(xiàn)海面漂浮人員的最大距離及直升機高度共同決定。視力觀察范圍剖面圖如圖1所示。圖中:P點表示飛機，飛行方向見圖中標注;h表示飛機的飛行高度。

圖1 搜索區(qū)域剖面圖Fig.1 Sectional view of the search area

2.2 存活時間估計

遇險個體落水后，身體會浸泡在水里，能夠存活的時間主要依賴于個體抵御寒冷的能力以及水面溫度的高低。存活時間的估計對于航路規(guī)劃有著重要的意義，因為只有在遇險個體還在存活時間內時，搜救工作意義才大。在實際的搜索救援中，個體的御寒能力差異性無法估計，只能根據(jù)水面溫度來估計存活時間。表1為不同水溫下生存時間參考數(shù)據(jù)。

表1 不同水溫下生存時間參考數(shù)據(jù)

利用上述經驗數(shù)據(jù)，利用Matlab進行曲線擬合，幾個經驗值點函數(shù)近似冪函數(shù)特征，獲得0～25 ℃下的溫度與存活時間的函數(shù)(見圖2),即

y=0.062 6x3+0.468 9x2+6.462 3x+6.303 8。

(1)

圖2 溫度-存活時間曲線Fig.2 Temperature vs survival time

2.3 掃海寬度計算

在海面目力搜索時，當眼睛無法分辨人體肩寬長度的物體時，發(fā)現(xiàn)遇險個體的概率幾乎為零。根據(jù)瑞利判據(jù)，當兩個衍射斑中心的角距離等于衍射斑的角半徑時，兩個相應的物點恰能分辨。視力恰好能夠分辨的角分辨力為

δ=(1.22·λ)/D

(2)

式中：λ表示分辨目標的波長，遇險個體的救生衣一般為橙色，橙色的波長為600 nm左右；D表示人眼瞳孔的直徑，一般取值為3.00 mm。遇險人員海面漂浮時，兩肩外延兩點之間距離較長，用S表示，一般為35 cm左右。飛行員所能分辨的S間距的物點的最大距離為

Lmax=S/δ。

(3)

經計算，搜救觀察員能夠發(fā)現(xiàn)海面漂浮單個人員的最大距離為1 434.4 m左右。在目力搜索中，最遠距離可參見圖3中的PC段。

圖3 觀察范圍示意圖Fig.3 Range of observation

由2.1節(jié)可以獲得飛行人員的機上視野范圍，則掃海寬度CB的長度Lsearch為

Lsearch=2·CE=2Lmax·sin 40° 。

(4)

2.4 飛行速度限制

在2.1節(jié)中，機上觀察人員可以觀察到的范圍為水平各40°，所以水平區(qū)域的視野范圍約為80°，垂直自然視野上下各20°。正常情況下，人一次觀察的區(qū)域范圍為中心視線左右各2°，垂直自然視野上下各20°，則需要觀察的時間為

(5)

(6)

2.5 搜索起始點計算

遇險者在海上漂流主要依靠風和洋流兩種力量。為了計算幸存者的大致位置，就必須估算漂移的方向和速度。漂移的兩個組成部分是總流壓差(TWC)和風壓差。其中：風壓差是風作用于遇險者暴露在水面上的部分，使人體隨著風向漂移；總流壓差主要包含海流、風生流和內河水流等[4]。在本文分析的場景中遇險對象為海上個體，暴露在水面上的部分較小，風壓差影響可以忽略，總流壓差則不需要考慮內河水流影響。因此，在估算出搜尋區(qū)域的風生流和海流的大小后，通過計算兩者的矢量疊加，得出漂移的方向和速度。

獲取遇險個體的位置、失蹤時間、漂移速度和近鄰直升機的位置、最大巡航速度后，根據(jù)余弦定理計算出直升機與漂移的遇險者交匯時的時間，進而可以計算出交匯點位置。在2.6節(jié)中的擴展矩形及扇形的航路中，交匯點即為搜索起始點；在梯形航路中，交匯點為梯形航路的中心點。

2.6 搜索航路選擇

在規(guī)劃中，常用的主要包括擴展矩形、梯形、扇形3種航路，其示意圖如圖4所示。

圖4 搜索航路示意圖Fig.4 Schematics of search route

2.6.1 擴展矩形

擴展矩形搜索適用場景為：搜索目標位置處于海流、風生流較小，遇險個體位置相對移動較小。此種場景下，遇險個體位置可以較為準確預測，從而以遇險個體位置預測點為搜索起始點，以擴展矩形來展開搜索工作。該模式下輔助航路規(guī)劃給出的主要參數(shù)為：1) 起始點經緯度，即搜索航路的起始點；2)初始角度，即搜索航路從起始點出發(fā)時的飛行角度；3) 增量，指在擴展矩形航路中，兩條平行航線之間的距離，會根據(jù)遇險個體存活剩余時間估計值及直升機續(xù)航時間來調節(jié)；4) 左/右旋，指飛機從初始點出發(fā)后第一次更改航向的方向。

2.6.2 梯形

梯形搜索航路是指沿著一個方向，不斷擴大搜索范圍的航路，主要適用場景為：遇險海域存在海流、風生流等因素，會使得遇險個體向某個方向以近似不變的速度移動。此種場景中，航路輔助規(guī)劃給出的航路信息的主要參數(shù)如下：1) 起始點經緯度,即搜索航路的起始點經緯度；2) 搜索方向,即預測的遇險個體移動方向；3) 向前方向增量,指搜索方向上，兩條平行航路之間的距離間隔，會根據(jù)遇險個體存活剩余時間估計值來調節(jié);4) 左右方向增量，指垂直于搜索方向上，搜索航路中軸線一側的兩條平行航路之間的距離間隔，會根據(jù)遇險個體存活剩余時間估計值及直升機續(xù)航時間來調節(jié)。

