巡航導彈三維實時任務規劃需求和實現方法

劉維國

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

巡航導彈三維實時任務規劃需求和實現方法

劉維國

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

依據國外任務規劃研究現狀，結合未來作戰實際需求，開展巡航導彈三維實時任務規劃方法的研究。首先分析了任務規劃技術研究的現狀和存在的問題，其次給出實時任務規劃的關鍵技術及主要參數，最后提出了實時任務規劃的幾種需求實現方法和優化方法。

巡航導彈；三維；實時；任務規劃

0 引言

國外對任務規劃技術的研究已相當深入，部分任務規劃系統已經裝備部隊并經過實戰檢驗。相對于預先任務規劃，實時任務規劃是在作戰過程中進行，更強調在動態的不確定的戰場環境中的實時規劃能力。因此，實時規劃比預先規劃面臨更多和更大的挑戰，要求規劃算法具有較強的實時性。

傳統的航路規劃方法主要是基于給定的代價函數，利用優化算法生成一條具有最小代價的飛行航路。然而這樣得到的最小代價航路往往不能滿足實際要求。其原因主要在于：一是在實際航路規劃過程中，往往需要綜合考慮巡航導彈機動性能、地形高程、障礙、威脅以及飛行任務等多種因素，要建立一種能夠包含所有這些因素的代價函數是非常困難的；二是對航路的評價一般會隨具體的飛行任務而改變，因此預先確定的代價函數往往不能反映特定的任務要求；三是由于障礙、威脅等環境因素會隨時間發生變化，預先規劃好的最優航路在任務執行時可能因為環境的變化而不再適用；四是航路規劃算法都是把所有威脅點看成具有相同的威脅屬性，但是，戰場環境中威脅屬性會隨著巡航導彈所執行的任務不同而不同。因此，基于上述原因，研究實時任務規劃更接近實戰，更具有現實意義。

1 實時任務規劃要求及主要參數

1.1 巡航導彈實時任務規劃的要求

1)突防要求

在巡航導彈突防飛行中，主要威脅是敵方防御系統和撞地。為了使規劃的航路具備良好的突防性能，既要考慮減小撞地概率的地形回避，又要考慮較小被摧毀概率的威脅回避，確保導彈可以安全到達目的地，同時有效打擊目標。

2)導彈性能要求

航路規劃必須考慮導彈的燃料限制和航程約束。為了降低被敵方防御系統摧毀的概率，巡航導彈要做低空飛行。在攜帶燃料一定的情況下，這種飛行會導致巡航導彈航程損失。航路規劃還必須考慮巡航導彈機動性能的限制，以確保規劃航路的可飛性。

3)戰略和戰術要求

巡航導彈任務規劃既要避免來自己方的任何危險；又要考慮政策因素，禁止巡航導彈飛過某些特定地區(如劃定的禁飛區、中立區、人口稠密區等)。

4)協同性要求

在實際戰爭中，一般要求多彈從不同的航路飛行而同時攻擊一個或多個目標，或者多彈編組飛行實施攻擊。因此，導彈任務規劃系統不僅要保證單枚導彈具有較高的生存概率，沿飛行航路順利完成作戰任務，而且還必須確保整個系統具有較高的作戰效能。這就需要導彈之間相互協同配合。協同性是導彈任務規劃系統區別于其它規劃系統的主要特點，同時也意味著系統更加復雜，計算量更大。因此，協同任務規劃是導彈任務規劃系統研究中需要重點解決的問題之一。

1.2 巡航導彈實時任務規劃主要參數

1)離地高度

從飛行安全的方面考慮，導彈距離地面的高度必須在設置的離地高度之上。離地高度的數值可以使用固定值，也可以根據導彈所處實際環境的變化而動態調整。

2)最大橫向偏差

根據整體參考航線對安全走廊的定義，在導彈實時飛行過程中，各個航路節點與參考航線的偏差不應超過安全走廊的邊界范圍。

3)TF/TA率

調節TF(縱向機動)飛行與TA(橫向機動)飛行之間的加權值。通過調節TF/TA率，可以控制導彈是對地形威脅進行飛越還是從側面繞過。

4)法向加速度

從安全角度考慮，每次實時規劃應該在較大的規劃范圍內進行，而為了提高導彈的機動反應能力，又需要盡量縮短每次實時航路規劃的時間間隔，一般每隔幾秒就要刷新一次航路規劃結果。因此，實時航路規劃算法需要解決的重要問題是減少實時航路的解算周期。

