巡航导弹三维实时任务规划需求和实现方法

刘维国

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

巡航导弹三维实时任务规划需求和实现方法

刘维国

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

依据国外任务规划研究现状，结合未来作战实际需求，开展巡航导弹三维实时任务规划方法的研究。首先分析了任务规划技术研究的现状和存在的问题，其次给出实时任务规划的关键技术及主要参数，最后提出了实时任务规划的几种需求实现方法和优化方法。

巡航导弹；三维；实时；任务规划

0 引言

国外对任务规划技术的研究已相当深入，部分任务规划系统已经装备部队并经过实战检验。相对于预先任务规划，实时任务规划是在作战过程中进行，更强调在动态的不确定的战场环境中的实时规划能力。因此，实时规划比预先规划面临更多和更大的挑战，要求规划算法具有较强的实时性。

传统的航路规划方法主要是基于给定的代价函数，利用优化算法生成一条具有最小代价的飞行航路。然而这样得到的最小代价航路往往不能满足实际要求。其原因主要在于：一是在实际航路规划过程中，往往需要综合考虑巡航导弹机动性能、地形高程、障碍、威胁以及飞行任务等多种因素，要建立一种能够包含所有这些因素的代价函数是非常困难的；二是对航路的评价一般会随具体的飞行任务而改变，因此预先确定的代价函数往往不能反映特定的任务要求；三是由于障碍、威胁等环境因素会随时间发生变化，预先规划好的最优航路在任务执行时可能因为环境的变化而不再适用；四是航路规划算法都是把所有威胁点看成具有相同的威胁属性，但是，战场环境中威胁属性会随着巡航导弹所执行的任务不同而不同。因此，基于上述原因，研究实时任务规划更接近实战，更具有现实意义。

1 实时任务规划要求及主要参数

1.1 巡航导弹实时任务规划的要求

1)突防要求

在巡航导弹突防飞行中，主要威胁是敌方防御系统和撞地。为了使规划的航路具备良好的突防性能，既要考虑减小撞地概率的地形回避，又要考虑较小被摧毁概率的威胁回避，确保导弹可以安全到达目的地，同时有效打击目标。

2)导弹性能要求

航路规划必须考虑导弹的燃料限制和航程约束。为了降低被敌方防御系统摧毁的概率，巡航导弹要做低空飞行。在携带燃料一定的情况下，这种飞行会导致巡航导弹航程损失。航路规划还必须考虑巡航导弹机动性能的限制，以确保规划航路的可飞性。

3)战略和战术要求

巡航导弹任务规划既要避免来自己方的任何危险；又要考虑政策因素，禁止巡航导弹飞过某些特定地区(如划定的禁飞区、中立区、人口稠密区等)。

4)协同性要求

在实际战争中，一般要求多弹从不同的航路飞行而同时攻击一个或多个目标，或者多弹编组飞行实施攻击。因此，导弹任务规划系统不仅要保证单枚导弹具有较高的生存概率，沿飞行航路顺利完成作战任务，而且还必须确保整个系统具有较高的作战效能。这就需要导弹之间相互协同配合。协同性是导弹任务规划系统区别于其它规划系统的主要特点，同时也意味着系统更加复杂，计算量更大。因此，协同任务规划是导弹任务规划系统研究中需要重点解决的问题之一。

1.2 巡航导弹实时任务规划主要参数

1)离地高度

从飞行安全的方面考虑，导弹距离地面的高度必须在设置的离地高度之上。离地高度的数值可以使用固定值，也可以根据导弹所处实际环境的变化而动态调整。

2)最大横向偏差

根据整体参考航线对安全走廊的定义，在导弹实时飞行过程中，各个航路节点与参考航线的偏差不应超过安全走廊的边界范围。

3)TF/TA率

调节TF(纵向机动)飞行与TA(横向机动)飞行之间的加权值。通过调节TF/TA率，可以控制导弹是对地形威胁进行飞越还是从侧面绕过。

4)法向加速度

从安全角度考虑，每次实时规划应该在较大的规划范围内进行，而为了提高导弹的机动反应能力，又需要尽量缩短每次实时航路规划的时间间隔，一般每隔几秒就要刷新一次航路规划结果。因此，实时航路规划算法需要解决的重要问题是减少实时航路的解算周期。

