无人机安全飞行区域确定方法研究

摘要：文章结合变权理论与马尔可夫模型，对无人机的安全飞行区域加以判断。通过前者调节威胁权值，得出综合威胁参数。借助后者预测可能会面对的威胁，综合二者，划分出安全的飞行区域。

关键词：无人区;安全飞行区域;威胁

引言：当前战场上，无人机是交战双方取得制空权的重要凭借。结合战时条件数据，确定可飞行区域是可以保证无人机高质量、安全完成下达任务的基础屏障。但在现代战场上，大量高新武器投入进来，导致总体环境更为复杂，使得无人机所需承受的威胁不稳定。因此，在确定可飞行区域时，应当采取综合性的威胁衡量手段，根据结果划分安全区域，以降低无人机作战的危险性，提升其作战效率。

一、无人机安全飞行区域确定方法研究现状

当下，对于安全区域的确定一般选择仿真实验与Graham算法等。前者是借助电磁场的仿真程序，确定输电线路附近电磁场的强度，由此得出无人机和电磁场之间应保持的距离参数，形成安全范围界线。后者是针对气象问题，飞行期间由于气象产生威胁安全的区域。但在开战过程中，对确定安全区域的及时性要求较高，所应对的环境形势更为复杂，導致安全区域和安全威胁之间的联系也相应复杂。普通确定方法不能适应战时需要，所以应选择综合性特征更加显著的方法加以确定。

二、无人机安全飞行区域的确定方法具体阐述

（一）权值确定方法

结合无人机战时条件下，面对的安全威胁权值，鉴于无人机工作期间本机状态不稳定，使得各类威胁对其本身造成的干扰权重随之不断变化。一般确定威胁的方式通常是把权值视为基础计算依据，但现实飞行状态下，此种计算威胁的方法存在漏洞。所以，考虑运用变权理论，优化确定权值的思路。计算的第一步是借助客观熵权法以及主管层次法，完成基本权值求解。第二步，应用下列公式，把二者的权值结合起来，统一计算，以形成综合权值。

式中，ω0j是指第j个指标，其原始权值;ω´j是指第j个指标，在主观层次模式下，得到的权值;ω"j是指第j个指标，在客观熵权法模式下，得到的权值;a代表主观影响因素;b是客观影响因素。结合理想解法，确定威胁因素对应优势度值，基于下列公式计算：

式中，Qj表示是第j个指标，其变权优势度;d-j是指第j个指标和最小理想值之间的差额;d+j则表示第j个指标和最大理想值之间的差额;λ是指调节因子。在计算飞行威胁期间，应科学确定λ的数值，让优势度始终满足现实需要，即d±j=d+j-d-j。而后结合变权理论，生成变权函数。具体如下：

式中，Q-是指奖惩下限;Q+是指奖惩上限;m代表指标维数;ω0j是指初始权值;δ（j）是指变权比重因子。按照高斯准则，科学调节变权比重，以确定变权函数在初始权值上的干扰深度。对应的高斯准则公式如下：

式中，δ（j）表示的是第j个指标对应变权比重因子。下一步应用系列公式，确定变权之后，所展示出的权值。

式中，ω（j）表示借助变权理论实现变权后，得到的权值[1]。

（二）威胁预测方法

因为无人机工作状态并不稳定，处于持续变化中，所以本机所处区域中，面临的威胁既有当下威胁值，又需注意预测由于无人机状态变化而出现的新威胁。在预测区域威胁上，选择马尔可夫模型。基于无人机工作区域模型，把无人机工作区域设置成栅格。倘若无人机当下正处于整个栅格的正中间，则会面对来自八处的威胁点。因为无人机在飞行期间发生的状态变化，呈现出明显的马尔可夫特点，也就是说当下状态转移几率只和其上一种状态有联系，模型等式如下所示：

式中，Sn是指无人机处于n时间点的某种状态; 是指处于n时间点，无人机由S状态调整至S´状态，选择π策略实施动作θ的几率，其中实施动作θ几率选择期望值E代表。借助马尔可夫的价值函数计算状态威胁，因为无人机在地图上某一点位时，其所遭受的威胁值，能通过威胁建模确定。无人机对应威胁函数Bellmen方程，如下公式所示：

式中，Vπ（S）代表无人机处于某种状态Sn状态下，采用π策略会遭受威胁值;Eπ代表无人机应用π策略，实际预期值;Rn+1代表无人机处于n+1时间点上，面对的威胁值;γ是指预测威胁的衰减因子，说明预测威胁期间折扣系数。此计算公式无人机在某种状态中威胁值等于当下威胁值和预测威胁值的总和。下一步则需构建动作威胁的预测函数，相应的Bellmen方程如下：

式中，π（θ|S）是指无人机处于S状态时，运用π策略开展动作θ的几率。因为是运用马尔可夫模型，所以此时选择策略开展几率仅和当下S状态有联系，继而借助预测函数Bellmen方程，能推导出预测算式：

式中，S´是指本机的状态变化。因为威胁预测值是根据π策略下的全部转移威胁值综合，结合以上两个公式，能确定无人机战时威胁预测值，具体如下：

运用此种预测方式，得出的威胁预测值，基于上述计算公式确定结果，而后把结果录入到评估方法上，完成威胁评估。

（三）安全区域确定

无人机的威胁评估录入是其当下计算出的威胁结果和预测结果，输出部分则是模糊集合，包括安全以及不同程度的威胁。基于经验值，得到云发生器对应超熵值、熵值与期望值，由此构成评估云模式。对于确定安全区域，先要基于威胁指标的分析结果，计算飞行区域中，无人机在各点位会面临的威胁，以确定当下承受的威胁值。下一步则凭借马尔可夫开展威胁预测，判断威胁的等级。而后借助云模糊评估手段，把上述获取到的结果加以整合，进一步得出精确威胁级别。而后结合无人机现实状况，设置安全阈值，由此划分出安全区域[2]。

结束语：

上文分析复杂作战环境中，无人机的可飞行区域确定问题。无人机面对的威胁权重会根据其自身状态而出现变化，因而选择变权理论计算威胁。同时考虑到飞行状态的不确定性，强调需实行威胁预测，综合评估无人机所处工作环境。基于此，今后研究可朝着协同作战的方向转变，以克服合作无人机之间互相干扰的现象。

参考文献：

[1]闫东，吴庆宪，袁梦顺，等.基于变权威胁评估的无人机安全飞行区域确定方法[J].中国科学：信息科学，2021，（04）：663-677.

[2]李春茹，吴庆宪.面向安全避障的无人机鲁棒跟踪飞行控制[J].工业控制计算机，2021，（02）：48-51.

作者简介：王凯;女;1983.07;汉;黑龙江;大学本科;讲师;高校学生认知心理学