无人机初始侦察航迹规划空间建模方法研究

张红顺 谷 峰

（中国人民解放军空军航空大学，吉林 长春130022）

0 引言

数次局部战争实践证明，当前战场环境愈加复杂，空中防御体系能将一系列威胁在无人机上形成叠加，使得威胁范围和强度大大增加。为提高生存率，无人机航迹规划需远离威胁区域以规避威胁。另一方面，限于机载侦察设备性能，为使侦察图像达到判读需求，就要求无人机与待侦察目标之间的距离在一定的范围内，超出此距离将导致图像质量明显下降。

针对无人侦察机航迹规划来说，大多数文献设定无人机执行侦察任务过程中不存在威胁，仅讨论侦察任务的执行，如文献[1]研究了三种不同类型侦察区域内的搜索问题，文献[2-3]在算法上对无人机侦察航迹规划进行了研究，文献[4]讨论了高空无人侦察机侦察设备与航迹规划之间的量化关系，没有考虑地面威胁。文献[5]将无人侦察机所面临的威胁源进行了统一建模，但将威胁区域视为不可穿越区域。通过大量仿真实验发现，将火力威胁视为不可穿越威胁将导致无人机侦察任务质量无法达到要求。本文将探测威胁转化为一定区域内的等效火力威胁，根据火力毁伤概率引入可穿越系数来，通过设定可穿越系数阈值来评价火力威胁对航迹的影响。

1 无人侦察机规划空间建模问题分析

无人机在执行作战任务过程中主要面临雷达探测威胁和火力威胁。探测威胁主要有地面预警雷达、空中警戒雷达等，火力威胁主要有高炮、地空导弹等。火力威胁往往是在探测威胁之后发生作用，因此应尽量降低无人机被发现概率。威胁信息可以根据势场理论进行较精确的量化转换，或从几何特征进行近似等效。

完全火力威胁仿真分析需要占用大量时间和空间资源，且有些参数对特定任务的影响不是很大。故可以采用简化方法，依据具体任务特性对威胁突防模型进行简化，以提高航迹规划速度。大量研究和实践证明这是可行的且有效的。本文设定无人机飞行高度大于5000米，故只考虑雷达探测威胁与地空导弹火力威胁。下面依据侦察任务特性，对无人机执行侦察任务过程中的威胁环境进行建模。

2 威胁空间建模

2.1 雷达探测威胁空间构建

根据雷达探测原理，其能量损耗应与电磁波单向传播距离的四次方成反比。一般情况下，设定雷达散射截面RCS为固定值，根据文献[6]有：

上式中Kr为常数。

雷达威胁如图1所示，通常天线无法360度扫描，扫描范围为扇形，未能覆盖的角度范围θr～（360°-θr），即无法形成全方位探测，则对无人机探测概率PR（dR）可表示为：

dR：无人机距雷达距离；

hR：无人机相对于雷达的高度；

dRmax：雷达探测区域的最大半径。

图1 雷达威胁示意图

2.2 地空导弹威胁空间构建

地空导弹武器系统的杀伤区可近似于腰鼓型，水平截面为圆周。杀伤区大小与地空导弹的反应时间、导弹飞行速度、搜索雷达与活力单元的距离及导弹齐射数量等诸多因素有关。在规划中，可以选取典型防空导弹的技术参数，计算杀伤区的主要特征数据，确定其杀伤范围和杀伤概率，从而对杀伤区进行规避。在杀伤区内，导弹杀伤目标的概率不低于某一定值，如0.8，本文设定为1，即完全杀伤。对于不在杀伤区域内，导弹杀伤概率主要与两者距离有关。

图2 防空导弹垂直平面杀伤图

垂直平面杀伤区的主要参数如图2所示：

AB：杀伤区高界；

hMmax：杀伤目标的最大高度；

DC：杀伤区低界；

hMmin：杀伤目标的最小高度；

BC：杀伤区远界；

dMmax：杀伤区远界的斜距；

AED：杀伤区近界；

dMmin：杀伤区近界的斜距；

ξmax：最大高低角。

根据雷达探测概率，可得无人机在进入杀伤近界前，基本已被击落，故无人机被导弹命中概率pM(dM)可简化为：

3 威胁空间转化与构造

从广义上讲，可将除地形威胁和禁飞区等不具有攻击性的固定威胁之外所有影响航路的威胁都泛称为“火力威胁”。在实际战场环境中都存在火力威胁等级、毁伤概率和威胁作用范围不同的现象，它们对航迹规划结果均有一定影响。对于中远程雷达等探测威胁，其作用范围与无人机被发现概率等因素有关，虽然探测威胁不能自接产生杀伤效果，但其阵地周围必定配置有一定数量的防空武器，如果其防空武器部署情况不明，从进行航迹规避的角度出发，也需按一定区域的等效火力威胁考虑[7]。

将雷达探测威胁转化为火力威胁，有式：

式中，k为转化系数。

故可以把规划空间分为四部分：无威胁区域DN、雷达威胁区域DR、地空导弹威胁区域DM、雷达和地空导弹威胁叠加区域DR+M。设毁伤概率等级为P，根据式(2)(3)(4)有：

根据式(5)，引入可穿越系数Ccross（the coefficient of cross）评价威胁对航迹的影响，对可穿越系数有如下定义：设定可穿越系数阈值Ctchro

ss，定义如下式：

将可穿越系数融入数字地图，构成搜索空间栅格数据。Ctchross的大小由任务特性和无人机性能决定。

4 结束语

本文针对中高空无人机侦察任务特性，将雷达探测威胁和地空导弹威胁分开建模，通过公式将雷达探测威胁转化为火力威胁。根据发现不一定毁伤的原理，将火力威胁视为一定程度上的可穿越区域，引入可穿越系数及可穿越阈值进行量化，符合侦察任务实际。

［1］李子文，夏浩.无人侦察机路径规划方法研究[J].系统仿真学报，2008,20:490-494.

［2］杨遵，雷虎民.采用粒子群优化算法规划无人机侦察航路[J].电光与控制，2007,14（2）：4-7.

［3］王金泉，高晓光，史建国,等.无人机的侦察路径规划[J].火力与指挥控制，2008,33（7）：16-18.

［4］林伟廷.高空长航时无人侦察机任务规划问题研究[D].长沙：国防科学技术大学，2007：41-43.

［5］丁吉，樊琼剑，任博.未知环境中的无人侦察机动态航路规划[J].四川兵工学报，2012,33（5）：28-31.

［6］胡中华.基于智能优化算法的无人机航迹规划若干关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2011:23-24.

［7］鲁艺，周德云.无人机初始路径规划空间建模方法研究[J].系统仿真学报，2007,19（3）：491-493.