2 實時任務規劃的需求實現方法

2.1 針對已知威脅和未知威脅的導彈在線任務再規劃方法

已知威脅是在規劃前就獲得了其位置、類型、強度、覆蓋范圍等方面的準確信息，而預先未知威脅只有當導彈飛到其附近時才能發現。它可以是地面反導裝置，也可以是另一枚飛行中的導彈。導彈裝有探測器，能實時探測到導彈附近一定范圍內的威脅信息，且導彈有一定的最低速度限制，不可能在空中停留。同時，當導彈遇到新的威脅時，應盡快逃離威脅區域。因此在上述具有預先未知威脅的環境中，若利用傳統的全局最優規劃方法，在每次探測到當前航跡中有新的威脅時都重新進行全局規劃，顯然無法滿足實時性要求。

針對已知威脅和未知威脅的導彈在線航路再規劃方法，其基本思想是先離線生成一條航路，導彈沿該航路飛行，在每次遇到新的威脅時在線局部更新航路。導彈沿著預先規劃的初始航路飛行，當到達一位置時導彈探測器或外界發現在前方的航路上出現了一預先未知的威脅，此時原有航路已不再是最優的，經過在線再規劃得到一條新的航路。該方法并不要求每次有新的信息都完整地重規劃航路，它保留了未受影響的正確的航路信息，通過局部的修正航路來獲得全局的最優航路，因此，可以大大減少計算量。

2.2 針對靜止目標的導彈在線任務規劃方法

針對靜止目標的導彈在線航路規劃方法是將航路規劃貫穿于整個飛行過程當中。每次根據導彈所處位置及環境信息規劃一段航路，然后飛行器沿著這段航路飛行，使導彈到達一個新的位置，這個新的位置與原來的位置相比可能更接近目標。在飛行過程中根據導彈所處的新的位置和當前條件來生成進一步接近目標的部分航路，經過多次循環后就可以達到目標。這樣生成的航路不是最優的，但可以滿足在線實時應用的要求，并保證導彈最終到達目標位置。

其基本思想是先根據當前條件和當前目標設計一個接近目標的部分解路徑，然后執行這個部分解，使系統到達一個新狀態，這個新狀態與原來的狀態相比更接近求解目標。在下一個規劃執行循環中根據新的當前條件和當前目標來生成進一步接近目標的部分解路徑，經過多次循環后就可以達到目標。但是，條件和目標在生成部分解之后、執行部分解之前仍然可能變化。所以，要使部分規劃方法真正可以解決動態開放環境問題，還得求助于自然的規律或假設：時間區間越小，在此區間內可能發生的變化也越少，即使有變化，其變化的幅度也會越小。這樣，問題就變為如何使規劃執行循環的時間區間減小到可以忽略環境的變化，或者即使不能忽略這些變化，但要從新的狀態到達目標也不會比從初始狀態到達目標多花費很多代價。對實時算法的要求之一就是用盡量少的時間完成任務，但這是所有算法追求的性能指標之一。真正對實時任務提出的要求是在規定的時間限度以內來完成一定的任務，通用實時算法中應該可以調整規劃執行循環的時間，從而可以適應不同的規劃環境要求。

2.3 針對運動目標的導彈任務規劃方法

巡航導彈的運動目標可能是運行中的海上或陸地移動目標，也可能是處于飛行中的敵方導彈。此時，如何快速有效地生成針對運動目標的飛行航路，是成功完成任務的前提條件之一。為了保證飛行器能夠有效截獲運動目標，必須滿足以下三個條件：一是目標運動速度小于導彈速度，否則，目標很容易逃過導彈的攔截；二是導彈可以實時獲得目標在每一時刻所處位置，這一信息可以通過偵察衛星、空中偵察飛機或者導彈自身探測裝置獲??；三是目標總處在導彈機動可到達的范圍之內。針對運動目標的導彈航路規劃方法不要求一次生成整條航路，每次只進行一次節點擴展，生成一段航路。然后，導彈沿所生成的航路段飛行，在飛行的同時又生成新的航路段。如此循環，直到導彈達到目標位置。

3 實時任務規劃的優化方法研究

實時動態規劃是一類多階段決策過程的最優化方法。實時動態規劃法是在存在多個空中封鎖和地面障礙等多約束的情況下，采用航路圖分類法進行航路規劃。導彈根據約束，在有限的探測和處理范圍內，根據不同的滾轉角度，得到下一時刻導彈可能到達的位置，并在新的飛行點上，計算再下一時刻的位置。由于實時動態規劃具有維數爆炸特性，如果在大范圍內進行動態搜索，計算機將無法處理大量的信息，因此，最好在一定范圍內搜索。但這又會導致得不到全局最優航路，顯然兩者必須權衡考慮。所以，要對規劃的方法采取一些改進措施，使其符合導彈航路規劃的快速性要求，盡可能避免維數爆炸的發生。

