針對定向通信類目標的無人機搜索策略研究

袁 博，楊 軍

(西北工業(yè)大學 航天學院，西安710072)

針對定向通信類目標的無人機搜索策略研究

袁 博，楊 軍

(西北工業(yè)大學 航天學院，西安710072)

目標搜索策略的研究可分為兩大類：一類是航路規(guī)劃層面的航路搜索策略；另一類是導引頭層面的導引頭搜索策略。在航路規(guī)劃層面進行定向通信類目標的搜索策略研究，提出了改進的螺旋搜索航路。與目前大多數(shù)文獻不同的是，在搜索航路規(guī)劃時考慮了通信類目標的特點，并且在搜索航路規(guī)劃的基礎上，基于虛擬目標理論進一步完成了搜索制導律的設計，以使無人機按照設計的航路飛行，并在航路存在誤差時保證導引頭指向理論軌跡上的虛擬目標，從而提高目標截獲概率。最后基于質(zhì)點模型驗證了搜索制導律的可行性，表明提出的搜索航路及制導律具有一定的理論價值與工程參考價值。

目標搜索策略；無人機；虛擬目標；搜索制導律

0 引言

對于飛航式導彈或無人機來說，通常需要射后截獲目標，即在飛行一段時間后進行目標的截獲，同時由于測量誤差或運動信息估算算法誤差等原因，很難在理論目標點處截獲目標，因此需要引入目標搜索策略。目前已經(jīng)有很多針對目標搜索策略的研究，可分為兩大類：一類是航路規(guī)劃層面的航路搜索策略，常見的搜索航路有光柵式、螺旋式和掃雪式；另一類是導引頭層面的導引頭搜索策略，例如均勻“一”字型掃描、單向“一”字型掃描、步進凝視掃描等。

本文準備在航路規(guī)劃層面進行定向通信類目標的搜索策略研究。與目前大多數(shù)文獻不同的是，在搜索航路規(guī)劃時考慮了通信類目標的特點，并且在搜索航路規(guī)劃的基礎上，基于虛擬目標理論進一步完成了搜索制導律的設計，以使無人機能夠按照設計的航路飛行。

1 搜索航路規(guī)劃

1.1 定向通信類目標特點分析及航路形狀設計

通信目標的天線可分為全向通信天線和定向通信天線，對采用定向通信天線的目標，由于其主瓣集中在某一個扇區(qū)，甚至成筆狀波束，導致導引頭難以截獲其主瓣，尤其是在初始搜索段，因此可認為對這類目標主要是采用副瓣截獲，導引頭探測距離較近。

由于導引頭對這類目標的探測距離較近，因此不僅要求導引頭指向目標，而且要求無人機飛至目標附近，以保證無人機與目標相對距離足夠近，滿足導引頭距離截獲要求。也就是說，搜索航路不僅要保證導引頭在方向上覆蓋整個搜索區(qū)域，還要求無人機飛行軌跡覆蓋整個搜索區(qū)域。

目前常用的搜索航路包括光柵式、螺旋式和掃雪式，其他更多的搜索路線都可以分解成為以上三種模式。這三種模式都是由直線搜索段和轉(zhuǎn)彎段組成，通過建構(gòu)，它們可以確保無人機導引頭探測區(qū)域覆蓋整個搜索區(qū)域，并且沒有兩個直線段相交。

分析這幾種搜索航路的特點，可看出螺旋式搜索航路能同時滿足方向型搜索需求和位置型搜索需求，因為螺旋式搜索在完成無人機航跡覆蓋整個搜索區(qū)域的同時，航跡的螺旋形又保證了導引頭方向上掃過360°。另外，如果采用由內(nèi)向外螺旋搜索的話，首先最內(nèi)圈的搜索能最快速地完成方向型搜索，如截獲目標，則轉(zhuǎn)入正常攻擊；如沒有截獲目標，則繼續(xù)進行螺旋搜索，自然而然地進行位置型搜索。

