军用飞行器航迹规划综述

第16卷　第4期

　1998年12月飞　行　力　学FL IGH T D YNAM I CS V o l .16　N o .4D ec .1998　

1998209205收到初稿,1998209223收到修改稿。

军用飞行器航迹规划综述闵昌万　袁建平

(西北工业大学,西安,710072)

摘　要　介绍了军用飞行器航迹规划的基本概念、航迹规划与任务规划的关系、国内外研究现状、存在的问题。论述了航迹规划的基本要求,如导航要求、突防要求、飞行器性能要求及战略和战术要求。最后分析了航迹规划需要解决的威胁建模、航迹规划算法和轨迹跟踪控制等关键技术。

关键词　航迹规划　任务规划　轨迹跟踪控制

引言

航迹规划是指在特定约束条件下,寻找运动体从初始点到目标点满足某种性能指标最优的运动轨迹。它的研究对象包括飞行器、水面舰艇、地面车辆以及机器人。军用飞行器航迹规划是以实现地形跟随、地形回避和威胁回避飞行为目的的新一代低空突防技术,其目的就是要利用地形和敌情等信息,规划出生存概率最大的飞行器突防轨迹。在防空技术日益完善的现代战争中,航迹规划是提高飞行器的作战效能,实施远程精确打击的有效手段。

飞行器航迹规划的核心内容是选择满足一系列约束条件的最优航迹,从某种意义上讲,就是使明确的目标与各种限制函数相匹配的最优化问题。由于涉及约束较多,数学模型建立困难,这个问题的解决受到了技术上和实践上的种种限制。现有的系统在提高航迹规划的模型保真度、优化精度和执行效率方面还有许多工作要做。

1　国内外的研究现状

确切地说,航迹规划应是任务规划的一个部分,但在一些文献中两者被等同起来[1,2]。对军用飞行器而言,任务规划是指对实施任务所做的前期计划,其中包括飞行器初始位置的选取、攻击目标的确定、支援力量的配置、攻击路线的确定、武器的投放和发射地点的选择及攻击批次的确定等。航迹规划往往是指单一飞行器在初始位置和攻击目标及相应其它任务结点确定之后的航迹优化问题。

任务规划系统作为精确制导武器(P recise 2Gu ided W eapon )必不可少的支持工具,受

到了世界各国的重视。在这一领域,美国处于绝对领先地位。美国陆海空三军都装备有不同类型的任务规划系统[3],如空军的任务支援系统M SS +,海军的战术飞机任务规划系统TAM PS 等,其中M SS 系统曾在海湾战争中广泛使用,并取得了显著成效。美国研制的任务规划系统已发展到第三代,目前朝着提高效率和降低系统成本等方面继续发展。英国已研制成功Pathfinder 2000任务规划系统,最新的先进任务规划装置(A dvanced M issi on P lann ing A pp liance )的研制方案已提交给英国空军。AM PA 能在夜间和恶劣天气条件下支持鹞式及狂风等战机进行隐蔽攻击。法国目前正在进行M IPSY ,C I NNA ,C I RCE 2000三个系列任务规划系统的研制。航迹规划作为任务规划的主要功能之一,在任务规划系统中占有重要地位。但由于受到种种条件的限制,长期以来,航迹规划基本上还依赖规划人员的手工操作。

在80年代以前,人工进行航迹规划的缺陷还体现不出来。这是由于当时技术落后和整个防空体系的不完善,使得军用飞行器对航迹规划要求不高所决定的。随着防空技术的进步和防空体系日益完善,人工规划的粗糙航迹已难以达到突防目的。而另一方面,航迹规划人员可以获得的信息愈来愈多,如通过侦察卫星等手段可以得到敌方防空阵地的确切信息诸如位置、类型、火力圈范围等;通过数字地形图可以获得相关地区地形信息诸如高山、峡谷和平原等。为了最大限度减小突防飞行器被敌方雷达发现的概率,航迹规划必须为飞行器规划出超低空地形跟随 地形回避 威胁回避的飞行轨迹,同时满足飞行器自身性能等约束要求。由于其中涉及因素太多,各种因素之间需要进行仔细权衡,纯人工规划已无法处理。

80年代中后期以来,美国投入大量的人力物力进行自动航迹规划技术的研究,取得了一定成功,其中以系统控制技术公司(SCT )为空射巡航导弹(A ir 2L aunched C ru ise M issile )开发的自动航迹产生模块(A u tom atic Rou ting M odu le )和波音航空航天公司开发的基于人工智能(A I )的任务规划软件为代表,但这两个航迹规划系统在实际应用上还有许多不足。A RM 采用直观推断法,它的许多航迹产生规则与人工方法相似,计算量大,规划耗时太多是其主要缺陷。基于A I 的任务规划软件中知识的表达和抽象层的构造是一大难题。

90年代以来,NA SA 和美国军方联合开展了一项名为ANO E (A u tom ated N ap 2of 2the 2Earth )的研究计划,旨在辅助直升机驾驶员实施贴地(N ap 2of 2the 2Earth )飞行。从公开发表的文献[4～6]等来看,该计划主要是利用机载传感器获取环境信息结合导航系统数据,实时产生NO E 最优轨迹,并给出沿最优轨迹飞行的导引控制指令。ANO E 实际上研制的是一个实时航迹规划系统。

