黃國強(qiáng)

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210007)

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多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)*

黃國強(qiáng)

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210007)

摘要：針對多飛行器協(xié)同軌跡約束多、耦合強(qiáng)的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化與決策問題，對多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。首先，對多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述和對多飛行器在未知環(huán)境下的航跡規(guī)劃進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模；其次，提出了多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值算法，其主要包括多飛行器協(xié)同任務(wù)分配算法與飛行器最優(yōu)航跡規(guī)劃；最后，基于以上的研究，對3種典型不同情況下的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化進(jìn)行了飛行數(shù)值仿真與分析。該算法具有以下特性： 全局一體優(yōu)化、采用最優(yōu)的多維策略、實(shí)時(shí)在線性、高精度、能夠考慮各種隨機(jī)干擾的作用等。

關(guān)鍵詞：多飛行器；協(xié)同；軌跡；協(xié)同任務(wù)分配算法；航跡規(guī)劃

0引言

在現(xiàn)代高科技技術(shù)體系化戰(zhàn)爭中，傳統(tǒng)的依靠單架飛行器獨(dú)立作戰(zhàn)的作戰(zhàn)方式已經(jīng)不能發(fā)揮其預(yù)期的效果。根據(jù)近幾年在戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)方式，可以很容易地看出進(jìn)攻型飛行器基本上都是多架(種)飛行器按照一定的協(xié)同方式進(jìn)行攻擊目標(biāo)，這種協(xié)同攻擊方式，對于高技術(shù)飛行器來說顯得尤為重要。因此，多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭中主要的作戰(zhàn)方式[1-3]。

通過多飛行器間有效的協(xié)同，不但提高了單架飛行器的作戰(zhàn)效果，而且增強(qiáng)了多飛行器的綜合作戰(zhàn)效能。其主要表現(xiàn)在：提高進(jìn)攻型飛行器的突防能力，提高攔截型飛行器的攔截能力，提高飛行器的電子對抗能力，提高飛行器對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜捕能力和跟蹤精度減少飛行器的參戰(zhàn)數(shù)量[4-5]。

作為系統(tǒng)復(fù)雜的、多約束的、強(qiáng)耦合的多目標(biāo)優(yōu)化與決策問題，多飛行器協(xié)同規(guī)劃是使各子系統(tǒng)飛行器能夠按照協(xié)同優(yōu)化算法生成飛行軌跡，該飛行軌跡能夠回避威脅區(qū)，保證各子系統(tǒng)飛行器完成任務(wù)。就每一個(gè)子系統(tǒng)飛行器而言，所生成的飛行軌跡不一定是最優(yōu)的，但對于整體的作戰(zhàn)效能來說，一定是全局最優(yōu)的(或次優(yōu)的)[6-8]。

美國在20世紀(jì)70年代中期首次提出了飛行器協(xié)同作戰(zhàn)一詞，而且在這一方面取得了很多成果，如正在研制過程中的網(wǎng)火作戰(zhàn)系統(tǒng)。而后，俄羅斯針對美國的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)，也提出了許多全新的觀念與方法，如Ⅱ-700花崗巖超聲速反艦導(dǎo)彈[5]。

本文主要圍繞多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化進(jìn)行展開。首先，用數(shù)學(xué)方法描述了多飛行器協(xié)同軌跡的問題，對多飛行器航跡規(guī)劃進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模；其次，研究了多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)值算法及對多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化進(jìn)行了飛行數(shù)值仿真與分析。

1問題描述

多飛行器協(xié)同攻防對抗是指攻防雙方均在錯(cuò)綜復(fù)雜的飛行環(huán)境中進(jìn)行飛行協(xié)同對抗。進(jìn)攻型飛行器分布在地球表面(大氣層內(nèi)外)的某一區(qū)域，攔截型飛行器分布在地球表面(大氣層內(nèi)外)的某若干不同區(qū)域、運(yùn)動(dòng)或靜止的空間。進(jìn)攻型飛行器需要在指定時(shí)間內(nèi)，分別以高度可靠的命中率命中指定的不同區(qū)域的目標(biāo)，同時(shí)飛行路過某些目標(biāo)，突防各種靜態(tài)/動(dòng)態(tài)威脅。廣泛分布在地表與空中的攔截型飛行器相互協(xié)調(diào)，高可靠度地?cái)r截各種不同類型的進(jìn)攻型飛行器，因而產(chǎn)生了多飛行器的協(xié)同攻防對抗。

