巡航導(dǎo)彈三維實(shí)時任務(wù)規(guī)劃需求和實(shí)現(xiàn)方法

劉維國

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

巡航導(dǎo)彈三維實(shí)時任務(wù)規(guī)劃需求和實(shí)現(xiàn)方法

劉維國

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

依據(jù)國外任務(wù)規(guī)劃研究現(xiàn)狀，結(jié)合未來作戰(zhàn)實(shí)際需求，開展巡航導(dǎo)彈三維實(shí)時任務(wù)規(guī)劃方法的研究。首先分析了任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究的現(xiàn)狀和存在的問題，其次給出實(shí)時任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)及主要參數(shù)，最后提出了實(shí)時任務(wù)規(guī)劃的幾種需求實(shí)現(xiàn)方法和優(yōu)化方法。

巡航導(dǎo)彈；三維；實(shí)時；任務(wù)規(guī)劃

0 引言

國外對任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究已相當(dāng)深入，部分任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)已經(jīng)裝備部隊(duì)并經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。相對于預(yù)先任務(wù)規(guī)劃，實(shí)時任務(wù)規(guī)劃是在作戰(zhàn)過程中進(jìn)行，更強(qiáng)調(diào)在動態(tài)的不確定的戰(zhàn)場環(huán)境中的實(shí)時規(guī)劃能力。因此，實(shí)時規(guī)劃比預(yù)先規(guī)劃面臨更多和更大的挑戰(zhàn)，要求規(guī)劃算法具有較強(qiáng)的實(shí)時性。

傳統(tǒng)的航路規(guī)劃方法主要是基于給定的代價(jià)函數(shù)，利用優(yōu)化算法生成一條具有最小代價(jià)的飛行航路。然而這樣得到的最小代價(jià)航路往往不能滿足實(shí)際要求。其原因主要在于：一是在實(shí)際航路規(guī)劃過程中，往往需要綜合考慮巡航導(dǎo)彈機(jī)動性能、地形高程、障礙、威脅以及飛行任務(wù)等多種因素，要建立一種能夠包含所有這些因素的代價(jià)函數(shù)是非常困難的；二是對航路的評價(jià)一般會隨具體的飛行任務(wù)而改變，因此預(yù)先確定的代價(jià)函數(shù)往往不能反映特定的任務(wù)要求；三是由于障礙、威脅等環(huán)境因素會隨時間發(fā)生變化，預(yù)先規(guī)劃好的最優(yōu)航路在任務(wù)執(zhí)行時可能因?yàn)榄h(huán)境的變化而不再適用；四是航路規(guī)劃算法都是把所有威脅點(diǎn)看成具有相同的威脅屬性，但是，戰(zhàn)場環(huán)境中威脅屬性會隨著巡航導(dǎo)彈所執(zhí)行的任務(wù)不同而不同。因此，基于上述原因，研究實(shí)時任務(wù)規(guī)劃更接近實(shí)戰(zhàn)，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)時任務(wù)規(guī)劃要求及主要參數(shù)

1.1 巡航導(dǎo)彈實(shí)時任務(wù)規(guī)劃的要求

1)突防要求

在巡航導(dǎo)彈突防飛行中，主要威脅是敵方防御系統(tǒng)和撞地。為了使規(guī)劃的航路具備良好的突防性能，既要考慮減小撞地概率的地形回避，又要考慮較小被摧毀概率的威脅回避，確保導(dǎo)彈可以安全到達(dá)目的地，同時有效打擊目標(biāo)。

2)導(dǎo)彈性能要求

航路規(guī)劃必須考慮導(dǎo)彈的燃料限制和航程約束。為了降低被敵方防御系統(tǒng)摧毀的概率，巡航導(dǎo)彈要做低空飛行。在攜帶燃料一定的情況下，這種飛行會導(dǎo)致巡航導(dǎo)彈航程損失。航路規(guī)劃還必須考慮巡航導(dǎo)彈機(jī)動性能的限制，以確保規(guī)劃航路的可飛性。