綜上所述，初步擬定采用由內(nèi)向外的螺旋式搜索航路，具體設計如下。

1.2 螺旋式搜索航路設計

考慮到在真實飛行過程中，無人機總是朝著目標最大可能出現(xiàn)概率的方向飛去，因此即使沒有在預定區(qū)域發(fā)現(xiàn)目標，目標一般也是越靠近預定區(qū)域出現(xiàn)的概率越大，基于這個考慮，給出搜索航路如圖1所示。

圖1 搜索航路示意圖Fig.1 Sketch map of searching path

圖1為沿地面系z軸的俯視圖，0～24編號的搜索單元表示搜索區(qū)域，其中搜索單元0表示無人機最初判斷的目標出現(xiàn)區(qū)域，這個飛行過程描述如下：

首先無人機按照最初判斷的目標出現(xiàn)區(qū)域由搜索單元18進入，沿x軸方向飛行并搜索目標，當搜索至預定目標區(qū)域(即搜索單元0)時，如發(fā)現(xiàn)目標，則進入末制導攻擊段，如沒發(fā)現(xiàn)目標，則轉(zhuǎn)入搜索飛行段；

考慮到一般情況下，目標在預定區(qū)域附近出現(xiàn)的概率大于遠離預定區(qū)域出現(xiàn)的概率，同時假定無人機在接到其他命令前一直進行搜索，直至發(fā)現(xiàn)目標完成搜索為止，因此搜索線路同時應能循環(huán)進行，路線設計為：搜索單元0→搜索單元1→搜索單元2→搜索單元4→搜索單元6→搜索單元9→搜索單元12→搜索單元16→搜索單元20→搜索單元24→搜索單元12→搜索單元15→搜索單元5→搜索單元0。按這個路線，無人機可以反復搜索，直至發(fā)現(xiàn)目標。

1.3 搜索單元大小的確定

上面的設計將整個搜索區(qū)域劃分為若干搜索單元，這里在假定導引頭定軸搜索的前提下，研究搜索單元大小的確定方法。

導引頭每個單元的寬度w為雷達導引頭探測寬度，搜索視場如圖2所示。

圖2 搜索視場示意圖Fig.2 Sketch map of searching area

D為導引頭的最大識別距離，H為平飛高度，M為地面視場縱深，導引頭瞬時視場為-a～+a，如圖3所示。

圖3 縱深搜索視場示意圖Fig.3 Sketch map of searching area in depth

結(jié)合圖2和圖3，可近似計算得：

H=D·sin(φεs-a)

M=H·tan-1(φεs-a)-H·tan-1(φεs+a)

式中，φεs為導引頭采用定軸搜索時的框架角。

2 搜索制導律設計

完成了搜索航路的設計后，還需設計相應的制導律，以控制無人機按照預定航路飛行。本文提出一種結(jié)合虛擬目標的搜索制導律，總的思路是無人機自身在縱向保持定高平飛，在航向采用基于航跡方位角指令的指令跟蹤制導律，以實現(xiàn)按照搜索航路飛行的目的。而虛擬目標采用與無人機相同的航跡方位角指令和速度運動，只是初始位置為目標預計位置，這樣可以獲得每一時刻目標的坐標位置，從而計算出每一時刻導引頭的光軸指向，引導導引頭指向虛擬目標，從而提高導引頭的目標搜索概率，降低無人機搜索航跡跟蹤誤差帶來的影響。下面分別介紹無人機指令制導律和虛擬目標運動規(guī)律的設計。

2.1 制導律設計

航向制導律擬采用基于航跡方位角的指令跟蹤制導律，近似實現(xiàn)形式如下：

χc=f(l)

式中，l—以初始位置為原點，無人機沿搜索路徑走過的路程；

Vcon—無人機巡航速度；

t0—進入搜索段的時刻；

t—無人機飛行時間；

f(l)—無人機航跡方位角指令隨路程變化的函數(shù)。

2.2 虛擬目標運動規(guī)律設計

根據(jù)第三方測量或被動定位獲得的目標預計位置作為虛擬目標的初始位置，記為(xT0，yT0)，虛擬目標從初始位置沿著搜索航路移動，具體運動規(guī)律如下：