2.6.3 扇形

扇形航路主要使用場景為：遇險個體的位置準確(移動速度較小)、需要搜尋區(qū)域較小 (尤其適用于直升機能夠快速到達海難現(xiàn)場的情況)，其主要用于搜尋以預測海難現(xiàn)場為中心的圓形搜索域[5]。扇形搜索方式能對中心區(qū)域更全面覆蓋，外側區(qū)域基本覆蓋。此種場景中，航路輔助規(guī)劃給出的航路信息的主要參數(shù)如下：1) 起始點經緯度，即搜索航路的起始點經緯度；2) 初始角度，即初始搜索的角度；3) 扇面角，指搜索航路扇面的中心角；4)搜索半徑，即搜索航路的半徑；5)左/右旋，指順時針或逆時針方向搜索。

3 算法流程

整個算法的流程如圖5所示。

圖5 算法流程圖Fig.5 Flow chart of the algorithm

4 仿真結果分析

軟件設計中需要的主要參數(shù)輸入包含場景環(huán)境參數(shù)、遇險個體信息、近鄰直升機信息3個種類。其中:場景的環(huán)境參數(shù)主要包含海流速度、海流流向、風生流速度、風生流方向、海面氣溫、海洋表面水溫；遇險個體信息主要包含失蹤時間、手持設備、估計經緯度；近鄰直升機信息主要包含近鄰直升機經緯度、續(xù)航時間。航路規(guī)劃可以根據(jù)上述參數(shù)，選擇相應的規(guī)劃方案，生成該方案下的航路參數(shù)，通過坐標轉換獲取航路點信息。同時，根據(jù)所處的場景及平臺信息，給出對飛機的高度及速度的推薦值。軟件仿真界面設計如圖6所示。

圖6 Matlab仿真設計圖Fig.6 The Matlab simulation interface

設定的場景中，海流速度為1 m/s，方向為北偏東35°，風生流的速度為0.2 m/s，方向為北偏東25°，遇險位置為N27.52°，E128.51°，海面空氣溫度20 ℃，表層水溫為15 ℃。遇險個體失蹤1 h，且無手持設備。距離估算失蹤位置點最近的直升機位置為N30.52°，E118.51°，直升機續(xù)航時間為4 h。最終給出的航路規(guī)劃結果如圖7所示。

圖7 仿真結果圖Fig.7 Simulation result

算法給出的為目力搜索模式的梯形搜索航路，并根據(jù)遇險者所處環(huán)境因素進行了搜索起始點的預測，根據(jù)存活時間等因素確定了直升機的搜索速度等，規(guī)劃結果符合常用直升機海上搜索實際規(guī)劃，節(jié)省了規(guī)劃時間，能夠提高救援的成功率。

5 結束語

本文提出了直升機海上搜索航路的輔助規(guī)劃算法，給出了電子搜索和目力搜索兩種方式下的算法，考慮因素較全，并利用Matlab編寫了相應的仿真軟件，通過測試場景，給出了該場景下的航路規(guī)劃，適用于突發(fā)海上救援，能夠快速給出搜索方案，提高海上搜索救援的反應時間及成功率。

[1] 張福光.直升機海上搜救最優(yōu)模式研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2001(3):87-91.

[2] 邱平.海上最佳搜尋區(qū)域與搜尋方法的研究[D].大連:大連海事大學,2006.

[3] 小記.北斗手持型用戶機——個人[單兵]掌控的北斗用戶產品[J].衛(wèi)星與網絡,2007(12):54-55.

[4] 劉凱燕.對海上落水人員漂流軌跡的預測研究[J].電子設計工程,2013,21(23):1-3,6.

[5] 中華人民共和國海事局.國際航空和海上搜尋救助手冊[M].北京：人民交通出版社,2002.

AnAlgorithmofAuxiliaryRoutePlanningforHelicopterMarineSearch

AI Bing, YANG Rui

(Chinese Aeronautical Radio Electronics Research Institute,Shanghai 200030,China)

The helicopter is a crucial tool of marine search,and its searching ability needs to be improved with the increase of national marine trade and military activities. The rationality of the search route is the key to an efficient search and a high success rate. Under the premise of the access to the target location,this paper provides the route-planning methods under different scenarios. At first,two kinds of electronic route-planning methods are given under the scenario of using handheld device. Then,the route-planning method for visual search is analyzed emphatically,with the range of visual observation,the estimation of survival time,the limits on flight height,the limits on flight speed,the calculation of marine search width,the calculation of the starting point of searching,and the selecting principle and parameter settings of the three common routes. At last,the flow chart of the whole algorithm is presented with the simulation analysis.

auxiliary route-planning; helicopter maritime search; search route; visual searching

艾兵，楊睿.直升機海上搜索航路輔助規(guī)劃算法[J].電光與控制，2017，24( 11) : 91-94，99.AI B，YANG R.An algorithm of auxiliary route planning for helicopter marine searching[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 91-94，99．

2016-12-14

2016-12-22

艾 兵(1990 —),男,山東泰安人,碩士,研究方向為信息與信號處理。

TN956； O221.6

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.019