航路規(guī)劃的試飛評估技術(shù)初步研究

李太平，陳 艷，袁大天（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

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航路規(guī)劃的試飛評估技術(shù)初步研究

李太平，陳 艷，袁大天
（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

摘要：本文簡單介紹了航路規(guī)劃及其相關(guān)技術(shù)，并以A*算法仿真為例對航路規(guī)劃算法的一般步驟進行說明。針對航路規(guī)劃的試飛進行了初步分析，并建立了以層次分析法為評估手段的指標評價體系，對試飛及評估技術(shù)有一定的輔助作用。

關(guān)鍵詞：航路規(guī)劃；A*算法；層次分析法

0 引言

飛行器航路規(guī)劃是指根據(jù)已知的敵情和地形信息，從出發(fā)點到目標點，尋求一條滿足飛行器飛行生存概率最大、完成任務(wù)最佳、綜合指標最優(yōu)的飛行路線。飛行航路規(guī)劃的約束條件眾多，例如，任務(wù)戰(zhàn)術(shù)約束、威脅約束、飛行器性能約束等。目前航路規(guī)劃技術(shù)發(fā)展迅速，規(guī)劃算法多種多樣，并且在理論上已經(jīng)日趨成熟，但航路規(guī)劃的相關(guān)試飛評估技術(shù)才剛剛起步。

1 航路規(guī)劃技術(shù)簡介

航路規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)包括環(huán)境模型的建立和規(guī)劃算法的設(shè)計和選取。

對收集到的威脅區(qū)域，目標區(qū)域信息和自身約束條件等建立環(huán)境數(shù)學(xué)模型，即將實際求解最優(yōu)航路的物理問題轉(zhuǎn)化為多約束條件下，求極值的數(shù)學(xué)問題。按照環(huán)境模型約束來源的不同，將其劃分為以下幾類：

任務(wù)戰(zhàn)術(shù)約束:任務(wù)完成時間，目標飛點，攻擊方位角，初始航向；

威脅約束:雷達發(fā)現(xiàn)概率，導(dǎo)彈命中飛行器撞地概率，最小離地高度；

飛行器性能約束:最?。ù螅┢斤w航程，最大飛行高度，最大爬升角，最大航角，最大縱向曲率，最大過載。

規(guī)劃算法的設(shè)計和選取，實際上是選取合適的算法將抽象出來的數(shù)學(xué)問題求解最優(yōu)航路。

規(guī)劃算法按照環(huán)境模型建立方式可以將航路規(guī)劃分為基于圖形（graph-based）和基于柵格（grid-based）兩種建模方法?；趫D形的方法首先根據(jù)一定規(guī)則將環(huán)境表示成由可飛航線和節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)圖，然后根據(jù)特定的評價函數(shù)以及約束條件在圖中進行搜索，得到最優(yōu)航路?；跂鸥穹ǖ暮铰芬?guī)劃，則是將可飛區(qū)域分解為一些簡單的單元格，判斷這些單元格是否連通，即路徑是否連通，通過對這些單元格賦予一定代價值，根據(jù)代價值采用某種算法找到一條最優(yōu)路徑。

根據(jù)搜索航路算法不同，可以把規(guī)劃算法分為遺傳算法，Dijkstra法，蟻群算法，A*算法，人工勢場法。

本文中以A*算法為例，簡述航路規(guī)劃算法過程。

圖1 簡單柵格仿真效果

2 基于A*算法的航路規(guī)劃仿真

A*算法是人工智能中的一種啟發(fā)式搜索算法，它通過定義的代價函數(shù)來評估代價大小進而確定最優(yōu)路徑。代價函數(shù)為:

其中: n表示待擴展的節(jié)點。g（n）表示從起始點到當前點的代價；h（ n）表示從當前點n到目標點的估計代價，稱之為啟發(fā)函數(shù)。f（n）表示從起始點經(jīng)過節(jié)點n 到達目標點的最小代價路徑的估計值。A*算法就是每次選擇候選節(jié)點中f 值最小的節(jié)點進行擴展。