从国内发表的文献[2,7,8]等来看,国内基本还处于跟踪研究国外文献的水平,所研究的问题也只局限于航迹规划的某一方面,系统深入地进行航迹规划研究的文献未见报导。

2　航迹规划的基本要求

军用飞行器航迹规划要尽量提高飞行器的命中精度,又要尽量减少坠毁概率和被摧51　第4期闵昌万等.军用飞行器航迹规划综述

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毁概率,同时还要满足其它一些约束条件。这些因素之间往往相互耦合,改变其中一个,通常会引起其它因素的变化,因此航迹规划中要设法协调这些约束因素。明确这些因素在航迹规划中的作用及影响,对建立良好的航迹规划数学模型有重要意义。

211　导航要求

导航精度是航迹规划中必须考虑的因素。良好的导航定位能力是军用飞行器沿规划航迹飞行的基础。军用飞行器大都采用惯性导航系统(I N S),I N S需要辅以地形匹配制导系统(T ERCOM)和数字景象匹配制导系统(D S M A C)进行定期修正。T ERCOM区有着独特的地形特征要求,一般难以找到。另外导航系统还要求两个T ERCOM区之间的间隔保持在一定范围之内。当两个T ERCOM区之间距离相差太大时,由于I N S的误差影响,飞行器可能飞不到下一个T ERCOM区。确定T ERCOM区成了影响航迹规划速度的主要障碍。

为了提高航迹规划的效率和速度,可以用GPS来代替T ERCOM。GPS导航精度高而且稳定,I N S GPS组合导航能有效地抑制I N S的漂移误差,采用P码定位精度可以达到3m,这个精度与T ERCOM的定位精度在同一个数量级上。实践表明,采用GPS可以有效的提高航迹规划的速度。1991年美军航迹规划程序员在接到战斗指令后,用了大约22个小时才作好“战斧”导弹的任务规划。5年后,1996年9月4日凌晨1时,美军“拉塞尔”号驱逐舰在接到向伊拉克进攻的命令后,不到2h就发射了8枚GPS制导的“战斧”对陆攻击导弹。

但飞行器采用GPS后会产生两个问题,其一是受美国SA政策的影响,GPS的定位精度降低;其二是GPS信号会受到敌方的电磁干扰。对于第一个问题可以用提高系统完备性的方法予以解决,其中可行方案是采用GPS GLONA SS组合卫星导航系统。GLONA SS是俄罗斯的卫星导航系统,该系统卫星信号上没有施加SA干扰。GPS GLONA SS组合,在考虑美国SA影响的情况下,精度可达到7m。对于第二个问题,英国有关部门做过研究,但结果没有公布。可以认为对GPS信号的电磁干扰只会在某些区域起作用,在航迹规划处理中,可以当作一般的威胁区考虑。

212　突防要求

当敌方防御系统不能捕获和跟踪飞行器,或虽然捕获却来不及拦截时,就达到了突防目的。为了提高突防能力,除需在设计中使飞行器保持尽可能低的RCS外,更重要的是飞行器航迹本身具有良好的突防性能。在低空突防飞向目标过程中,对飞行器的主要威胁是敌方防御系统和碰地,这两种威胁是相互关联的,航迹规划需要在减少坠毁概率的高飞和减小被摧毁概率的低飞之间折衷。

213　飞行器性能要求

航迹规划必须考虑飞行器的燃料限制和射程约束。为了降低被敌方防御系统摧毁的概率,飞行器往往做T F TA TA飞行。在携带燃料一定的情况下,这种飞行会导致飞行器射程损失。航迹规划还要考虑飞行器机动性能的限制,确保规划航迹的可飞性。由于

飞行器的导航和控制系统均存在一定误差,规划航迹必须具备一定的鲁棒性,避免所谓

“风暴之眼”(Eye 2of 2Sto r m )飞行[9]。

214　战略和战术要求

到达时间限制:为了进行协同作战,飞行器往往需要在特定时间到达特定地点,实施如空中加油、空投物资和人员或编队飞行等任务。

禁飞区:根据国家政策或政治因素,禁止飞行器飞经诸如中立区、人口稠密区或划定禁飞区等区域。

3　航迹规划关键技术

航迹规划涉及飞行力学、自动控制、导航、雷达、火控、作战效能分析、人工智能、计算机和图像处理等多个学科和专业,是综合性的、难度较大的研究课题。一般来说,需要解决以下关键问题:

311　地形和敌情信息的获取与处理

航迹规划需要的信息中最为重要的是地形信息和敌情信息,它们直接决定了规划航迹的质量,这类信息一般通过卫星和情报手段获得。由于航迹规划大部分由计算机自动完成,因此获得的信息必须转化成计算机能够直接处理的知识表达,但情报信息本身所具有的模糊性造成这种处理工作难度很大。对于地形信息,需要建立数字地形数据库,如美国的D T ED (D igital T errain E levati on D ata )。航迹规划程序必须能对地形特征做出分析,确定地形的方差、均值、粗糙度、相关长度等地形统计量,根据这些值可以确定飞行器的可飞区域及飞行高度。从敌情信息中要分析出敌方防御系统的雷达探测区、火力杀伤范围和相应地形遮蔽区,并将之敷设到地形数据库中。