雖然飛行器的類型與飛行器軌跡優(yōu)化的類型均很繁多，飛行任務(wù)(即性能指標(biāo)、優(yōu)化目標(biāo))多樣，飛行周邊環(huán)境復(fù)雜而不可預(yù)測，約束條件繁雜而隨時(shí)多變，但多(不同種類)飛行器軌跡優(yōu)化均可歸納為：

一個(gè)多飛行器的大型隨機(jī)飛行控制系統(tǒng)中包含S個(gè)飛行器子系統(tǒng)，整個(gè)大型隨機(jī)控制系統(tǒng)可由以下非線性微分方程組描述：

(1)

式中:X=(x1,x2,…,xS)，時(shí)間t∈[ti0,tif]，i=1,2,…,S，狀態(tài)變量xi(t)為第i個(gè)飛行器子系統(tǒng)的ni維向量(xi(t)∈Rni)；控制變量ui(t)∈Rmi為第i個(gè)飛行器子系統(tǒng)的獨(dú)立變量；隨機(jī)干擾wi(t)∈RLi為作用在第i個(gè)子系統(tǒng)上的；pi∈RQi為第i個(gè)飛行器子系統(tǒng)(不隨時(shí)間變化的)靜態(tài)參數(shù)；fi(·)為描述相互干擾作用的各動(dòng)態(tài)隨機(jī)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)。

在各飛行器子系統(tǒng)中的隨機(jī)干擾wi(t)按照以下的微分方程作演化運(yùn)動(dòng):

(2)

式中：i=1,2,…,S；wi(t)的起點(diǎn)為wi(ti0)=wi0；vi(t)為隨機(jī)干擾wi(t)的控制變量，它可以是隨機(jī)的，也可以是有規(guī)劃進(jìn)行的。

每個(gè)飛行器子系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中有T個(gè)性能指標(biāo)如下：

(3)

式中：i=1,2,…,S；j=1,2,…,T；[ti0,tif]為第i個(gè)飛行器子系統(tǒng)的工作時(shí)段。

多飛行器的大型隨機(jī)飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)全局最優(yōu)為

(4)

值得指出，U(t)=(u1(t),u2(t),…,uS(t)).在函數(shù)(4)中如果其中一些性能指標(biāo)Ji,j(i∈[1,S]，j∈[1,T+1])需要最大化，則最大化Ji,j可以轉(zhuǎn)化為最小化：

Ji,j=-Ji,j.

(5)

1.1攔截方問題描述

追求性能指標(biāo)LA最?。?/p>

(6)

式中：di,min為允許的最小脫靶量(即攔截彈的殺傷范圍，在低空大氣層內(nèi)為10 m);ri(tif)為脫靶量；tif為第i單元進(jìn)攻型飛行器最后時(shí)的飛行時(shí)間；xAi,yAi,zAi依次為第i個(gè)進(jìn)攻型飛行器的飛行高度、經(jīng)緯度方向的(飛行距離)坐標(biāo)；xtj,ytj,ztj依次為第j個(gè)地面目標(biāo)的海拔高度、經(jīng)緯度方向的坐標(biāo)；kmaxMA為進(jìn)攻型飛行器的總數(shù)量。

1.2突防方問題描述

進(jìn)攻(突防)型飛行器單元j的突防飛行控制決策uj是通過大系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得的，并且飛行控制決策uj滿足(即在飛行途中不被攔截命中)：

di,j,Md(t)>di,min，

(7)

式中：對于第i單元進(jìn)攻突防型飛行器，需要從起始點(diǎn)xi(0)=xi,0出發(fā)，xi=(v,γ,ψv,hA,xA,zA)i，v,γ,ψv依次為飛行器的飛行速度、軌跡傾角、偏角，其飛行軌跡需要滿足：進(jìn)攻(突防)型飛行器需要飛過指定的(空間)某些點(diǎn)；該突防型飛行器發(fā)射導(dǎo)彈需要命中某些目標(biāo)點(diǎn)；同時(shí)，需要能夠突防飛行，即滿足式(7)。

