無人機初始偵察航跡規(guī)劃空間建模方法研究

張紅順 谷 峰

（中國人民解放軍空軍航空大學，吉林 長春130022）

0 引言

數(shù)次局部戰(zhàn)爭實踐證明，當前戰(zhàn)場環(huán)境愈加復雜，空中防御體系能將一系列威脅在無人機上形成疊加，使得威脅范圍和強度大大增加。為提高生存率，無人機航跡規(guī)劃需遠離威脅區(qū)域以規(guī)避威脅。另一方面，限于機載偵察設備性能，為使偵察圖像達到判讀需求，就要求無人機與待偵察目標之間的距離在一定的范圍內，超出此距離將導致圖像質量明顯下降。

針對無人偵察機航跡規(guī)劃來說，大多數(shù)文獻設定無人機執(zhí)行偵察任務過程中不存在威脅，僅討論偵察任務的執(zhí)行，如文獻[1]研究了三種不同類型偵察區(qū)域內的搜索問題，文獻[2-3]在算法上對無人機偵察航跡規(guī)劃進行了研究，文獻[4]討論了高空無人偵察機偵察設備與航跡規(guī)劃之間的量化關系，沒有考慮地面威脅。文獻[5]將無人偵察機所面臨的威脅源進行了統(tǒng)一建模，但將威脅區(qū)域視為不可穿越區(qū)域。通過大量仿真實驗發(fā)現(xiàn)，將火力威脅視為不可穿越威脅將導致無人機偵察任務質量無法達到要求。本文將探測威脅轉化為一定區(qū)域內的等效火力威脅，根據(jù)火力毀傷概率引入可穿越系數(shù)來，通過設定可穿越系數(shù)閾值來評價火力威脅對航跡的影響。

1 無人偵察機規(guī)劃空間建模問題分析

無人機在執(zhí)行作戰(zhàn)任務過程中主要面臨雷達探測威脅和火力威脅。探測威脅主要有地面預警雷達、空中警戒雷達等，火力威脅主要有高炮、地空導彈等?；鹆ν{往往是在探測威脅之后發(fā)生作用，因此應盡量降低無人機被發(fā)現(xiàn)概率。威脅信息可以根據(jù)勢場理論進行較精確的量化轉換，或從幾何特征進行近似等效。

完全火力威脅仿真分析需要占用大量時間和空間資源，且有些參數(shù)對特定任務的影響不是很大。故可以采用簡化方法，依據(jù)具體任務特性對威脅突防模型進行簡化，以提高航跡規(guī)劃速度。大量研究和實踐證明這是可行的且有效的。本文設定無人機飛行高度大于5000米，故只考慮雷達探測威脅與地空導彈火力威脅。下面依據(jù)偵察任務特性，對無人機執(zhí)行偵察任務過程中的威脅環(huán)境進行建模。

2 威脅空間建模

2.1 雷達探測威脅空間構建

根據(jù)雷達探測原理，其能量損耗應與電磁波單向傳播距離的四次方成反比。一般情況下，設定雷達散射截面RCS為固定值，根據(jù)文獻[6]有：

上式中Kr為常數(shù)。

雷達威脅如圖1所示，通常天線無法360度掃描，掃描范圍為扇形，未能覆蓋的角度范圍θr～（360°-θr），即無法形成全方位探測，則對無人機探測概率PR（dR）可表示為：

dR：無人機距雷達距離；

hR：無人機相對于雷達的高度；

dRmax：雷達探測區(qū)域的最大半徑。

圖1 雷達威脅示意圖

2.2 地空導彈威脅空間構建

地空導彈武器系統(tǒng)的殺傷區(qū)可近似于腰鼓型，水平截面為圓周。殺傷區(qū)大小與地空導彈的反應時間、導彈飛行速度、搜索雷達與活力單元的距離及導彈齊射數(shù)量等諸多因素有關。在規(guī)劃中，可以選取典型防空導彈的技術參數(shù)，計算殺傷區(qū)的主要特征數(shù)據(jù)，確定其殺傷范圍和殺傷概率，從而對殺傷區(qū)進行規(guī)避。在殺傷區(qū)內，導彈殺傷目標的概率不低于某一定值，如0.8，本文設定為1，即完全殺傷。對于不在殺傷區(qū)域內，導彈殺傷概率主要與兩者距離有關。

