分散式思想在多舰载机协同航迹规划中的应用

胡樱芝等

摘 要：舰载机的航迹规划对发挥舰载机作战效能起着至关重要的作用。多舰载机协同攻击是舰载机作战过程的一个基本方式，文章通过分散式思想对多舰载机协同攻击航迹规划问题进行探讨，是未来多舰载机协同攻击航迹规划的一种思路。

关键词：舰载机；协同攻击；分散式思想；航迹规划

在未来海上作战中，随着海上作战环境的日益复杂，作战任务的日益多样，单架舰载机一般很难实现预定的作战任务，多舰载机协同配合是舰载机执行任务的基本方式，多架飞机配合完成作战任务的过程的航迹规划要求能最大限度的利用地形信息和敌情信息，综合考虑舰载机本身的导航精度和机动能力的限制，在一定的时间限定内计算出从现在的位置到指定位置的最优或者次优的飞行轨迹，使单个舰载机或者多舰载机群整体作战效能最大、受到的威胁和损失最小。这种情况下，多舰载机系统的协同难度远大于单舰载机航迹规划，是舰载机团队完成作战任务的关键之一。文章讨论利用分散式思想对多架舰载机实施协同航迹规划，为多架舰载机协同飞行问题提供思路。

1 任务情景描述

在多舰载机协同飞跃障碍、实施探测、完成攻击的任务中，要求多架舰载机从不同方向同时到达或者按照预先指定的先后次序，依次从同一方向进入所关心的敌方军事目标。每架舰载机除自己进行航迹规划外，也作为团队的一分子实现整体的协同航迹规划。这个过程中单个舰载机航迹规划中除了最小的被探测概率、航时/航程限制、规避威胁和障碍物等目标外，还要满足整个舰载机飞行团队航迹规划目标，整个团队的航迹规划目标包括航程时间、最小的被探测概率、燃料最少、一定的分散性等。文章假定N架舰载机、M个目标点，舰载机位于不同的起始位置，需要经过变化的一个威胁场，有些威胁点的信息是已知的，有些威胁是未知的或者是变化的，对目标比如敌方航母实施攻击。此时，航迹规划相对于单舰载机航迹规划来说复杂得多。求解这一最优协同会聚航迹问题就是选择具有最小被探测概率的飞行航迹以及合适的飞行速度，使得系统总的目标函数值，即总的威胁代价最小：，还需要保证任务时间约束和航时/航程约束可以满足。这里？孜i表示舰载机航迹上若干途经点的x，y坐标；vi表示舰载机的飞行速度。

2 分散式思想的提出

这一优化问题可以通过一种集中的求解方式来解决，但集中解决航迹规划问题过程中存在的一些问题，首先这种解决思路需要大量的信息传递，每架飞机的运动状态、性能指标、所处的战场态势都需要传递给航迹规划中心，且通信过程中要求每架舰载机通信过程中链路隐蔽、准确、可靠，这点在快速多变战场态势中不容易实现，除此之外，集中解决航迹规划问题容易使这一优化问题变为一个大规模、高维的优化问题，计算量太大，不能满足实时性的要求，也不利于扩展态势。还有一点，集中解决航迹规划的思路容易导致系统不稳定，航迹规划中心一旦出现任何的问题，整个作战过程瞬间瘫痪。因此，一个较好的方法是采用分散式思想来处理这一优化问题。分解的目的是把大的优化问题分解为更小的更有可操作性的可直接优化的问题，分布计算，减小通信量，同时为保留各个舰载机航迹规划和其它任务的一定的独立性，综合考虑整体优化和局部自由。

3 分散式思想基本策略

分散式思想基本思路是从舰载机团队整体来看，分解首先需要定义和计算一个整个团队最大成功完成任务的预计到达时间ETA，一般把ETA作为整个团队航迹规划寻优的协同函数，通过协同函数传递各架飞机达到目标的时间范围。同时为每架舰载机定义一个协同变量（CV，coordination variables）和协同函数（CF，coordination functions），通过一个合适的机制使得协同时间的计算能够达到可接受的通信和计算水平，将多维甚至无限维空间中寻优问题的问题转变为有限维的问题。这种方式一般简称CV/CF方法。

多舰载机应用分散式思想协同路径规划具体实施过程中，通过不同的软件模块完成单机路径规划、协同规划、路径平滑三个功能，如图1所示，路径规划层中舰载机产生K条由一系列要求通过的航迹点组成的，能够安全穿过相应威胁场的对舰载机来说可能威胁或代价最小或次小的直线段相连的路径，这个过程相当于单舰载机航迹规划过程。这样就形成一个多个舰载机到达目标的时间集合St，对N架舰载机组成的团队，则有一个时间交集，这一时间交集就是预计到达时间ETA，将时间交集相应的子集或者元素作为每架舰载机之间交流的内容，称之为协同变量，通过它对所有的舰载机都限定相同的值，这样可以实现舰载机的协同。对每条航迹，其飞行时间不同代价也随着变化，代价可作为协同函数，它体现了协同变量的影响。这些工作在协同规划层完成。路径平滑层对协同规划层选出的路径进行平滑处理，满足舰载机相应的力学约束（如最小转弯半径、最大加速度等），使其成为可飞的航迹。这样就通过分解思想减小了通信量，实现了多舰载机任务实施过程中航迹整体优化、单舰载机局部自由的目的

图1 多舰载机应用分散式思想协同路径规划过程

4 结束语

文章应用分散式思想针对多架舰载机协同攻击目标的航迹规划问题进行了研究。讨论了多机协同问题的特点之后，提出一种分散式思想在问题解决中的基本策略，是多舰载机协同航迹规划思路的有益探索。

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作者简介：胡樱芝（1992，7-），女，河北保定市，学历：本科，研究方向：舰炮。