2多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

作為多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化的核心內(nèi)容之一的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其任務(wù)主要是根據(jù)目前戰(zhàn)場的態(tài)勢，對多飛行器進(jìn)行目標(biāo)分配，以及對每架飛行器規(guī)劃出最優(yōu)的飛行軌跡。因此，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括2方面的內(nèi)容：目標(biāo)分配算法和航跡規(guī)劃。本節(jié)主要對多目標(biāo)分配算法與在隨機(jī)風(fēng)場下威脅區(qū)回避軌跡進(jìn)行研究。

2.1多飛行器協(xié)同任務(wù)分配算法

多飛行器目標(biāo)分配的合理可行是多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)的一個(gè)重要方面。多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)是對多目標(biāo)進(jìn)行攻擊時(shí)，要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對跟蹤空域中的目標(biāo)進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)群殺傷概率最大并避免重復(fù)攻擊與遺漏。

基于上述問題，根據(jù)多飛行器協(xié)同目標(biāo)分配問題的特點(diǎn)，本文提出了一種基于混合優(yōu)化算法的多飛行器協(xié)同目標(biāo)分配方法?；旌蟽?yōu)化算法包括離散粒子群算法[9]與改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。離散粒子群算法用于多飛行器協(xié)同目標(biāo)分配方案的制定；為了保證分配算法的實(shí)時(shí)性及可用性，采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法粗略優(yōu)化計(jì)算每架飛行器到每個(gè)目標(biāo)的路徑，在保證命中目標(biāo)的情況下，得到燃料消耗量與飛行時(shí)間，這2個(gè)參數(shù)歸一化后，乘以權(quán)值作為粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù)的一部分。顯見，這樣就保證了與隨后的路徑規(guī)劃吻合。

(1) 問題的提出

設(shè)戰(zhàn)場中有m架我方飛行器，在飛行環(huán)境(數(shù)字地形、隨機(jī)風(fēng)場模型、禁飛區(qū)、靜態(tài)/動(dòng)態(tài)威脅區(qū))中攻擊n個(gè)(靜態(tài)/動(dòng)態(tài))敵方目標(biāo)。則目標(biāo)分配問題可描述為：在每條航跡規(guī)劃之前為每架飛行器確定攻擊目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整體作戰(zhàn)效能最大，作戰(zhàn)代價(jià)最小。

具體來說：已知n個(gè)敵方目標(biāo)與m架我方飛行器，目的是求出分配矩陣：

(8)

則目標(biāo)分配問題可描述為

(9)

式中：第1個(gè)約束條件表示1架飛行器只能攻擊1個(gè)目標(biāo)；第2個(gè)約束條件表示目標(biāo)j最多只能被我方Tj架飛行器攻擊；Xij為決策變量，其在{0,1}之中取值，1表示第i架飛行器被分配給第j個(gè)目標(biāo)。如圖1所示。

圖1　多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)想定Fig.1　Scenario of cooperative operation for　　　 multiple flight vehicles

(2) 適應(yīng)度函數(shù)

多飛行器協(xié)同目標(biāo)分配是以整體作戰(zhàn)效能最優(yōu)為目標(biāo)的，而飛行器的燃料消耗程度，飛行時(shí)間的長度，目標(biāo)的價(jià)值收益是評價(jià)作戰(zhàn)效能的主要指標(biāo)[10-11]。因此，衡量多飛行器協(xié)同目標(biāo)方案優(yōu)劣的適應(yīng)度函數(shù)主要包括以下4方面：

1) 飛行器燃料消耗程度

飛行器燃料消耗程度是指各飛行器在安全航路飛行，命中目標(biāo)的前提下，通過最小化飛行器攻擊目標(biāo)的燃料消耗量引導(dǎo)目標(biāo)分配向著減少飛行器燃料消耗程度的方向進(jìn)行。該指標(biāo)是通過改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法計(jì)算飛行器航跡規(guī)劃得到的。設(shè)第i架我方飛行器攻擊目標(biāo)j所用的燃料消耗量為mij。