圖2 防空導彈垂直平面殺傷圖

垂直平面殺傷區(qū)的主要參數(shù)如圖2所示：

AB：殺傷區(qū)高界；

hMmax：殺傷目標的最大高度；

DC：殺傷區(qū)低界；

hMmin：殺傷目標的最小高度；

BC：殺傷區(qū)遠界；

dMmax：殺傷區(qū)遠界的斜距；

AED：殺傷區(qū)近界；

dMmin：殺傷區(qū)近界的斜距；

ξmax：最大高低角。

根據(jù)雷達探測概率，可得無人機在進入殺傷近界前，基本已被擊落，故無人機被導彈命中概率pM(dM)可簡化為：

3 威脅空間轉化與構造

從廣義上講，可將除地形威脅和禁飛區(qū)等不具有攻擊性的固定威脅之外所有影響航路的威脅都泛稱為“火力威脅”。在實際戰(zhàn)場環(huán)境中都存在火力威脅等級、毀傷概率和威脅作用范圍不同的現(xiàn)象，它們對航跡規(guī)劃結果均有一定影響。對于中遠程雷達等探測威脅，其作用范圍與無人機被發(fā)現(xiàn)概率等因素有關，雖然探測威脅不能自接產(chǎn)生殺傷效果，但其陣地周圍必定配置有一定數(shù)量的防空武器，如果其防空武器部署情況不明，從進行航跡規(guī)避的角度出發(fā)，也需按一定區(qū)域的等效火力威脅考慮[7]。

將雷達探測威脅轉化為火力威脅，有式：

式中，k為轉化系數(shù)。

故可以把規(guī)劃空間分為四部分：無威脅區(qū)域DN、雷達威脅區(qū)域DR、地空導彈威脅區(qū)域DM、雷達和地空導彈威脅疊加區(qū)域DR+M。設毀傷概率等級為P，根據(jù)式(2)(3)(4)有：

根據(jù)式(5)，引入可穿越系數(shù)Ccross（the coefficient of cross）評價威脅對航跡的影響，對可穿越系數(shù)有如下定義：設定可穿越系數(shù)閾值Ctchro

ss，定義如下式：

將可穿越系數(shù)融入數(shù)字地圖，構成搜索空間柵格數(shù)據(jù)。Ctchross的大小由任務特性和無人機性能決定。

4 結束語

本文針對中高空無人機偵察任務特性，將雷達探測威脅和地空導彈威脅分開建模，通過公式將雷達探測威脅轉化為火力威脅。根據(jù)發(fā)現(xiàn)不一定毀傷的原理，將火力威脅視為一定程度上的可穿越區(qū)域，引入可穿越系數(shù)及可穿越閾值進行量化，符合偵察任務實際。

［1］李子文，夏浩.無人偵察機路徑規(guī)劃方法研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2008,20:490-494.

［2］楊遵，雷虎民.采用粒子群優(yōu)化算法規(guī)劃無人機偵察航路[J].電光與控制，2007,14（2）：4-7.

［3］王金泉，高曉光，史建國,等.無人機的偵察路徑規(guī)劃[J].火力與指揮控制，2008,33（7）：16-18.

［4］林偉廷.高空長航時無人偵察機任務規(guī)劃問題研究[D].長沙：國防科學技術大學，2007：41-43.

［5］丁吉，樊瓊劍，任博.未知環(huán)境中的無人偵察機動態(tài)航路規(guī)劃[J].四川兵工學報，2012,33（5）：28-31.

［6］胡中華.基于智能優(yōu)化算法的無人機航跡規(guī)劃若干關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011:23-24.

［7］魯藝，周德云.無人機初始路徑規(guī)劃空間建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2007,19（3）：491-493.