無人機(jī)協(xié)同偵查問題研究

于慶灝

摘 要：由于國防軍事偵察任務(wù)逐漸變得復(fù)雜，且偵察方式逐漸向多無人機(jī)協(xié)同的方向發(fā)展，如何利用合理的任務(wù)規(guī)劃以及有限的載荷資源偵查到最大化的情報(bào)信息是無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，因此研究多無人機(jī)協(xié)同偵察的新方法便對(duì)未來偵查作戰(zhàn)具有更加長遠(yuǎn)的意義。根據(jù)偵察對(duì)象的不同將其分為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”協(xié)同偵察和“點(diǎn)對(duì)面”協(xié)同偵察兩種新的模式，通過航路平滑的常用方法從環(huán)境因素是否可知的角度對(duì)當(dāng)前的偵查方法進(jìn)行了分析總結(jié);根據(jù)電子信號(hào)偵察設(shè)備、合成孔徑雷達(dá)（SAR）和長焦距傾斜CCD相機(jī)3種機(jī)載偵察載荷的偵察特點(diǎn)，分析了影響多偵查機(jī)載設(shè)備協(xié)同偵察性能的因素和指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：多無人機(jī);協(xié)同偵查;航路規(guī)劃;偵查載荷

0 前言

當(dāng)今戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，無人機(jī)已逐漸成為進(jìn)行戰(zhàn)場偵察的主要工具。隨著無人機(jī)偵查問題呈現(xiàn)出偵察任務(wù)復(fù)雜多變以及對(duì)偵察效率高要求的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的單無人機(jī)攜帶單載荷已不能滿足當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境超實(shí)時(shí)性的需求[1]，為了加快系統(tǒng)論證分析評(píng)估的過程、縮短指戰(zhàn)員的決策時(shí)間，采用多無人機(jī)攜帶不同載荷協(xié)同偵查很有必要[2]。

本文對(duì)多無人機(jī)協(xié)同偵查任務(wù)規(guī)劃和多載荷協(xié)同偵查兩個(gè)方面進(jìn)行研究，其中無人機(jī)協(xié)同偵查航路規(guī)劃通過“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的協(xié)同偵察和“點(diǎn)對(duì)面”的協(xié)同偵察兩個(gè)方向進(jìn)行研究;多載荷協(xié)同偵查從電子信號(hào)偵察設(shè)備、合成孔徑雷達(dá)（SAR）和CCD相機(jī)三種光電偵查設(shè)備根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，合理設(shè)計(jì)4種偵查載荷的協(xié)同使用方案。

1 無人機(jī)協(xié)同偵查航路規(guī)劃

1.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)同偵查

“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的協(xié)同偵察即設(shè)計(jì)一種航路規(guī)劃方案，將目標(biāo)按相應(yīng)的需求（如航程最短、偵查效能最高等）分配給各無人機(jī)，生成各自特定的偵察序列，然后根據(jù)無人機(jī)的性能再對(duì)其局部航路進(jìn)行優(yōu)化，使得在可操作下偵查效能最大化。“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃根據(jù)其實(shí)施步驟可分為上層系統(tǒng)的目標(biāo)分配和下層各無人機(jī)平臺(tái)的航路規(guī)劃。目標(biāo)分配即綜合多種要求，上層系統(tǒng)以相應(yīng)任務(wù)效能為牽引，將具體目標(biāo)分配給每架無人機(jī)平臺(tái)。航路規(guī)劃即為下層無人機(jī)平臺(tái)分配到的目標(biāo)規(guī)劃最優(yōu)偵查序列，然后結(jié)合相應(yīng)無人機(jī)的性能和不同戰(zhàn)場環(huán)境的影響，對(duì)生成的航路進(jìn)行平滑處理，方便偵察任務(wù)的執(zhí)行。

目前多無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)已取得了相對(duì)明顯的成就。“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃方面，從上層系統(tǒng)的任務(wù)分配到下層無人機(jī)平臺(tái)的航路規(guī)劃，其理論研究比較成熟。

1.2點(diǎn)對(duì)面協(xié)同偵查

“點(diǎn)對(duì)面”協(xié)同偵察即要求無人機(jī)在相應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的約束下能夠?qū)⑷蝿?wù)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋偵察。目前，關(guān)于區(qū)域全覆蓋偵察任務(wù)規(guī)劃問題的分析較多，主要集中于機(jī)器人AI應(yīng)用，針對(duì)多無人機(jī)區(qū)域內(nèi)全覆蓋方向需要進(jìn)一步分析研究。多無人機(jī)協(xié)同區(qū)域覆蓋偵察根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境不同可以分為已知環(huán)境下的全覆蓋偵察和未知環(huán)境下的全覆蓋偵察。