進行航路規(guī)劃時首先對起點、終點、威脅源進行初始化，建立評價函數(shù)計算代價f，從起點向周圍逐漸遍歷尋找代價f最小的節(jié)點，遍歷至終點時遍歷結(jié)束。

圖1中預(yù)設(shè)起點（8，6）和終點（3，5）以及障礙物列表為（5，4）、（5，5）、（5，6）、（6，4）、（6，6）、（7，4）、（7，6），在Matlab仿真平臺下對上述簡單柵格進行A*算法計算，遍歷過程詳見圖1。

實際航路規(guī)劃通常在數(shù)字地圖上進行，需首先對地圖進行柵格劃分（起點、終點、威脅源均轉(zhuǎn)化為柵格），將數(shù)字地圖模型轉(zhuǎn)化為基于柵格數(shù)學(xué)模型，圖2為在數(shù)字地圖上進行A*算法航路規(guī)劃的結(jié)果。

圖2 數(shù)字地圖下航路規(guī)劃結(jié)果

3 試飛及評估方法研究

航路規(guī)劃視其用途側(cè)重不同，采用不同的試飛方法。在檢查航路規(guī)劃試飛功能時，首先應(yīng)進行場景設(shè)定。如航路規(guī)劃側(cè)重于低空突防任務(wù)，在進行航路規(guī)劃試飛時，主要檢查低空數(shù)字地圖和地形回避功能，預(yù)先設(shè)定敵方防御系統(tǒng)場景（或通過電子偵察設(shè)備獲得敵情信息），選擇能夠進行地形規(guī)避的地形，檢查數(shù)字地圖的地形信息輔助功能及航路規(guī)劃功能。航路規(guī)劃用于規(guī)避威脅環(huán)境，設(shè)定山地和高地等起伏地形，人為布設(shè)地面雷達等威脅源，模擬產(chǎn)生惡劣氣象條件威脅，檢查其在威脅環(huán)境下的航路規(guī)劃功能。

設(shè)定場景后，應(yīng)首先對其進行航路預(yù)演，預(yù)演應(yīng)結(jié)合相應(yīng)輔助軟件檢查航路是否考慮飛行器的物理限制，預(yù)演成功后進行試飛檢查其規(guī)劃功能。

航路規(guī)劃功能評估可以采用層次分析法進行評估，評估時主要考慮航路的隱藏性、物理可飛性、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)要求、規(guī)劃最優(yōu)性/實時性四個指標。航路隱蔽性指降低被敵方預(yù)警雷達和截獲雷達探測到的概率，提高生存能力；物理可飛性是指規(guī)劃時必需考慮飛行器的機動性能限制，否則飛行器將不可能按生成的行跡進行飛行；戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求是指特定任務(wù)的完成情況；規(guī)劃最優(yōu)性/實時性是指航路規(guī)劃要適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的環(huán)境信息變化和任務(wù)的不確定性。

試飛后由飛行員對相關(guān)指標進行評分，由專家對指標進行評分計算出各指標權(quán)重，將飛行員評分按照權(quán)重進行加權(quán)計算即可得航路規(guī)劃的評估結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了航路規(guī)劃的算法，并以A*算法仿真為例對航路規(guī)劃算法的一般步驟進行說明，對航路規(guī)劃的試飛評估進行了初步研究?，F(xiàn)今航路規(guī)劃算法相關(guān)理論研究技術(shù)發(fā)展迅速，但成熟應(yīng)用于飛行器的較少，針對航路規(guī)劃的試飛和評估技術(shù)才剛剛起步，仍需進行大量工作促進航路規(guī)劃技術(shù)的推廣應(yīng)用。

參考文獻

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Preliminary study on flight test evaluation technology of route planning

Li Taiping，Chen Yan，Yuan Datian
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an，China）

Abstract：This paper briefly introduces the route planning and its related technologies， and takes the A* algorithm simulation as an example to illustrate the general steps of the route planning algorithm. In order to make a preliminary analysis on the flight test of route planning， an index evaluation system based on analytic hierarchy process is established.

Keywords：route planning； A* algorithm； analytic hierarchy process

作者簡介

李太平（1982-），男，湖北宜昌人，碩士生，主要從事綜合航電系統(tǒng)試飛技術(shù)研究工作。