2 实时任务规划的需求实现方法

2.1 针对已知威胁和未知威胁的导弹在线任务再规划方法

已知威胁是在规划前就获得了其位置、类型、强度、覆盖范围等方面的准确信息，而预先未知威胁只有当导弹飞到其附近时才能发现。它可以是地面反导装置，也可以是另一枚飞行中的导弹。导弹装有探测器，能实时探测到导弹附近一定范围内的威胁信息，且导弹有一定的最低速度限制，不可能在空中停留。同时，当导弹遇到新的威胁时，应尽快逃离威胁区域。因此在上述具有预先未知威胁的环境中，若利用传统的全局最优规划方法，在每次探测到当前航迹中有新的威胁时都重新进行全局规划，显然无法满足实时性要求。

针对已知威胁和未知威胁的导弹在线航路再规划方法，其基本思想是先离线生成一条航路，导弹沿该航路飞行，在每次遇到新的威胁时在线局部更新航路。导弹沿着预先规划的初始航路飞行，当到达一位置时导弹探测器或外界发现在前方的航路上出现了一预先未知的威胁，此时原有航路已不再是最优的，经过在线再规划得到一条新的航路。该方法并不要求每次有新的信息都完整地重规划航路，它保留了未受影响的正确的航路信息，通过局部的修正航路来获得全局的最优航路，因此，可以大大减少计算量。

2.2 针对静止目标的导弹在线任务规划方法

针对静止目标的导弹在线航路规划方法是将航路规划贯穿于整个飞行过程当中。每次根据导弹所处位置及环境信息规划一段航路，然后飞行器沿着这段航路飞行，使导弹到达一个新的位置，这个新的位置与原来的位置相比可能更接近目标。在飞行过程中根据导弹所处的新的位置和当前条件来生成进一步接近目标的部分航路，经过多次循环后就可以达到目标。这样生成的航路不是最优的，但可以满足在线实时应用的要求，并保证导弹最终到达目标位置。

其基本思想是先根据当前条件和当前目标设计一个接近目标的部分解路径，然后执行这个部分解，使系统到达一个新状态，这个新状态与原来的状态相比更接近求解目标。在下一个规划执行循环中根据新的当前条件和当前目标来生成进一步接近目标的部分解路径，经过多次循环后就可以达到目标。但是，条件和目标在生成部分解之后、执行部分解之前仍然可能变化。所以，要使部分规划方法真正可以解决动态开放环境问题，还得求助于自然的规律或假设：时间区间越小，在此区间内可能发生的变化也越少，即使有变化，其变化的幅度也会越小。这样，问题就变为如何使规划执行循环的时间区间减小到可以忽略环境的变化，或者即使不能忽略这些变化，但要从新的状态到达目标也不会比从初始状态到达目标多花费很多代价。对实时算法的要求之一就是用尽量少的时间完成任务，但这是所有算法追求的性能指标之一。真正对实时任务提出的要求是在规定的时间限度以内来完成一定的任务，通用实时算法中应该可以调整规划执行循环的时间，从而可以适应不同的规划环境要求。

2.3 针对运动目标的导弹任务规划方法

巡航导弹的运动目标可能是运行中的海上或陆地移动目标，也可能是处于飞行中的敌方导弹。此时，如何快速有效地生成针对运动目标的飞行航路，是成功完成任务的前提条件之一。为了保证飞行器能够有效截获运动目标，必须满足以下三个条件：一是目标运动速度小于导弹速度，否则，目标很容易逃过导弹的拦截；二是导弹可以实时获得目标在每一时刻所处位置，这一信息可以通过侦察卫星、空中侦察飞机或者导弹自身探测装置获取；三是目标总处在导弹机动可到达的范围之内。针对运动目标的导弹航路规划方法不要求一次生成整条航路，每次只进行一次节点扩展，生成一段航路。然后，导弹沿所生成的航路段飞行，在飞行的同时又生成新的航路段。如此循环，直到导弹达到目标位置。