3)戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)要求

巡航導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃既要避免來自己方的任何危險(xiǎn)；又要考慮政策因素，禁止巡航導(dǎo)彈飛過某些特定地區(qū)(如劃定的禁飛區(qū)、中立區(qū)、人口稠密區(qū)等)。

4)協(xié)同性要求

在實(shí)際戰(zhàn)爭中，一般要求多彈從不同的航路飛行而同時攻擊一個或多個目標(biāo)，或者多彈編組飛行實(shí)施攻擊。因此，導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)不僅要保證單枚導(dǎo)彈具有較高的生存概率，沿飛行航路順利完成作戰(zhàn)任務(wù)，而且還必須確保整個系統(tǒng)具有較高的作戰(zhàn)效能。這就需要導(dǎo)彈之間相互協(xié)同配合。協(xié)同性是導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)區(qū)別于其它規(guī)劃系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，同時也意味著系統(tǒng)更加復(fù)雜，計(jì)算量更大。因此，協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)研究中需要重點(diǎn)解決的問題之一。

1.2 巡航導(dǎo)彈實(shí)時任務(wù)規(guī)劃主要參數(shù)

1)離地高度

從飛行安全的方面考慮，導(dǎo)彈距離地面的高度必須在設(shè)置的離地高度之上。離地高度的數(shù)值可以使用固定值，也可以根據(jù)導(dǎo)彈所處實(shí)際環(huán)境的變化而動態(tài)調(diào)整。

2)最大橫向偏差

根據(jù)整體參考航線對安全走廊的定義，在導(dǎo)彈實(shí)時飛行過程中，各個航路節(jié)點(diǎn)與參考航線的偏差不應(yīng)超過安全走廊的邊界范圍。

3)TF/TA率

調(diào)節(jié)TF(縱向機(jī)動)飛行與TA(橫向機(jī)動)飛行之間的加權(quán)值。通過調(diào)節(jié)TF/TA率，可以控制導(dǎo)彈是對地形威脅進(jìn)行飛越還是從側(cè)面繞過。

4)法向加速度

從安全角度考慮，每次實(shí)時規(guī)劃應(yīng)該在較大的規(guī)劃范圍內(nèi)進(jìn)行，而為了提高導(dǎo)彈的機(jī)動反應(yīng)能力，又需要盡量縮短每次實(shí)時航路規(guī)劃的時間間隔，一般每隔幾秒就要刷新一次航路規(guī)劃結(jié)果。因此，實(shí)時航路規(guī)劃算法需要解決的重要問題是減少實(shí)時航路的解算周期。

2 實(shí)時任務(wù)規(guī)劃的需求實(shí)現(xiàn)方法

2.1 針對已知威脅和未知威脅的導(dǎo)彈在線任務(wù)再規(guī)劃方法

已知威脅是在規(guī)劃前就獲得了其位置、類型、強(qiáng)度、覆蓋范圍等方面的準(zhǔn)確信息，而預(yù)先未知威脅只有當(dāng)導(dǎo)彈飛到其附近時才能發(fā)現(xiàn)。它可以是地面反導(dǎo)裝置，也可以是另一枚飛行中的導(dǎo)彈。導(dǎo)彈裝有探測器，能實(shí)時探測到導(dǎo)彈附近一定范圍內(nèi)的威脅信息，且導(dǎo)彈有一定的最低速度限制，不可能在空中停留。同時，當(dāng)導(dǎo)彈遇到新的威脅時，應(yīng)盡快逃離威脅區(qū)域。因此在上述具有預(yù)先未知威脅的環(huán)境中，若利用傳統(tǒng)的全局最優(yōu)規(guī)劃方法，在每次探測到當(dāng)前航跡中有新的威脅時都重新進(jìn)行全局規(guī)劃，顯然無法滿足實(shí)時性要求。

