無人機安全飛行區域確定方法研究

摘要：文章結合變權理論與馬爾可夫模型，對無人機的安全飛行區域加以判斷。通過前者調節威脅權值，得出綜合威脅參數。借助后者預測可能會面對的威脅，綜合二者，劃分出安全的飛行區域。

關鍵詞：無人區;安全飛行區域;威脅

引言：當前戰場上，無人機是交戰雙方取得制空權的重要憑借。結合戰時條件數據，確定可飛行區域是可以保證無人機高質量、安全完成下達任務的基礎屏障。但在現代戰場上，大量高新武器投入進來，導致總體環境更為復雜，使得無人機所需承受的威脅不穩定。因此，在確定可飛行區域時，應當采取綜合性的威脅衡量手段，根據結果劃分安全區域，以降低無人機作戰的危險性，提升其作戰效率。

一、無人機安全飛行區域確定方法研究現狀

當下，對于安全區域的確定一般選擇仿真實驗與Graham算法等。前者是借助電磁場的仿真程序，確定輸電線路附近電磁場的強度，由此得出無人機和電磁場之間應保持的距離參數，形成安全范圍界線。后者是針對氣象問題，飛行期間由于氣象產生威脅安全的區域。但在開戰過程中，對確定安全區域的及時性要求較高，所應對的環境形勢更為復雜，導致安全區域和安全威脅之間的聯系也相應復雜。普通確定方法不能適應戰時需要，所以應選擇綜合性特征更加顯著的方法加以確定。

二、無人機安全飛行區域的確定方法具體闡述

（一）權值確定方法

結合無人機戰時條件下，面對的安全威脅權值，鑒于無人機工作期間本機狀態不穩定，使得各類威脅對其本身造成的干擾權重隨之不斷變化。一般確定威脅的方式通常是把權值視為基礎計算依據，但現實飛行狀態下，此種計算威脅的方法存在漏洞。所以，考慮運用變權理論，優化確定權值的思路。計算的第一步是借助客觀熵權法以及主管層次法，完成基本權值求解。第二步，應用下列公式，把二者的權值結合起來，統一計算，以形成綜合權值。

式中，ω0j是指第j個指標，其原始權值;ω′j是指第j個指標，在主觀層次模式下，得到的權值;ω"j是指第j個指標，在客觀熵權法模式下，得到的權值;a代表主觀影響因素;b是客觀影響因素。結合理想解法，確定威脅因素對應優勢度值，基于下列公式計算：

式中，Qj表示是第j個指標，其變權優勢度;d-j是指第j個指標和最小理想值之間的差額;d+j則表示第j個指標和最大理想值之間的差額;λ是指調節因子。在計算飛行威脅期間，應科學確定λ的數值，讓優勢度始終滿足現實需要，即d±j=d+j-d-j。而后結合變權理論，生成變權函數。具體如下：

式中，Q-是指獎懲下限;Q+是指獎懲上限;m代表指標維數;ω0j是指初始權值;δ（j）是指變權比重因子。按照高斯準則，科學調節變權比重，以確定變權函數在初始權值上的干擾深度。對應的高斯準則公式如下：

式中，δ（j）表示的是第j個指標對應變權比重因子。下一步應用系列公式，確定變權之后，所展示出的權值。

式中，ω（j）表示借助變權理論實現變權后，得到的權值[1]。

（二）威脅預測方法

因為無人機工作狀態并不穩定，處于持續變化中，所以本機所處區域中，面臨的威脅既有當下威脅值，又需注意預測由于無人機狀態變化而出現的新威脅。在預測區域威脅上，選擇馬爾可夫模型。基于無人機工作區域模型，把無人機工作區域設置成柵格。倘若無人機當下正處于整個柵格的正中間，則會面對來自八處的威脅點。因為無人機在飛行期間發生的狀態變化，呈現出明顯的馬爾可夫特點，也就是說當下狀態轉移幾率只和其上一種狀態有聯系，模型等式如下所示：

式中，Sn是指無人機處于n時間點的某種狀態; 是指處于n時間點，無人機由S狀態調整至S′狀態，選擇π策略實施動作θ的幾率，其中實施動作θ幾率選擇期望值E代表。借助馬爾可夫的價值函數計算狀態威脅，因為無人機在地圖上某一點位時，其所遭受的威脅值，能通過威脅建模確定。無人機對應威脅函數Bellmen方程，如下公式所示：

式中，Vπ（S）代表無人機處于某種狀態Sn狀態下，采用π策略會遭受威脅值;Eπ代表無人機應用π策略，實際預期值;Rn+1代表無人機處于n+1時間點上，面對的威脅值;γ是指預測威脅的衰減因子，說明預測威脅期間折扣系數。此計算公式無人機在某種狀態中威脅值等于當下威脅值和預測威脅值的總和。下一步則需構建動作威脅的預測函數，相應的Bellmen方程如下：

式中，π（θ|S）是指無人機處于S狀態時，運用π策略開展動作θ的幾率。因為是運用馬爾可夫模型，所以此時選擇策略開展幾率僅和當下S狀態有聯系，繼而借助預測函數Bellmen方程，能推導出預測算式：

式中，S′是指本機的狀態變化。因為威脅預測值是根據π策略下的全部轉移威脅值綜合，結合以上兩個公式，能確定無人機戰時威脅預測值，具體如下：

運用此種預測方式，得出的威脅預測值，基于上述計算公式確定結果，而后把結果錄入到評估方法上，完成威脅評估。

（三）安全區域確定

無人機的威脅評估錄入是其當下計算出的威脅結果和預測結果，輸出部分則是模糊集合，包括安全以及不同程度的威脅。基于經驗值，得到云發生器對應超熵值、熵值與期望值，由此構成評估云模式。對于確定安全區域，先要基于威脅指標的分析結果，計算飛行區域中，無人機在各點位會面臨的威脅，以確定當下承受的威脅值。下一步則憑借馬爾可夫開展威脅預測，判斷威脅的等級。而后借助云模糊評估手段，把上述獲取到的結果加以整合，進一步得出精確威脅級別。而后結合無人機現實狀況，設置安全閾值，由此劃分出安全區域[2]。

結束語：

上文分析復雜作戰環境中，無人機的可飛行區域確定問題。無人機面對的威脅權重會根據其自身狀態而出現變化，因而選擇變權理論計算威脅。同時考慮到飛行狀態的不確定性，強調需實行威脅預測，綜合評估無人機所處工作環境。基于此，今后研究可朝著協同作戰的方向轉變，以克服合作無人機之間互相干擾的現象。

參考文獻：

[1]閆東，吳慶憲，袁夢順，等.基于變權威脅評估的無人機安全飛行區域確定方法[J].中國科學：信息科學，2021，（04）：663-677.

[2]李春茹，吳慶憲.面向安全避障的無人機魯棒跟蹤飛行控制[J].工業控制計算機，2021，（02）：48-51.

作者簡介：王凱;女;1983.07;漢;黑龍江;大學本科;講師;高校學生認知心理學