基于柵格分析策略的空中航路規(guī)劃仿真

劉廣才 張竹欣 家會臣 楊志堅 朱斯燕

摘? 要：該文提出一種基于柵格分析策略的空中航路規(guī)劃方法，在充分考慮氣象、地理環(huán)境、敵情對航路規(guī)劃影響的基礎(chǔ)上，對柵格數(shù)據(jù)做了一系列處理，剔除了應(yīng)該規(guī)避的空域，降低了算法的搜索規(guī)模。仿真實驗結(jié)果表明，不同的柵格分析策略可以加快航路規(guī)劃速度，同時降低不合理航路的出現(xiàn)概率，使規(guī)劃路徑更接近最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：柵格數(shù)據(jù)處理;柵格分析;航路規(guī)劃

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我軍裝備在向信息化深入發(fā)展的同時，在智能化、無人化方面也展現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的勢頭，其中陸航、固定翼無人飛機、無人直升機發(fā)展尤為迅猛，這就給未來戰(zhàn)場的空中機動航路規(guī)劃提出了更高的要求?？罩泻铰芬?guī)劃是陸航低空突防與偵察、無人機自主飛行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，借助計算機在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下進(jìn)行空中航路規(guī)劃，已備指揮員進(jìn)行時間和資源的綜合分析與計劃制定，提高指揮決策效率。現(xiàn)階段研究的重點大多放在對航路規(guī)劃算法的設(shè)計和改造，但空中機動還需要考慮飛機機型、氣象以及地理空間環(huán)境對航路規(guī)劃的影響，那么就需要依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)對地理空間環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和區(qū)域構(gòu)建。該文針對地理空間環(huán)境數(shù)據(jù)使用不同維度的柵格分析策略進(jìn)行處理，并對空中航路規(guī)劃算法的影響進(jìn)行仿真研究。

1 柵格數(shù)據(jù)分析

1.1 柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又稱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，是以二維矩陣的形式表達(dá)空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織方式，即像元陣列，每個像元（圖1）都有給定的屬性值來表示地理實體或地理現(xiàn)象，例如高程值、氣象環(huán)境（風(fēng)、能見度、降水、大霧、風(fēng)沙、雷暴、氣壓、氣溫等）、敵防御范圍、敵火力覆蓋范圍等。

1.2 柵格數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的空間分析之前，往往需要對數(shù)據(jù)先進(jìn)行一些處理，以滿足進(jìn)一步分析的要求。例如將現(xiàn)有的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，再對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析來獲取更多信息。常用的柵格數(shù)據(jù)處理包括矢柵轉(zhuǎn)換、聚合、重分級、重采樣等。

1.2.1 矢柵轉(zhuǎn)換

由于矢量和柵格數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用中各有利弊，因此，有時需要將這2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，以便于分析和處理問題。

矢量轉(zhuǎn)柵格和柵格轉(zhuǎn)矢量的方法，則采用矢柵轉(zhuǎn)換參數(shù)對象作為參數(shù)，將矢量數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)集。柵格轉(zhuǎn)矢量又稱矢量化，是將柵格單元中的空間信息轉(zhuǎn)換為幾何圖形的過程。

柵格數(shù)據(jù)細(xì)化處理可以減少柵格數(shù)據(jù)中用于標(biāo)識線狀地物的單元格的數(shù)量，從而提高矢量化的速度和精度。例如一幅掃描的等高線圖上可能使用5～6個單元格來顯示一條等高線的寬度，細(xì)化處理后，等高線的寬度就只用一個單元格來顯示了，如圖2所示。

1.2.2 重分級

柵格重分級（圖3）就是對源柵格數(shù)據(jù)的像元值進(jìn)行重新分類和按照新的分類標(biāo)準(zhǔn)賦值，其結(jié)果是用新的值取代了柵格數(shù)據(jù)的原像元值。對于已知的柵格數(shù)據(jù)，有時為了便于看清趨勢，找出像元值的規(guī)律，或者為了方便進(jìn)一步的分析，重分級是很必要的。