3.1 深度優先的搜索原則

在最優航路的搜索過程中，采用深度優先的搜索原則，即對每一個節點的擴展都進行到到達目標節點為止。這樣做的目的是首先確保搜索到一條可行的航路，一旦系統資源不能夠支持算法在規定的時間內收斂到最優解，則規劃程序仍可以規劃出一條可行的航路，只是該航路一般情況下不會是最優航路而已。

3.2 動態地改變搜索步長

在相同大小的規劃空間中進行規劃，步長越長，搜索算法收斂越快，但由于導彈的最大轉彎角等因素的限制，選擇大步長進行搜索，可能會使搜索程序陷入在目標點周圍盤繞或由于目標周圍空間狹小而無法接近目標點的狀態，更有可能因為大步長的粗略搜索而使得算法錯過了最優解；相比之下，選擇較小步長進行搜索，則放慢了搜索結果的收斂速度，增強了算法的搜索能力，可以避免上述無法接近目標的情況，而且選擇小步長相當于提高了系統的精度，這使得搜索得到的最優結果更接近于實際的最優航路。

因此，在實際應用中，可以采用變步長的技術，根據當前規劃程序所處的不同狀態，以及地形和威脅分布的稀疏程度，來動態地改變搜索步長。例如，當導彈的剩余航程較大時，采用大步長搜索，當導彈剩余航程較短時，為了節約航程而采用較短的步長搜索；在地形和威脅分布較為稀疏的地帶采用大步長快速搜索，在地形和威脅分布較為密集的地帶采用小步長搜索。

3.3 排除無關地形和威脅區

由于巡航導彈飛行距離和安全區等因素的限制，在所有的地形和威脅區中，可能有相當一部分距離可能的規劃區域較遠?？梢詫⑦@樣的威脅區當作與當前規劃任務無關而直接排除掉，實踐證明，采取這樣的處理辦法經?？梢缘玫胶芎玫男Ч?。不僅如此，還可以為每個地形和威脅區設置簡單的外切多邊形，在判斷某一直線航路與地形或威脅區是否相交時，首先判斷航路與該區域的外切多邊形是否相交，若不相交，則也將該區域視為與規劃任務無關而直接排除掉，從而壓縮了算法的搜索空間。

3.4 應用限制條件

在最優航路的搜索過程中，利用最大航程、最大轉彎角、最大爬升角和最大下滑角等導彈飛行性能上的限制條件來約束算法的搜索空間，一旦出現不滿足上述限制條件的情況，則立刻放棄對當前航路節點的繼續擴展，這樣能夠大大減小算法對時間和空間的浪費。

3.5 加入啟發信息

在航路搜索過程中加入啟發信息，能夠大大減少算法的時間和空間消耗。最簡單的辦法是，在初始點和目標點之間，人為地設置若干個必經航路點，將整條航路劃分為幾個相對較短的子航路段，各航路段在規劃時相對獨立，從而避免了維數爆炸的問題。

4 結束語

在實際應用中，一方面規劃環境是動態變化的，很難獲得全局環境的準確信息；另一方面由于任務的不確定性，導彈常常需要臨時執行一些緊急的飛行任務。在這些情況下，不可能預先在地面規劃出滿足要求的航路。本文的研究無論是對于環境區域變化不大時通過局部更新的方法進行航路的在線再規劃，還是對于環境的變化區域較大時進行在線實時航路規劃，都具有一定的參考價值?！鰠⒖嘉墨I：

[1] 葉文，等.無人飛行器任務規劃[M].北京：國防工業出版社，2011.

[2] 鄭昌文，等.飛行器航機規劃[M].北京：國防工業出版社，2008.

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[5] 唐金國.美軍任務規劃系統的現狀、發展和關鍵技術[J].軍事運籌和系統工程，2003(3).

The three-dimensional real-time mission planning requirements and implementation methods of cruise missile

Liu Weiguo

(Unit 91550 of PLA，Dalian 116023，Liaoning，China)

According to the mission planning research status abroad and combined with the future operational requirements, the three-dimensional real-time mission planning method research of cruise missile is developed. The mission planning technique research status and the existing problems are analyzed in the first. Then the key techniques and the main parameters of real-time mission planning are presented, and the implementation methods and the optimization methods of real-time mission planning requirements are proposed in the end.

cruise missile；three-dimensional；real-time；mission planning

2014-12-17

劉維國(1965-)，男，高工，博士，主要研究方向為飛行器試驗。

TN97；TJ761.6

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