χcT=g(lT)

xT=xT0+vcosχcT

yT=yT0-VsinχcT

式中，lT—以初始位置為原點，虛擬目標沿搜索路徑走過的路程；

l0—虛擬目標相對無人機的路程提前量，這里l0=xT0；

t0—進入搜索段的時刻；

t—無人機飛行時間；

g(lT)——虛擬目標航跡方位角指令隨路程變化的函數(shù)。

至此，就完成了無人機搜索航路的設計。

3 仿真分析

本文基于無人機水平面內(nèi)的制導系統(tǒng)簡化模型進行目標搜索策略仿真分析。

3.1 仿真條件

無人機在1000m高空進行定高目標搜索，初始位置(0，0)m，初始速度60m/s，導引頭預定俯仰框架角-45°，方位框架角為0°(當采用虛擬目標法時，不限制框架角)偏航通道飛控駕駛儀一階等效時間常數(shù)取0.8s，側(cè)向過載限幅取±2g。制導律系數(shù)為kp=0.5，kd=1；目標預計位置坐標為(1000，0)m。

3.2 仿真結(jié)果及分析

給定規(guī)劃的搜索航路如圖4所示。

圖4 搜索航路曲線Fig.4 Curve of searching path

根據(jù)上面的仿真條件，基于無人機制導系統(tǒng)簡化模型，可得主要仿真曲線如圖5～圖7所示。

圖5 無人機飛行軌跡曲線Fig.5 Curve of UAV flight path

圖6 傳統(tǒng)方法的搜索區(qū)域曲線Fig.6 Curve of searching area with typical method

圖7 虛擬目標方法的搜索區(qū)域曲線Fig.7 Curve of searching area with virtual target method

由圖5可以看出，設計的搜索制導律可以較好的實現(xiàn)預計的搜索航路，同時存在一定跟蹤誤差；由圖6中規(guī)劃航路對應搜索區(qū)域與實際航路對應搜索區(qū)域的對比可以看出，當采用傳統(tǒng)定軸搜索方法時，實際搜索區(qū)域與理想搜索區(qū)域存在差異，這是由于航路跟蹤誤差帶來的；由圖7可以看出，采用虛擬目標方法引導導引頭搜索后，實際搜索區(qū)域與理想搜索區(qū)域吻合。這充分證明了虛擬目標方法可以有效減小航路跟蹤誤差對搜索區(qū)域的影響，當然，本文中沒有考慮導引頭本身的指向控制動態(tài)特性和誤差，因此實際搜索區(qū)域與理想搜索區(qū)域完全吻合，考慮導引頭指向控制特性后，效果會有所下降。

4 結(jié)論

通過本文研究，得到以下主要結(jié)論：

1)采用改進的螺旋搜索航路能夠適應定向通信類目標的特點，同時滿足方向搜索和位置搜索的需要；

2)基于空間質(zhì)點模型的仿真證明了采用指令跟蹤制導律并結(jié)合虛擬目標理論，可以實現(xiàn)螺旋搜索航路，并使導引頭光軸指向理論搜索航路上的虛擬目標，這樣能減小航路控制誤差帶來的影響。

當然，以上結(jié)論是在簡化模型基礎上得到的，要進一步應用到工程上，需要在更詳細的模型上進行更深入的研究。

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Research of UAV Searching Strategy for the Oriented Communication Target

YUAN Bo,YANG Jun

(College of Astronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The study of searching target strategy can be divided into two main directions：the first one is the aero-path searching strategy in planning path study and the other is the seeker’s searching strategy in the ways of seeker.This paper is studying the searching strategy of the oriented communication target in aero-path planning research，and giving a improved spiral searching method.Differently，we consider the characteristic of communication target when planed searching aero-path.And based on the planning of searching path，we design a searching guidance law which based on the theory of virtual target.That makes the UAV flying in designing path，and make sure the seeker is oriented to the virtual target in theory when it has errors.This makes the UAV has higher probability to catch the target.Finally，we verify the searching guidance law which based on the mass point.And the guidance law and searching aero-path theory has theory’s value and engineering value too.

Searching strategy；UAV；Virtual target；Searching guidance law

2015-05-18；

2015-07-15。

袁博(1980-)，男，博士，講師，主要從事導航制導與控制方面的研究。E-mail:ybstrong@126.com

V249.1

A

2095-8110(2016)02-0033-05