2) 飛行器飛行時(shí)間長度

飛行器飛行時(shí)間長度是指各飛行器在安全航路飛行，命中目標(biāo)的前提下，通過最小化飛行器攻擊目標(biāo)的飛行時(shí)間引導(dǎo)目標(biāo)分配向著減少飛行器飛行時(shí)間的方向進(jìn)行。該指標(biāo)是通過改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法計(jì)算飛行器航跡規(guī)劃得到的。設(shè)第i架我方飛行器攻擊目標(biāo)j所用的飛行時(shí)間為tij。

3) 目標(biāo)的價(jià)值收益

目標(biāo)價(jià)值收益最大指標(biāo)通過對飛行器執(zhí)行任務(wù)時(shí)所獲取的目標(biāo)價(jià)值的評估，來引導(dǎo)目標(biāo)分配的優(yōu)化和決策向著使作戰(zhàn)效能最大化的方向進(jìn)行。該指標(biāo)使飛行器趨向于攻擊高價(jià)值目標(biāo)。綜合考慮目標(biāo)的價(jià)值、殺傷概率，則第i架我方飛行器攻擊目標(biāo)j時(shí)，收益為Vij。

4) 飛行器使用均衡度

飛行器使用均衡度C表示各飛行器利用率的均衡程度，定義為：

假設(shè)m架飛行器攻擊n個(gè)目標(biāo)，則

(10)

根據(jù)飛行器的燃料消耗程度最小化指標(biāo)，飛行時(shí)間的長度最小化指標(biāo)，目標(biāo)價(jià)值收益最大化指標(biāo)，最小化飛行器使用均衡度，多飛行器協(xié)同目標(biāo)分配的適應(yīng)度函數(shù)為

(11)

2.2飛行器最優(yōu)航跡規(guī)劃

依據(jù)戰(zhàn)場的態(tài)勢感知(包括飛行任務(wù)，地形、威脅區(qū)、天氣狀況)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中目標(biāo)分配，能夠?qū)崟r(shí)在線地設(shè)計(jì)出最優(yōu)飛行軌跡[12]，是飛行器飛行航跡規(guī)劃的重要任務(wù)。

(1) 問題描述

飛行器從起點(diǎn)S飛行至目標(biāo)點(diǎn)F點(diǎn)規(guī)劃空間內(nèi)環(huán)境如圖2所示。

1) 敵方在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)事先設(shè)置的防空導(dǎo)彈防御區(qū)(飛行禁區(qū))；

2) 敵方對全部作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行雷達(dá)監(jiān)測；

3) 作戰(zhàn)區(qū)域存在隨機(jī)風(fēng)場。

針對上述地形環(huán)境的描述，飛行器從起點(diǎn)S飛行至目標(biāo)點(diǎn)F點(diǎn)并準(zhǔn)確命中目標(biāo)，得到最優(yōu)的可靠的飛行軌跡。

圖2　飛行環(huán)境示意圖Fig.2　Flight environment

(2) 飛行器航跡規(guī)劃算法

采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與共軛梯度法組合算法，即采用該組合算法對長航程的飛行任務(wù)作高精度的軌跡規(guī)劃。在規(guī)劃空間上首先利用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法作為第一階段尋求滿足一定要求的次優(yōu)解。然后利用共軛梯度法用來解決兩點(diǎn)邊值問題，通過第N次計(jì)算，N段的最優(yōu)飛行軌道可以獲得。整個(gè)的最優(yōu)飛行軌道包括4-D最優(yōu)飛行軌道(t,x,y,z,vx,vy,vz)*，控制變量U*及飛行器剩余的質(zhì)量mf。該組合優(yōu)化算法對飛行器軌跡優(yōu)化是全局最優(yōu)的。

3多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化飛行數(shù)值仿真

根據(jù)對抗飛行器的飛行環(huán)境與飛行目的不同組合分為3種不同情況，應(yīng)用多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)值算法，對該3種情況進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

