无人机航迹规划与任务分析的仿真与实现.pdf

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1、电子科技大学硕士学位论文无人机航迹规划与任务分析的仿真与实现姓名：蒙波申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：皮亦鸣20100501摘要摘要随着自动化控制，计算机信息技术和网络通信技术的发展，现代无人机技术有了很大的变革，其自身所能承担的任务也越来越多。任务增加和复杂性的加剧对无人机自身的自主飞行能力也提出了更高的要求，不但要求无人机能够完成飞行任务，并且在执行任务过程中各种代价都要求降低到一个限定的范围内。一种有效的解决途径就是无人机任务规划技术，而在无人机任务规划系统中，航迹规划作为其重要的组成部分，同样发挥着重要的作用。无人机航迹规划是指在特定约束条件下，寻找满足无人机机动性能以

2、及环境条件限制的，从起点到目标点的最优飞行轨迹，它是无人机任务规划系统的关键技术，也是实现无人机自主飞行的技术保障。本文是以无人机地面站软件系统集成为背景，对无人机航迹规划技术中的关键问题进行了研究。主要工作如下：1 在无人机进行低空飞行过程中，将面临极其复杂的战场环境。本文研究了两种不同的威胁处理方法，选择将威胁信息等效为电子地图方法对威胁进行处理，有效降低了航迹规划过程的复杂度。分别对探测威胁、火力攻击威胁和天气威胁进行了研究，对雷达的作用范围、探测概率以及地空导弹和火炮的杀伤概率做了相关分析，建立了这几种威胁的等效地形模型。2 为了对机载传感器在无人机飞行过程中的工作状态进行实时监控，即

3、传感器的波束覆盖范围进行实时观察，本文研究了合成孔径雷达和光学传感器的相关参数，分别建立了相应的模型，完成了对传感器覆盖范围的仿真分析。3 分析了无人机的飞行任务，研究了几种常见的无人机航迹规划算法，建立了无人机航迹规划模型。针对稀疏A 木算法进行了仿真分析并且对稀疏A 木算法进行了改进，主要是对稀疏A 木算法中搜索步长的问题进行了改进，有效的减少了航迹的总代价和航迹节点的数目，为航迹规划系统节省了内存空间，在实际应用中有很重要的意义。关键字：无人机，传感器建模，航迹规划，稀疏A 木算法A B S T R A C TA B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o

4、p m e n to fc o m p u t e ra u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y,m o d e r nU n m a n n e dA e r i a lV e h i c l e A v)t e c h n o l o g yh a sb e e nc h a n g e dal o t T h em i s s i o no fU A Vt o o ko nb e c o m em o r ea n dm o r e A c c o r d i n gt ot h en e e do f

5、m i s s i o no ff l i g h t,t h er e q u i r e m e n to ft h ea b i l i t yo fa u t of l i g h th a sb e e nb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r N o to n l yr e q u e s tt h eU A VC a nf i n i s ht h em i s s i o n,b u ta l s or e d u c ea l lo ft h ec o s ti nt h ei d e a lr a n g e I no r d e rt

6、 os o l v et h i sp r o b l e m，U A Vm i s s i o np l a n n i n go c c u r r e d A so n ei m p o r t a n tf a c t o ro fm i s s i o np l a n n i n g，p a t hp l a n n i n gh a sk e ye f f e c t U A Vp a t hp l a n n i n gi st os e a r c ht h eo p t i m i z a t i o nt r a c kf r o ms t a r tt od e s t

7、 i n a t i o n；w i t c hs h o u l ds a t i s f yt h el i m i t a t i o no fp e r f o r m a n c eo fU A Va n de n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n I ts h o u l db et h ek e yt e c h n o l o g yo fU A Vm i s s i o np l a n n i n gs y s t e ma n de n s u r et h ea u t o m a t i o nf l i g h to fU

8、 A V T h i sp a p e r,w h i c hb a s e do nt h ei n t e g r a t i o no fs o f t w a r es y s t e mo fU A VG r o u n dC o n t r o lS t a t i o n(G C S)，r e s e a r c h e st h ek e yp r o b l e mi nt h eU A Vp a t hp l a n n i n gt e c h n o l o g y 1 I nt h el o w a l t i t u d ef l i g h t，U A Vw i

9、l lf a c ee x t r e m e l yc o m p l e xb a t t l e f i e l de n v i r o n m e n t I nt h i sp a p e r,t w od i f f e r e n tm e t h o d so fd e a l i n g、斩也t h r e a ta r ed i s c u s s e d W ec h o o s et h em e t h o dw h i c hm a k e st h et h r e a ti n f o r m a t i o ne q u a lt oa ne l e c t

10、 r o n i cm a pd u r i n gt h et h r e a tp r o c e s s i n g R e s p e c t i v e l y,t od e t e c tt h r e a t s，f i r ea n dw e a t h e rt h r e a t st ot h et h r e a to fa t t a c kw e r es t u d i e d T h er o l eo fr a d a rr a n g e，p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n，a sw e l la sa n t

11、 i a i rm i s s i l ea n da r t i l l e r yt h ep r o b a b i l i t ya r ea n a l y z e d T h ee q u i v a l e n tt e r r a i nm o d e l so ft h e s et y p e so ft h r e a t sa r em o d e l e d B yt h i sm e t h o dc a l lr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fr o u t ep l a n n i n ge f f e c t i v