針對已知威脅和未知威脅的導(dǎo)彈在線航路再規(guī)劃方法，其基本思想是先離線生成一條航路，導(dǎo)彈沿該航路飛行，在每次遇到新的威脅時在線局部更新航路。導(dǎo)彈沿著預(yù)先規(guī)劃的初始航路飛行，當(dāng)?shù)竭_(dá)一位置時導(dǎo)彈探測器或外界發(fā)現(xiàn)在前方的航路上出現(xiàn)了一預(yù)先未知的威脅，此時原有航路已不再是最優(yōu)的，經(jīng)過在線再規(guī)劃得到一條新的航路。該方法并不要求每次有新的信息都完整地重規(guī)劃航路，它保留了未受影響的正確的航路信息，通過局部的修正航路來獲得全局的最優(yōu)航路，因此，可以大大減少計(jì)算量。

2.2 針對靜止目標(biāo)的導(dǎo)彈在線任務(wù)規(guī)劃方法

針對靜止目標(biāo)的導(dǎo)彈在線航路規(guī)劃方法是將航路規(guī)劃貫穿于整個飛行過程當(dāng)中。每次根據(jù)導(dǎo)彈所處位置及環(huán)境信息規(guī)劃一段航路，然后飛行器沿著這段航路飛行，使導(dǎo)彈到達(dá)一個新的位置，這個新的位置與原來的位置相比可能更接近目標(biāo)。在飛行過程中根據(jù)導(dǎo)彈所處的新的位置和當(dāng)前條件來生成進(jìn)一步接近目標(biāo)的部分航路，經(jīng)過多次循環(huán)后就可以達(dá)到目標(biāo)。這樣生成的航路不是最優(yōu)的，但可以滿足在線實(shí)時應(yīng)用的要求，并保證導(dǎo)彈最終到達(dá)目標(biāo)位置。

其基本思想是先根據(jù)當(dāng)前條件和當(dāng)前目標(biāo)設(shè)計(jì)一個接近目標(biāo)的部分解路徑，然后執(zhí)行這個部分解，使系統(tǒng)到達(dá)一個新狀態(tài)，這個新狀態(tài)與原來的狀態(tài)相比更接近求解目標(biāo)。在下一個規(guī)劃執(zhí)行循環(huán)中根據(jù)新的當(dāng)前條件和當(dāng)前目標(biāo)來生成進(jìn)一步接近目標(biāo)的部分解路徑，經(jīng)過多次循環(huán)后就可以達(dá)到目標(biāo)。但是，條件和目標(biāo)在生成部分解之后、執(zhí)行部分解之前仍然可能變化。所以，要使部分規(guī)劃方法真正可以解決動態(tài)開放環(huán)境問題，還得求助于自然的規(guī)律或假設(shè)：時間區(qū)間越小，在此區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的變化也越少，即使有變化，其變化的幅度也會越小。這樣，問題就變?yōu)槿绾问挂?guī)劃執(zhí)行循環(huán)的時間區(qū)間減小到可以忽略環(huán)境的變化，或者即使不能忽略這些變化，但要從新的狀態(tài)到達(dá)目標(biāo)也不會比從初始狀態(tài)到達(dá)目標(biāo)多花費(fèi)很多代價(jià)。對實(shí)時算法的要求之一就是用盡量少的時間完成任務(wù)，但這是所有算法追求的性能指標(biāo)之一。真正對實(shí)時任務(wù)提出的要求是在規(guī)定的時間限度以內(nèi)來完成一定的任務(wù)，通用實(shí)時算法中應(yīng)該可以調(diào)整規(guī)劃執(zhí)行循環(huán)的時間，從而可以適應(yīng)不同的規(guī)劃環(huán)境要求。