相比于單無人機(jī)區(qū)域覆蓋，多無人機(jī)區(qū)域覆蓋可以顯著提高其覆蓋效率以及穩(wěn)定性。覆蓋效率的提高是因?yàn)槎酂o人機(jī)工作時(shí)，可以加快偵察任務(wù)的執(zhí)行速度。穩(wěn)定性則是當(dāng)任務(wù)中待偵查目標(biāo)分配的某架無人機(jī)出現(xiàn)異常或損毀時(shí)，可以對(duì)其他偵查目標(biāo)以及剩下的無人機(jī)進(jìn)行重新規(guī)劃，以完成區(qū)域全覆蓋任務(wù)。

2 無人機(jī)多載荷協(xié)同偵查

2.1電子信號(hào)偵查設(shè)備與SAR協(xié)同

該方案主要利用電子信號(hào)偵察設(shè)備提供粗略定位信息，再運(yùn)用SAR進(jìn)行高精度偵察。電子信號(hào)偵察設(shè)備在遠(yuǎn)距離、大范圍探測到目標(biāo)輻射源，將目標(biāo)信息發(fā)至數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)處理后傳輸至控制終端，并采用電子信號(hào)偵察和SAR的協(xié)同模式重新規(guī)劃無人機(jī)航路，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位;飛行至SAR作用距離時(shí)，SAR開始工作，以提高對(duì)目標(biāo)的偵查時(shí)間，提升載荷在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的高精度成像觀測能力。

2.2電子信號(hào)偵查設(shè)備與CCD相機(jī)協(xié)同

該方案主要用于對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行第一時(shí)間的可視偵察或采集高分辨率目標(biāo)圖像。電子信號(hào)偵察設(shè)備在長距離、大范圍探測到目標(biāo)輻射源后，控制終端操縱無人機(jī)規(guī)劃航路抵近目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)無人機(jī)抵近至CCD相機(jī)工作距離時(shí)，采用CCD相機(jī)同電子信號(hào)偵察設(shè)備協(xié)同模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測;到達(dá)目標(biāo)規(guī)定距離后，拍攝高精度圖像或進(jìn)行即時(shí)可視偵察。

2.3SAR與CCD相機(jī)協(xié)同

SAR在較大范圍內(nèi)對(duì)偵察區(qū)域進(jìn)行掃描搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜索和追蹤。鑒于SAR圖像判讀的復(fù)雜性，為提高對(duì)目標(biāo)的探測或?qū)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)即時(shí)可視偵察能力，無人機(jī)規(guī)劃航路到達(dá)目標(biāo)區(qū)域規(guī)定距離后，開啟CCD相機(jī)偵察模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測成像、定位和追蹤。

2.4電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR與CCD相機(jī)協(xié)同

該方案主要用于對(duì)目標(biāo)的精確定位、觀測成像和特征檢測。電子信號(hào)偵察設(shè)備在遠(yuǎn)距離探測到目標(biāo)輻射源的位置后，控制無人機(jī)規(guī)劃航路抵近目標(biāo)區(qū)域。偵察靜止目標(biāo)時(shí)，采用SAR或CCD相機(jī)分別在作用距離范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測成像或即時(shí)可視偵察;偵察運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，則運(yùn)用SAR或CCD相機(jī)分別在作用距離范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和即時(shí)可視偵察。若電子信號(hào)偵察設(shè)備未偵察到目標(biāo)，可采用SAR工作模式再規(guī)劃其他偵察方案。

3 結(jié)論

本文在分析無人機(jī)偵察載荷和偵察作戰(zhàn)環(huán)境上，設(shè)計(jì)了4種多偵察載荷協(xié)同使用方案，為無人機(jī)的偵察載荷的協(xié)同作戰(zhàn)使用提供了參考依據(jù)。為了提高整個(gè)多無人機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)率與安全性，必須使得多無人機(jī)系統(tǒng)具備在線動(dòng)態(tài)規(guī)劃的功能[3]，保證遇到某架無人機(jī)出現(xiàn)異常或被摧毀后，可進(jìn)行偵查任務(wù)自主重新分配與航路重新規(guī)劃，這樣能夠更好地體現(xiàn)出無人機(jī)群的自主性與協(xié)同性。

隨著無人機(jī)偵查問題呈現(xiàn)偵察任務(wù)復(fù)雜多變以及對(duì)偵察效率高要求的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的單無人機(jī)攜帶單載荷不能滿足當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境要求，為了獲得最好的偵查結(jié)果，以及縮短指戰(zhàn)員決策時(shí)間，采用多無人機(jī)攜帶不同載荷協(xié)同偵查很有必要。

參考文獻(xiàn)

[1]龐強(qiáng)偉，胡永江，李文廣，等.多無人機(jī)協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃方法研究綜述[J].電訊技術(shù)，2019，59（6）：741-748.

[2]張海峰，韓芳林.給予任務(wù)協(xié)同的無人機(jī)多偵查載荷使用.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，33（3）.

[3]柳長安，王和平，李為吉，白俊強(qiáng).無人機(jī)的協(xié)同偵查航路規(guī)劃.火力與指揮控制，2004（1）：60-63.