無人機安全飛行區(qū)域確定方法研究

摘要：文章結(jié)合變權(quán)理論與馬爾可夫模型，對無人機的安全飛行區(qū)域加以判斷。通過前者調(diào)節(jié)威脅權(quán)值，得出綜合威脅參數(shù)。借助后者預(yù)測可能會面對的威脅，綜合二者，劃分出安全的飛行區(qū)域。

關(guān)鍵詞：無人區(qū);安全飛行區(qū)域;威脅

引言：當(dāng)前戰(zhàn)場上，無人機是交戰(zhàn)雙方取得制空權(quán)的重要憑借。結(jié)合戰(zhàn)時條件數(shù)據(jù)，確定可飛行區(qū)域是可以保證無人機高質(zhì)量、安全完成下達任務(wù)的基礎(chǔ)屏障。但在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，大量高新武器投入進來，導(dǎo)致總體環(huán)境更為復(fù)雜，使得無人機所需承受的威脅不穩(wěn)定。因此，在確定可飛行區(qū)域時，應(yīng)當(dāng)采取綜合性的威脅衡量手段，根據(jù)結(jié)果劃分安全區(qū)域，以降低無人機作戰(zhàn)的危險性，提升其作戰(zhàn)效率。

一、無人機安全飛行區(qū)域確定方法研究現(xiàn)狀

當(dāng)下，對于安全區(qū)域的確定一般選擇仿真實驗與Graham算法等。前者是借助電磁場的仿真程序，確定輸電線路附近電磁場的強度，由此得出無人機和電磁場之間應(yīng)保持的距離參數(shù)，形成安全范圍界線。后者是針對氣象問題，飛行期間由于氣象產(chǎn)生威脅安全的區(qū)域。但在開戰(zhàn)過程中，對確定安全區(qū)域的及時性要求較高，所應(yīng)對的環(huán)境形勢更為復(fù)雜，導(dǎo)致安全區(qū)域和安全威脅之間的聯(lián)系也相應(yīng)復(fù)雜。普通確定方法不能適應(yīng)戰(zhàn)時需要，所以應(yīng)選擇綜合性特征更加顯著的方法加以確定。

二、無人機安全飛行區(qū)域的確定方法具體闡述

（一）權(quán)值確定方法

結(jié)合無人機戰(zhàn)時條件下，面對的安全威脅權(quán)值，鑒于無人機工作期間本機狀態(tài)不穩(wěn)定，使得各類威脅對其本身造成的干擾權(quán)重隨之不斷變化。一般確定威脅的方式通常是把權(quán)值視為基礎(chǔ)計算依據(jù)，但現(xiàn)實飛行狀態(tài)下，此種計算威脅的方法存在漏洞。所以，考慮運用變權(quán)理論，優(yōu)化確定權(quán)值的思路。計算的第一步是借助客觀熵權(quán)法以及主管層次法，完成基本權(quán)值求解。第二步，應(yīng)用下列公式，把二者的權(quán)值結(jié)合起來，統(tǒng)一計算，以形成綜合權(quán)值。

式中，ω0j是指第j個指標(biāo)，其原始權(quán)值;ω′j是指第j個指標(biāo)，在主觀層次模式下，得到的權(quán)值;ω"j是指第j個指標(biāo)，在客觀熵權(quán)法模式下，得到的權(quán)值;a代表主觀影響因素;b是客觀影響因素。結(jié)合理想解法，確定威脅因素對應(yīng)優(yōu)勢度值，基于下列公式計算：

式中，Qj表示是第j個指標(biāo)，其變權(quán)優(yōu)勢度;d-j是指第j個指標(biāo)和最小理想值之間的差額;d+j則表示第j個指標(biāo)和最大理想值之間的差額;λ是指調(diào)節(jié)因子。在計算飛行威脅期間，應(yīng)科學(xué)確定λ的數(shù)值，讓優(yōu)勢度始終滿足現(xiàn)實需要，即d±j=d+j-d-j。而后結(jié)合變權(quán)理論，生成變權(quán)函數(shù)。具體如下：

式中，Q-是指獎懲下限;Q+是指獎懲上限;m代表指標(biāo)維數(shù);ω0j是指初始權(quán)值;δ（j）是指變權(quán)比重因子。按照高斯準(zhǔn)則，科學(xué)調(diào)節(jié)變權(quán)比重，以確定變權(quán)函數(shù)在初始權(quán)值上的干擾深度。對應(yīng)的高斯準(zhǔn)則公式如下：

式中，δ（j）表示的是第j個指標(biāo)對應(yīng)變權(quán)比重因子。下一步應(yīng)用系列公式，確定變權(quán)之后，所展示出的權(quán)值。