2.3 針對運(yùn)動目標(biāo)的導(dǎo)彈任務(wù)規(guī)劃方法

巡航導(dǎo)彈的運(yùn)動目標(biāo)可能是運(yùn)行中的海上或陸地移動目標(biāo)，也可能是處于飛行中的敵方導(dǎo)彈。此時，如何快速有效地生成針對運(yùn)動目標(biāo)的飛行航路，是成功完成任務(wù)的前提條件之一。為了保證飛行器能夠有效截獲運(yùn)動目標(biāo)，必須滿足以下三個條件：一是目標(biāo)運(yùn)動速度小于導(dǎo)彈速度，否則，目標(biāo)很容易逃過導(dǎo)彈的攔截；二是導(dǎo)彈可以實(shí)時獲得目標(biāo)在每一時刻所處位置，這一信息可以通過偵察衛(wèi)星、空中偵察飛機(jī)或者導(dǎo)彈自身探測裝置獲??；三是目標(biāo)總處在導(dǎo)彈機(jī)動可到達(dá)的范圍之內(nèi)。針對運(yùn)動目標(biāo)的導(dǎo)彈航路規(guī)劃方法不要求一次生成整條航路，每次只進(jìn)行一次節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，生成一段航路。然后，導(dǎo)彈沿所生成的航路段飛行，在飛行的同時又生成新的航路段。如此循環(huán)，直到導(dǎo)彈達(dá)到目標(biāo)位置。

3 實(shí)時任務(wù)規(guī)劃的優(yōu)化方法研究

實(shí)時動態(tài)規(guī)劃是一類多階段決策過程的最優(yōu)化方法。實(shí)時動態(tài)規(guī)劃法是在存在多個空中封鎖和地面障礙等多約束的情況下，采用航路圖分類法進(jìn)行航路規(guī)劃。導(dǎo)彈根據(jù)約束，在有限的探測和處理范圍內(nèi)，根據(jù)不同的滾轉(zhuǎn)角度，得到下一時刻導(dǎo)彈可能到達(dá)的位置，并在新的飛行點(diǎn)上，計(jì)算再下一時刻的位置。由于實(shí)時動態(tài)規(guī)劃具有維數(shù)爆炸特性，如果在大范圍內(nèi)進(jìn)行動態(tài)搜索，計(jì)算機(jī)將無法處理大量的信息，因此，最好在一定范圍內(nèi)搜索。但這又會導(dǎo)致得不到全局最優(yōu)航路，顯然兩者必須權(quán)衡考慮。所以，要對規(guī)劃的方法采取一些改進(jìn)措施，使其符合導(dǎo)彈航路規(guī)劃的快速性要求，盡可能避免維數(shù)爆炸的發(fā)生。

3.1 深度優(yōu)先的搜索原則

在最優(yōu)航路的搜索過程中，采用深度優(yōu)先的搜索原則，即對每一個節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展都進(jìn)行到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為止。這樣做的目的是首先確保搜索到一條可行的航路，一旦系統(tǒng)資源不能夠支持算法在規(guī)定的時間內(nèi)收斂到最優(yōu)解，則規(guī)劃程序仍可以規(guī)劃出一條可行的航路，只是該航路一般情況下不會是最優(yōu)航路而已。

3.2 動態(tài)地改變搜索步長

在相同大小的規(guī)劃空間中進(jìn)行規(guī)劃，步長越長，搜索算法收斂越快，但由于導(dǎo)彈的最大轉(zhuǎn)彎角等因素的限制，選擇大步長進(jìn)行搜索，可能會使搜索程序陷入在目標(biāo)點(diǎn)周圍盤繞或由于目標(biāo)周圍空間狹小而無法接近目標(biāo)點(diǎn)的狀態(tài)，更有可能因?yàn)榇蟛介L的粗略搜索而使得算法錯過了最優(yōu)解；相比之下，選擇較小步長進(jìn)行搜索，則放慢了搜索結(jié)果的收斂速度，增強(qiáng)了算法的搜索能力，可以避免上述無法接近目標(biāo)的情況，而且選擇小步長相當(dāng)于提高了系統(tǒng)的精度，這使得搜索得到的最優(yōu)結(jié)果更接近于實(shí)際的最優(yōu)航路。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用變步長的技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前規(guī)劃程序所處的不同狀態(tài)，以及地形和威脅分布的稀疏程度，來動態(tài)地改變搜索步長。例如，當(dāng)導(dǎo)彈的剩余航程較大時，采用大步長搜索，當(dāng)導(dǎo)彈剩余航程較短時，為了節(jié)約航程而采用較短的步長搜索；在地形和威脅分布較為稀疏的地帶采用大步長快速搜索，在地形和威脅分布較為密集的地帶采用小步長搜索。