3.1多目標(biāo)作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化

(1) 問題描述

多目標(biāo)作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化是指在規(guī)劃空間內(nèi)，一組攔截型飛行器捕獲另外一組目標(biāo)飛行器，該組目標(biāo)飛行器作隨機(jī)無規(guī)則的機(jī)動(dòng)飛行。隨機(jī)無規(guī)則機(jī)動(dòng)飛行主要是指目標(biāo)作sin型機(jī)動(dòng)，U型機(jī)動(dòng)，螺旋型機(jī)動(dòng)，無機(jī)動(dòng)飛行等機(jī)動(dòng)飛行。多目標(biāo)作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化性能指標(biāo)是指通過多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)值算法，攔截型飛行器捕獲全部作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的多目標(biāo)。即：攔截型飛行器成功攔截相對應(yīng)的目標(biāo)飛行器。

ri(tif)≤di,min,i=1,2,…,kmax，

(12)

式中：ri(tif)為第i架攔截型飛行器在最后的飛行時(shí)間脫靶量；di,min為第i架攔截型飛行器允許脫靶量；kmax為攔截型飛行器最大的數(shù)量。

(2) 數(shù)值仿真

對4架攻擊型飛行器(飛行器)協(xié)同捕獲4架作不同無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的目標(biāo)型飛行器(目標(biāo))進(jìn)行飛行仿真。目標(biāo)與飛行器的飛行速度均為300 m/s。

應(yīng)用本文所述的多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法，多目標(biāo)作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化的數(shù)值仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　飛行器最優(yōu)飛行軌跡Fig.3　Optimal flight trajectories of flight vehicles

3.2多飛行器協(xié)同突防威脅區(qū)的軌跡優(yōu)化

(1) 問題描述

多飛行器協(xié)同突防威脅區(qū)的軌跡優(yōu)化是指在規(guī)劃空間內(nèi)隨地理經(jīng)緯度錯(cuò)綜復(fù)雜任意分布一些(靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的)威脅區(qū)與目標(biāo)點(diǎn)，飛行器需要協(xié)同突防威脅區(qū)，使飛行器所受的總威脅(威脅度隨飛行時(shí)間積分)最小，并經(jīng)過必須要路過的全部目標(biāo)點(diǎn)。即：

(13)

式中：CN為第i架飛行器在威脅區(qū)內(nèi)所受的威脅系數(shù)；Ps為第i架飛行器是否路過目標(biāo)點(diǎn)。

(2) 數(shù)值仿真

5架突防型飛行器協(xié)同突防隨地理經(jīng)緯度的任意(錯(cuò)綜復(fù)雜)分布的威脅區(qū)，并路過3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。最后到達(dá)指定點(diǎn)(15 000，35， 0)km處。多飛行器協(xié)同突防威脅區(qū)的軌跡優(yōu)化數(shù)值仿真如圖4所示。

3.3攻防雙方對抗飛行的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化

(1) 問題描述

攻防雙方對抗飛行的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化是指進(jìn)攻方與攔截方從各自的角度出發(fā)，應(yīng)用先進(jìn)的突防與攔截技術(shù)，在戰(zhàn)場對抗中使已方獲得最大的利益。

在上2節(jié)中，對攔截與突防的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化主要是研究各自飛行器間的協(xié)同技術(shù)，而沒有考慮對方對抗的因素，這顯然很不符合現(xiàn)代真實(shí)的戰(zhàn)爭。在本節(jié)的數(shù)值仿真中，不僅考慮了各自飛行器間的協(xié)同技術(shù)，而且同時(shí)考慮了攔截與突防。即一組飛行器作突防機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，另一組飛行器需要捕獲該組全部的目標(biāo)飛行器。在攻防雙方對抗飛行數(shù)值仿真中，不僅需要考慮目標(biāo)飛行器突防機(jī)動(dòng)飛行，而且需要考慮威脅區(qū)與目標(biāo)點(diǎn)隨地理經(jīng)緯度的分布。

在攻防雙方對抗飛行數(shù)值仿真中，就性能指標(biāo)而言， 進(jìn)攻方在突防中，希望全部的突防飛行器不被攔截，即

ri(tif)>di,min,i=1,2,…,kmax.