式中，ω（j）表示借助變權(quán)理論實現(xiàn)變權(quán)后，得到的權(quán)值[1]。

（二）威脅預(yù)測方法

因為無人機工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，處于持續(xù)變化中，所以本機所處區(qū)域中，面臨的威脅既有當(dāng)下威脅值，又需注意預(yù)測由于無人機狀態(tài)變化而出現(xiàn)的新威脅。在預(yù)測區(qū)域威脅上，選擇馬爾可夫模型?；跓o人機工作區(qū)域模型，把無人機工作區(qū)域設(shè)置成柵格。倘若無人機當(dāng)下正處于整個柵格的正中間，則會面對來自八處的威脅點。因為無人機在飛行期間發(fā)生的狀態(tài)變化，呈現(xiàn)出明顯的馬爾可夫特點，也就是說當(dāng)下狀態(tài)轉(zhuǎn)移幾率只和其上一種狀態(tài)有聯(lián)系，模型等式如下所示：

式中，Sn是指無人機處于n時間點的某種狀態(tài); 是指處于n時間點，無人機由S狀態(tài)調(diào)整至S′狀態(tài)，選擇π策略實施動作θ的幾率，其中實施動作θ幾率選擇期望值E代表。借助馬爾可夫的價值函數(shù)計算狀態(tài)威脅，因為無人機在地圖上某一點位時，其所遭受的威脅值，能通過威脅建模確定。無人機對應(yīng)威脅函數(shù)Bellmen方程，如下公式所示：

式中，Vπ（S）代表無人機處于某種狀態(tài)Sn狀態(tài)下，采用π策略會遭受威脅值;Eπ代表無人機應(yīng)用π策略，實際預(yù)期值;Rn+1代表無人機處于n+1時間點上，面對的威脅值;γ是指預(yù)測威脅的衰減因子，說明預(yù)測威脅期間折扣系數(shù)。此計算公式無人機在某種狀態(tài)中威脅值等于當(dāng)下威脅值和預(yù)測威脅值的總和。下一步則需構(gòu)建動作威脅的預(yù)測函數(shù)，相應(yīng)的Bellmen方程如下：

式中，π（θ|S）是指無人機處于S狀態(tài)時，運用π策略開展動作θ的幾率。因為是運用馬爾可夫模型，所以此時選擇策略開展幾率僅和當(dāng)下S狀態(tài)有聯(lián)系，繼而借助預(yù)測函數(shù)Bellmen方程，能推導(dǎo)出預(yù)測算式：

式中，S′是指本機的狀態(tài)變化。因為威脅預(yù)測值是根據(jù)π策略下的全部轉(zhuǎn)移威脅值綜合，結(jié)合以上兩個公式，能確定無人機戰(zhàn)時威脅預(yù)測值，具體如下：

運用此種預(yù)測方式，得出的威脅預(yù)測值，基于上述計算公式確定結(jié)果，而后把結(jié)果錄入到評估方法上，完成威脅評估。

（三）安全區(qū)域確定

無人機的威脅評估錄入是其當(dāng)下計算出的威脅結(jié)果和預(yù)測結(jié)果，輸出部分則是模糊集合，包括安全以及不同程度的威脅。基于經(jīng)驗值，得到云發(fā)生器對應(yīng)超熵值、熵值與期望值，由此構(gòu)成評估云模式。對于確定安全區(qū)域，先要基于威脅指標(biāo)的分析結(jié)果，計算飛行區(qū)域中，無人機在各點位會面臨的威脅，以確定當(dāng)下承受的威脅值。下一步則憑借馬爾可夫開展威脅預(yù)測，判斷威脅的等級。而后借助云模糊評估手段，把上述獲取到的結(jié)果加以整合，進一步得出精確威脅級別。而后結(jié)合無人機現(xiàn)實狀況，設(shè)置安全閾值，由此劃分出安全區(qū)域[2]。

結(jié)束語：

上文分析復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中，無人機的可飛行區(qū)域確定問題。無人機面對的威脅權(quán)重會根據(jù)其自身狀態(tài)而出現(xiàn)變化，因而選擇變權(quán)理論計算威脅。同時考慮到飛行狀態(tài)的不確定性，強調(diào)需實行威脅預(yù)測，綜合評估無人機所處工作環(huán)境?；诖?，今后研究可朝著協(xié)同作戰(zhàn)的方向轉(zhuǎn)變，以克服合作無人機之間互相干擾的現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]閆東，吳慶憲，袁夢順，等.基于變權(quán)威脅評估的無人機安全飛行區(qū)域確定方法[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2021，（04）：663-677.

[2]李春茹，吳慶憲.面向安全避障的無人機魯棒跟蹤飛行控制[J].工業(yè)控制計算機，2021，（02）：48-51.

作者簡介：王凱;女;1983.07;漢;黑龍江;大學(xué)本科;講師;高校學(xué)生認(rèn)知心理學(xué)