3.3 排除無關(guān)地形和威脅區(qū)

由于巡航導(dǎo)彈飛行距離和安全區(qū)等因素的限制，在所有的地形和威脅區(qū)中，可能有相當(dāng)一部分距離可能的規(guī)劃區(qū)域較遠(yuǎn)。可以將這樣的威脅區(qū)當(dāng)作與當(dāng)前規(guī)劃任務(wù)無關(guān)而直接排除掉，實(shí)踐證明，采取這樣的處理辦法經(jīng)常可以得到很好的效果。不僅如此，還可以為每個地形和威脅區(qū)設(shè)置簡單的外切多邊形，在判斷某一直線航路與地形或威脅區(qū)是否相交時，首先判斷航路與該區(qū)域的外切多邊形是否相交，若不相交，則也將該區(qū)域視為與規(guī)劃任務(wù)無關(guān)而直接排除掉，從而壓縮了算法的搜索空間。

3.4 應(yīng)用限制條件

在最優(yōu)航路的搜索過程中，利用最大航程、最大轉(zhuǎn)彎角、最大爬升角和最大下滑角等導(dǎo)彈飛行性能上的限制條件來約束算法的搜索空間，一旦出現(xiàn)不滿足上述限制條件的情況，則立刻放棄對當(dāng)前航路節(jié)點(diǎn)的繼續(xù)擴(kuò)展，這樣能夠大大減小算法對時間和空間的浪費(fèi)。

3.5 加入啟發(fā)信息

在航路搜索過程中加入啟發(fā)信息，能夠大大減少算法的時間和空間消耗。最簡單的辦法是，在初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間，人為地設(shè)置若干個必經(jīng)航路點(diǎn)，將整條航路劃分為幾個相對較短的子航路段，各航路段在規(guī)劃時相對獨(dú)立，從而避免了維數(shù)爆炸的問題。

4 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用中，一方面規(guī)劃環(huán)境是動態(tài)變化的，很難獲得全局環(huán)境的準(zhǔn)確信息；另一方面由于任務(wù)的不確定性，導(dǎo)彈常常需要臨時執(zhí)行一些緊急的飛行任務(wù)。在這些情況下，不可能預(yù)先在地面規(guī)劃出滿足要求的航路。本文的研究無論是對于環(huán)境區(qū)域變化不大時通過局部更新的方法進(jìn)行航路的在線再規(guī)劃，還是對于環(huán)境的變化區(qū)域較大時進(jìn)行在線實(shí)時航路規(guī)劃，都具有一定的參考價(jià)值?！鰠⒖嘉墨I(xiàn)：

[1] 葉文，等.無人飛行器任務(wù)規(guī)劃[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[2] 鄭昌文，等.飛行器航機(jī)規(guī)劃[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 胡海,劉翔.反艦導(dǎo)彈的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)分析[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2001(6)：14-17.

[4] 江妙根.艦載導(dǎo)彈擴(kuò)大扇面發(fā)射和航路規(guī)劃[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，1999(4):16-21.

[5] 唐金國.美軍任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的現(xiàn)狀、發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)[J].軍事運(yùn)籌和系統(tǒng)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

劉維國(1965-)，男，高工，博士，主要研究方向?yàn)轱w行器試驗(yàn)。

TN97；TJ761.6

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