312　威胁突防模型

一个理论威胁突防模型由敷设在地形模型上的不同威胁模型、地形遮蔽算法和与RCS 数据有关的飞行器特征模型组成。这样的威胁突防模型可以在一个极端情况下进行仿真,在此仿真中,飞行器在模拟的探测、截获、传送给火控系统、武器发射、引信引爆、战斗部裂成碎片等模式的威胁情况下飞行。基于这些仿真,飞行器的突防概率可以针对每一飞行航迹予以计算。显然,这类突防分析需要雄厚的计算机资源,并需花较长时间才能完成。在另一个极端,这些模型可以由一个简单的威胁空间和一种评估算法组成。威胁空间的每一单元的单一杀伤数量是根据适当的威胁位置和假定的能力预先计算的,计算中还考虑了地形遮蔽和飞行器RCS 特性。模型的繁简直接决定航迹最优化精度和算法的速度。

313　航迹规划算法

由于飞行器面临的战场环境异常复杂辽阔;规划约束条件众多且模糊性大,各因素71　第4期闵昌万等.军用飞行器航迹规划综述

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之间存在强耦合;飞行器有独特的制导体制、突防要求和命中精度要求,航迹规划算法成为航迹规划中最具有挑战性的问题。航迹规划一般通过分层规划方法来简化问题[2,10],第一层次是满足导航要求的高级别符号航线规划问题,通过符号处理裁减下一层次的搜索空间;第二层次是两个任务结点间满足突防要求的小范围符号航线规划,进一步裁减下一层次的搜索空间;第三层次是满足物理性能要求的状态空间搜索,这基本上是一个高强度的计算过程。一般来说,搜索过程的计算复杂性随考虑的详细程度成指数上升。一般来说,利用分层规划方法得到的航迹一般不是全局最优航迹,但在实际应用中,能够将代价值降到可以接受的水平也是可行的。

目前文献[11,12]等中研究的航迹规划算法基本上属于上述第二和第三层次的规划方法。它们一般基于一定的假设来简化问题,特别是在威胁模型和飞行器性能约束的处理上过于简单,因而在实用上还有局限性。对于无人飞行器,航迹规划往往由地面规划程序员在飞行器起飞前做好,存储在机载计算机内。对于有人飞行器,往往需要进行实时航迹规划,这是因为有人飞行器比无人飞行器执行的任务要复杂得多。航迹规划的另一难点是进行自适应航迹规划[13]。自适应航迹规划可能是提高飞行器生存能力的重要方法,它包括飞行器在抵达目标途中接受和分析近实时的威胁数据,以至能改变预先规划的航迹,达到减少受机动威胁攻击的目的。飞行器自适应航迹修改需要得到实时信息,这种实时信息应该具有某种标准格式和协议。航迹规划算法中也应具备一定的标准模式,以便快速响应所输入的信息。整个自适应航迹规划程序应有一定的智能。

314　轨迹跟踪控制

轨迹跟踪控制是要控制飞行器沿规划航迹飞行。规划航迹往往比较曲折,飞行器偏航角变化较大,控制回路间会出现较大非线形耦合,控制参数需要随时进行调整。在此同时,飞行器轨迹跟踪控制又受到发动机推力调节和舵面偏转的限制,控制器容易出现饱和。受限制条件下的轨迹跟踪问题是目前控制论领域的研究热点,在文献[4,6,7, 14,15]等中已有讨论。

4　结束语

军用飞行器航迹规划技术是信息时代的产物,它可以大大提高飞行器的生存能力和任务的成功率,已成为巡航导弹等武器系统必不可少的组成部分。海湾战争以来,各军事强国争相开发研制以航迹规划为核心功能的任务规划系统,我国作为一个为世界和平承担义务的大国,在这一领域自然不能落后。从技术储备来看,我国在航迹规划方面进行整系统的初步开发研制完全是可行的。

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M in Changw an ,Yuan J ianp ing

(N orthw estern P oly techn ica l U n iversity )

Abstract T h is p ap er in troduces the basic concep ts of rou te p lann ing ,the differ 2ence betw een rou te p lann ing and m issi on p lann ing ,the statu s of th is field at hom e and ab road ,and the un so lved p rob lem s in th is field .T he basic requ irem en ts such as naviga 2ti on requ irem en t ,p enetrati on requ irem en t ,characteristics requ irem en t fo r the aircraft ,and the strategic and tactic requ irem en ts are also in troduced .T he key techn ique such as sam p ling fo r th reats ,algo rithm of rou te p lann ing and trajecto ry track ing con tro l is ana 2lyzed at last .

Key words Rou te p lann ing M issi on p lann ing T rajecto ry track ing con tro l 91　第4期闵昌万等.军用飞行器航迹规划综述