3 实时任务规划的优化方法研究

实时动态规划是一类多阶段决策过程的最优化方法。实时动态规划法是在存在多个空中封锁和地面障碍等多约束的情况下，采用航路图分类法进行航路规划。导弹根据约束，在有限的探测和处理范围内，根据不同的滚转角度，得到下一时刻导弹可能到达的位置，并在新的飞行点上，计算再下一时刻的位置。由于实时动态规划具有维数爆炸特性，如果在大范围内进行动态搜索，计算机将无法处理大量的信息，因此，最好在一定范围内搜索。但这又会导致得不到全局最优航路，显然两者必须权衡考虑。所以，要对规划的方法采取一些改进措施，使其符合导弹航路规划的快速性要求，尽可能避免维数爆炸的发生。

3.1 深度优先的搜索原则

在最优航路的搜索过程中，采用深度优先的搜索原则，即对每一个节点的扩展都进行到到达目标节点为止。这样做的目的是首先确保搜索到一条可行的航路，一旦系统资源不能够支持算法在规定的时间内收敛到最优解，则规划程序仍可以规划出一条可行的航路，只是该航路一般情况下不会是最优航路而已。

3.2 动态地改变搜索步长

在相同大小的规划空间中进行规划，步长越长，搜索算法收敛越快，但由于导弹的最大转弯角等因素的限制，选择大步长进行搜索，可能会使搜索程序陷入在目标点周围盘绕或由于目标周围空间狭小而无法接近目标点的状态，更有可能因为大步长的粗略搜索而使得算法错过了最优解；相比之下，选择较小步长进行搜索，则放慢了搜索结果的收敛速度，增强了算法的搜索能力，可以避免上述无法接近目标的情况，而且选择小步长相当于提高了系统的精度，这使得搜索得到的最优结果更接近于实际的最优航路。

因此，在实际应用中，可以采用变步长的技术，根据当前规划程序所处的不同状态，以及地形和威胁分布的稀疏程度，来动态地改变搜索步长。例如，当导弹的剩余航程较大时，采用大步长搜索，当导弹剩余航程较短时，为了节约航程而采用较短的步长搜索；在地形和威胁分布较为稀疏的地带采用大步长快速搜索，在地形和威胁分布较为密集的地带采用小步长搜索。

3.3 排除无关地形和威胁区

由于巡航导弹飞行距离和安全区等因素的限制，在所有的地形和威胁区中，可能有相当一部分距离可能的规划区域较远。可以将这样的威胁区当作与当前规划任务无关而直接排除掉，实践证明，采取这样的处理办法经常可以得到很好的效果。不仅如此，还可以为每个地形和威胁区设置简单的外切多边形，在判断某一直线航路与地形或威胁区是否相交时，首先判断航路与该区域的外切多边形是否相交，若不相交，则也将该区域视为与规划任务无关而直接排除掉，从而压缩了算法的搜索空间。

3.4 应用限制条件

在最优航路的搜索过程中，利用最大航程、最大转弯角、最大爬升角和最大下滑角等导弹飞行性能上的限制条件来约束算法的搜索空间，一旦出现不满足上述限制条件的情况，则立刻放弃对当前航路节点的继续扩展，这样能够大大减小算法对时间和空间的浪费。

3.5 加入启发信息

在航路搜索过程中加入启发信息，能够大大减少算法的时间和空间消耗。最简单的办法是，在初始点和目标点之间，人为地设置若干个必经航路点，将整条航路划分为几个相对较短的子航路段，各航路段在规划时相对独立，从而避免了维数爆炸的问题。

4 结束语

在实际应用中，一方面规划环境是动态变化的，很难获得全局环境的准确信息；另一方面由于任务的不确定性，导弹常常需要临时执行一些紧急的飞行任务。在这些情况下，不可能预先在地面规划出满足要求的航路。本文的研究无论是对于环境区域变化不大时通过局部更新的方法进行航路的在线再规划，还是对于环境的变化区域较大时进行在线实时航路规划，都具有一定的参考价值。■参考文献：

[1] 叶文，等.无人飞行器任务规划[M].北京：国防工业出版社，2011.

[2] 郑昌文，等.飞行器航机规划[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3] 胡海,刘翔.反舰导弹的任务规划系统分析[J].战术导弹技术，2001(6)：14-17.

[4] 江妙根.舰载导弹扩大扇面发射和航路规划[J].战术导弹技术，1999(4):16-21.

[5] 唐金国.美军任务规划系统的现状、发展和关键技术[J].军事运筹和系统工程，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

刘维国(1965-)，男，高工，博士，主要研究方向为飞行器试验。

TN97；TJ761.6

A