1.2.3 重采樣

重采樣使用的方法為雙線性內(nèi)插法，使用內(nèi)插點在輸入柵格中的4鄰域進(jìn)行加權(quán)平均來計算新柵格值，權(quán)值根據(jù)4鄰域中每個格子中心距內(nèi)插點的距離來決定，如圖4所示。圖5所示為柵格數(shù)據(jù)重采樣結(jié)果。

1.3 柵格分析策略

該文提出3種柵格分析策略，分別為無柵格分析、氣象柵格分析、全因素柵格分析，其中無柵格分析策略中將氣象、地形等所有約束條件加入搜索過程中。氣象柵格分析將氣象約束條件加入柵格分析，其余約束條件加入搜索過程，全因素柵格分析將氣象、地形等所有約束條件都加入柵格分析，搜索過程中不加入額外的約束條件。

2 基于柵格分析策略的空中航路規(guī)劃算法仿真實驗

2.1 仿真環(huán)境

仿真采用VC++6.0平臺來實現(xiàn)。系統(tǒng)環(huán)境為Windows10系統(tǒng)。硬件環(huán)境為Intel Core i7-7700@3.60GHz。假定環(huán)境中采用旋翼無人機，最大飛行速度為75 m/s，轉(zhuǎn)彎半徑為0.09 km，最大仰角為30°。

2.2 仿真實驗

構(gòu)建柵格數(shù)據(jù)分析模型，設(shè)置高程、風(fēng)等級、能見度等級、風(fēng)沙、雷暴區(qū)域、氣壓值，敵方導(dǎo)彈火力覆蓋范圍、地方雷達(dá)陣地水平/垂直探測范圍等參數(shù)值。

在進(jìn)行無人機航路規(guī)劃時采用3種策略分別為無柵格分析、氣象柵格分析、全因素柵格分析，充分考慮無人機的性能約束條件，同時柵格的大小設(shè)置盡量匹配無人機的性能參數(shù)，避免影響飛機的空中機動。

設(shè)定最小柵格為100m×100m×52m的立方體，將航路規(guī)劃區(qū)域用若干小立方體進(jìn)行填充，完成建模。在三維環(huán)境中考慮雷達(dá)陣地和導(dǎo)彈陣地2個人為因素，進(jìn)行仿真實驗，對比算法性能。

表1中對比了3種航路規(guī)劃策略在不同起點、目標(biāo)點下的航路規(guī)劃用時和航路距離。其中距離單位是柵格，航路67意義為航空器從起點至目標(biāo)點需經(jīng)過67個表格。時間單位是s。起點選擇了柵格區(qū)域的左上角、右下角、中間3個位置。（1，1）為左上角起點，其目標(biāo)點選擇了柵格區(qū)域的其余3個頂點位置。（29，29）為右下角起點，其目標(biāo)點選擇了柵格區(qū)域的其余3個頂點位置。（14，14）為中間位置起點，其目標(biāo)點選擇了左上頂點、左下頂點、右側(cè)邊界點。

3種規(guī)劃策略的仿真結(jié)果表明，柵格分析中加入的約束越多，航路越短、航路規(guī)劃用時越短。說明了柵格分析在時間維度、最優(yōu)路徑維度都對航路規(guī)劃有利。即在保證約束效果的前提下，既提高了航路規(guī)劃效率，又可提高規(guī)劃最優(yōu)路徑的概率。

3 結(jié)語

為提高傳統(tǒng)航路規(guī)劃算法的規(guī)劃效率，該文提出了一種基于柵格分析策略的空中航路規(guī)劃方法并對其進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，與無柵格分析的航路規(guī)劃算法相比，全因素柵格分析在時間維度、最優(yōu)路徑維度都對航路規(guī)劃有利，這說明柵格分析策略能夠加快搜索用時、提高搜索效率。

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