無人機初始偵察航跡規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

數次局部戰爭實踐證明，當前戰場環境愈加復雜，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，無人機航跡規劃需遠離威脅區域以規避威脅。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劃來說，大多數文獻設定無人機執行偵察任務過程中不存在威脅，僅討論偵察任務的執行，如文獻[1]研究了三種不同類型偵察區域內的搜索問題，文獻[2-3]在算法上對無人機偵察航跡規劃進行了研究，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一建模，但將威脅區域視為不可穿越區域。通過大量仿真實驗發現，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域內的等效火力威脅，根據火力毀傷概率引入可穿越系數來，通過設定可穿越系數閾值來評價火力威脅對航跡的影響。

1 無人偵察機規劃空間建模問題分析

無人機在執行作戰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。火力威脅往往是在探測威脅之后發生作用，因此應盡量降低無人機被發現概率。威脅信息可以根據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，且有些參數對特定任務的影響不是很大。故可以采用簡化方法，依據具體任務特性對威脅突防模型進行簡化，以提高航跡規劃速度。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。下面依據偵察任務特性，對無人機執行偵察任務過程中的威脅環境進行建模。

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，根據文獻[6]有：

上式中Kr為常數。

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

地空導彈武器系統的殺傷區可近似于腰鼓型，水平截面為圓周。殺傷區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量等諸多因素有關。在規劃中，可以選取典型防空導彈的技術參數，計算殺傷區的主要特征數據，確定其殺傷范圍和殺傷概率，從而對殺傷區進行規避。在殺傷區內，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

垂直平面殺傷區的主要參數如圖2所示：

AB：殺傷區高界；

hMmax：殺傷目標的最大高度；

DC：殺傷區低界；

hMmin：殺傷目標的最小高度；

BC：殺傷區遠界；

dMmax：殺傷區遠界的斜距；

AED：殺傷區近界；

dMmin：殺傷區近界的斜距；

ξmax：最大高低角。

根據雷達探測概率，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”。在實際戰場環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象，它們對航跡規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現概率等因素有關，雖然探測威脅不能自接產生殺傷效果，但其陣地周圍必定配置有一定數量的防空武器，如果其防空武器部署情況不明，從進行航跡規避的角度出發，也需按一定區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。

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

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

ss，定義如下式：

將可穿越系數融入數字地圖，構成搜索空間柵格數據。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。根據發現不一定毀傷的原理，將火力威脅視為一定程度上的可穿越區域，引入可穿越系數及可穿越閾值進行量化，符合偵察任務實際。

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

［2］楊遵，雷虎民.采用粒子群優化算法規劃無人機偵察航路[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.未知環境中的無人偵察機動態航路規劃[J].四川兵工學報，2012,33（5）：28-31.

［6］胡中華.基于智能優化算法的無人機航跡規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.無人機初始路徑規劃空間建模方法研究[J].系統仿真學報，2007,19（3）：491-493.