(14)

而對于防守方來說，希望能夠?qū)θ康耐环里w行器進(jìn)行有效的攔截，也即

ri(tif)

(15)

(2) 數(shù)值仿真

攻防雙方對抗飛行的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化數(shù)值仿真是指：對于突防方來說，3架突防飛行器需要協(xié)同突防隨地理經(jīng)緯度分布的威脅區(qū)并躲避3架攔截飛行器的攔截，最后命中各自的相應(yīng)地面目標(biāo)點(diǎn)；而對于攔截方來說，攔截飛行器利用隨地理經(jīng)緯度分布的威脅區(qū)以及自身飛行器的機(jī)動(dòng)性能需要成功攔截全部突防飛行器。攻防雙方對抗飛行的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化數(shù)值仿真如圖5所示。

圖4　多飛行器協(xié)同突防威脅區(qū)的軌跡優(yōu)化Fig.4　Trajectory optimization of cooperative penetration threaten for multiple flight vehicles

圖5　攻防雙方對抗飛行的多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化Fig.5　Trajectory optimization of attack and defense both sides against flight for multiple flight vehicles

3.4分析

多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化根據(jù)對抗飛行器的飛行環(huán)境與飛行目的不同組合，進(jìn)行了3種典型的對抗飛行仿真。仿真結(jié)果表明，多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)值算法對多飛行器協(xié)同軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的工程運(yùn)用價(jià)值。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)只考慮被捕獲目標(biāo)群體均作無規(guī)則隨機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，捕獲飛行器群體也可以在較短時(shí)間內(nèi)捕獲其鎖定的機(jī)動(dòng)(飛行器)目標(biāo)。

(2)當(dāng)在威脅區(qū)隨地理經(jīng)緯度的任意分布區(qū)域內(nèi)捕獲一些非對抗機(jī)動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，捕獲目標(biāo)飛行器群體可以在較短時(shí)間內(nèi)捕獲多目標(biāo)。其中，靜態(tài)威脅區(qū)包含了各種攔截彈的射前可攻擊區(qū)信息。

(3)當(dāng)被捕獲目標(biāo)群體均作對抗機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，捕獲目標(biāo)飛行器則難以在較短時(shí)間內(nèi)捕獲其對抗機(jī)動(dòng)飛行器目標(biāo)。其中，在突防與攔截飛行對抗中，動(dòng)態(tài)威脅區(qū)包含了射后動(dòng)態(tài)可攻擊區(qū)的信息。

值得指出的是：在研究多飛行器攻防對抗時(shí)，多飛行器攻防對抗的雙方均同時(shí)采用全局一體化優(yōu)化，即當(dāng)進(jìn)攻突防方采用(軌跡與各子系統(tǒng)控制)全局一體化最優(yōu)策略時(shí)，對抗攔截方也是采用考慮全局的軌跡與控制的全局一體化優(yōu)化；另外，攻防對抗雙方均需考慮各種多維未知的隨機(jī)干擾因素。

4結(jié)束語

本文給出的多飛行器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)值算法通過飛行數(shù)值仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明對多飛行器協(xié)同與(或)對抗的軌跡一體化優(yōu)化是實(shí)用的，是合符數(shù)學(xué)、物理邏輯的。

隨著未來戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜和防御體系的不斷完善，多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)研究工作將面臨前所未有的技術(shù)困難和挑戰(zhàn)。在未來體系對抗作戰(zhàn)環(huán)境下，只有將戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、作戰(zhàn)保障系統(tǒng)與任務(wù)規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合，才能保證所需要的作戰(zhàn)效能。飛行器能夠根據(jù)情況變化，自主地進(jìn)行作戰(zhàn)方案的調(diào)整或重規(guī)劃，減少人工參與或降低對其他系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)鏈)的依賴程度，采用智能化、信息化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛行器自主搜索、自主目標(biāo)識別、自主目標(biāo)分配及自主毀傷評估的多飛行器自主作戰(zhàn)能力是多飛行器協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金星,伶明安.空空協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)[J].火力與指揮控制,2001,26(4):43-46.

LIU Jin-xing, TONG Ming-an. Cooperative Command System in Air Combat[J].Fire Control & Command Control，2001,26(4):43-46.

[2]李全良.新世紀(jì)的空空導(dǎo)彈[J].中國航天,2001,15(12):30-34.

LI Quan-liang. Air-to-Air Missile of New World[J]. Aerospace China，2001,15(12):30-34.

[3]歐方社.防區(qū)外發(fā)射武器的發(fā)展[J].中國航天，1997,11(4):26-30.

OU Fang-she. The Development of Outside Defense-area Weapon[J]. Aerospace China，1997,11(4):26-30.

[4]孫繼銀，付光遠(yuǎn)，車曉春，等．戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007.

SUN Ji-yin, FU Guang-yuan, CHE Xiao-chun, et al. The Technique of Tactical Data Link System[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2007.

[5]林濤，劉永才，關(guān)成啟，等．飛航導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)使用方法探討[J]．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2005,25(2) ：14-16.

LIN Tao, LIU Yong-cai, GUAN Cheng-qi, et al. An Investigation into the Methods of Cooperative Engagement for Aerodynamic Missile[J]. Tactical Missile Technology, 2005，25(2) ：14-16.

[6]肖增博，雷虎民，夏訓(xùn)輝．多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)研究與展望[J]. 飛航導(dǎo)彈，2008，38(6)：24-26．

XIAO Zeng-bo, LEI Hu-min, XIA Xun-hui. Study and Prospect of the Key Technology for Multi-Missile Cooperative operation [J]. Maneuverable Missile，2008，38(6)：24-26．

[7]張賢椿.基于作戰(zhàn)任務(wù)的多平臺(tái)協(xié)同組合方案求取方法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012，12(3)：57-61.

ZHANG Xian-chun. Calculating Method for Multi-Platform Cooperative Combination Scheme Based on Operational Mission[J].Command Information System and Technology, 2012，12(3)：57-61.

[8]王本勝，王濤.基于任務(wù)-能力匹配的聯(lián)合作戰(zhàn)需求建模[J]. 指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2(3)：5-9.

WANG Ben-sheng, WANG tao. Modeling for Joint Operating Requirements Based on Task-Capability Matching[J].Command Information System and Technology, 2011，2(3)：5-9.

[9]KENNEDY J, EBERHART R C, SHI Y. Swarm Intelligence[M]. San Francisco: Morgan Kaufman Publishers, 2001.

[10]BETHKE B, VALENTI M, HOW J P. UAV Task Assignment Robotics & Automation Magazine[J]. IEEE,2008,15(1):39-44.

[11]PENG Jian-liang, SUN Xin-xin, ZHU Fan. Multi UAVs Cooperative Task Assignment Using Multi Agent[C]∥Control and Decision Conference，Yantai, IEEE,2008, 4517-4520.

[12]陳志全,李忠應(yīng)，關(guān)世義.巡航導(dǎo)彈航跡規(guī)劃綜述[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),1994,15(3):29-32.

CHEN Zhi-quan, LI Zhong-ying, GUAN Shi-yi. Introduction of Cruise Missile Route Planning[J]. Tactical Missile Technology, 1994， 15 (3) : 29-32.

Optimal Design of Cooperative Trajectories for Multiple Flight Vehicles

HUANG Guo-qiang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,Jiangsu Nanjing 210017,China)

Abstract:The optimization design of cooperative trajectories for multiple flight vehicles is studied to solve complicated multi-objective optimization and decision-making of cooperative trajectories for multiple flight vehicles. Firstly, the problem is described as mathematical description regarding on the optimization design of cooperative trajectories for multiple flight vehicles, and the mathematical models of trajectory planning are presented for multiple flight vehicles in unknown environment. Furthermore, the numerical algorithms of collaborative mission planning system design for multiple flight vehicles have been proposed. This algorithm mainly includes cooperative targets distribution method for multiple flight vehicles and the trajectory optimal planning for flight vehicle. At the last, based on the above algorithms, numerical of three typical different kinds of cases are simulated and analyzed. The characteristics of the algorithm include a global integrated optimization, using optimal multi-dimensional strategy, real time online, high precision, being able to consider a variety of random interferences.

Key words:multiple flight vehicles;cooperative; trajectory;cooperative targets distribution method;flight vehicle planning

中圖分類號：V27；N945.15；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0160-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.027

通信地址：210007江蘇南京后標(biāo)營路99號中國電子科技集團(tuán)公司第28研究所5部E-mail：ziteng_huang@126.com

作者簡介：黃國強(qiáng)(1981-)，男，江西南昌人。工程師，博士，主要研究方向?yàn)檩o助決策技術(shù)。

收稿日期：2014-02-05；
修回日期：2014-04-16