12、e l y 2 I no r d e rt om o n i t o rt h ew o r ks t a t eo fa i r b o r n es e n s o r si nr e a l t i m e t h a ti st os a y,o b s e r v et h ec o v e r a g eo ft h es e n s o rb e a mi nr e a l-t i m e，w es t u d yt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r so fs y n t h e t i ca p e r t u r er a

13、d a rc o r r e s p o n d i n gm o d e l sa r ee s t a b l i s h e da n dc o v e r a g eo ft h es e n s o r s a n do p t i c a ls e n s o r s R e s p e c t i v e l y,t h ec o m p l e t et h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so f3 T h em i s s i o n so fU A Va r ea n a l y z e d；s e v e r a lc o

14、m m o na l g o r i t h m sa r es t u d i e da n de s t a b l i s ht h em o d e l so fp a t hp l a n n i n g S p a r s eA 宰a l g o r i t h mi ss i m u l a t e da n da n a l y z e d UA B S T R A C TT h a ns p a r s eA 木a l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e d，m a i n l yo nt h eq u e s t i o no fs

15、 e a r c hs t e pl e n g t ho fs p a r s ei t s e l f,e f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h eo v e r a l lc o s to ft r a c ka n dt h en u m b e r so fp a t hn o d e s，t h e r e b ys a v i n gm e m o r ys p a c et h ep l a n n i n gs y s t e m T h i si m p r o v e m e n th a sv e r yi m p o r t a

16、n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c e K e yW o r d s：U A V,S e n s o rM o d e l i n g，P a t hP l a n n i n g，S p a r s eA 幸A l g o r i t h mI I I独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

17、作了明确的说明并表示谢意。签名：莶迎日期：力，a 年岁月g 日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：蠢；选导师签名：妇务扣皂日期：2,-o 口年，月磅日第一章绪论1 1 论文研究背景与意义第一章绪论无人机(U A V)是无人驾驶飞机(U n m a n n e dA e r i a lV e h i c l e)

18、的简称，它是一种由动力驱动，机上无人驾驶，可重复使用的飞行器【l J。无人机系统主要包括飞机平台、机载设备、地面站控制系统(G r o u n dC o n t r o lS t a t i o n，o c s)、地面保障设备和指挥操控人员。无人机具有自动起降、自动驾驶、自动导航、自动快速准确定位、自动信息采集与传送等多项功能，特别适合代替人在危险、恶劣或极限环境下完成指定的工作和任务，因此无人机在军事、测绘、航空航天、商业等领域有着广泛的应用。随着自动化控制、计算机信息和网络通信技术的发展，无人机技术也随之发生了较大的变革，种类越来越多，如无人侦察机、无人通信飞机、无人电子战机和攻击型无人机

19、等。伴随着现代化作战需求的增长，无人机性能得也随之得到了很大的提高，功能不断的增强。目前比较有名的无人机机型有美国的全球鹰、暗星、捕食者，以色列的苍鹭，德国的布雷维尔等。从以上类型的无人机可以看出，无人机所执行任务的复杂度、难度、危险度以及飞行强度都有不同程度的加强，受地面操作人员各方面因素的限制，仅依靠手工操作的方式来完成复杂的飞行任务变得很困难【I】【2】。为了解决人为因素在操作方面的影响，世界各国相继提出了有效的解决途径，其中最主要的就是对无人机施行航迹规划，实现其自主飞行。自开始对无人机进行航迹规划以来，由于受各种条件的限制，主要是依靠规划人员手工操作，N-十世纪八十年代初，这种做法的

20、缺陷还未完全暴露出来。主要是因为当时技术的落后，以及军用无人机对航迹规划要求低等因素共同决定的。随着防空体系的不断发展和完善，使用人工规划出来的粗糙航迹无法满足突防的要求。与此同时，随着通信卫星和侦察卫星技术的飞速发展，获取敌方防空体系的信息变得很容易，获取的信息也越来越多。针对大量的信息，手工操作无法处理这样大量的信息，因此需要设计相应的软件或硬件系统来对这些信息进行处理。无人机一般都是针对特定的飞行任务来进行飞行的，所以对无人机进行航迹规划时必须考虑无人机所要执行的任务，在进行航迹规划时必须以任务为依据。电子科技大学硕士学位论文无人机航迹规划的目的是根据无人机性能载荷及作战任务的不同对无人

21、机进行合理的分配，以保证完成任务的时间并且总的油耗代价及威胁代价最小。从时间上来说，航迹规划可分为预先规划和实时规划。预先规划是在无人机执行任务前，由地面控制站制定的，主要是综合任务要求、地形环境和无人机任务载荷等因素进行规划；实时规划是在无人机飞行过程中，根据实际的飞行状况和环境及战场出现的新威胁分布状况，对预先规划好的航迹进行局部调整，用以保证无人机不被敌方侦察雷达探测到或避免敌方火力系统的攻击。在未来战争中，品种众多、功能各异的无人机必将在广袤空域中无处不在，无所不能，会在对地攻击和侦察、监视任务中大显身手。因此对无人机的飞行航迹规划进行研究，将为无人机执行作战任务提供可靠的服务。又由于

22、在未来战争中会大规模地使用无人机，这就要求无人机地面控制系统能够对多架无人机进行协同控制，特别是对无人机的侦察监视任务，就更需要多架无人机协同进行。另外，未来战场瞬息万变，在不确定环境下对预先规划的航迹进行及时的调整和更正是非常有必要的。1 2 无人机航迹规划的研究现状1 2 1 国外研究现状上世纪八十年代以来，美国投入了大量的人力物力进行航迹规划技术的研究。美国系统控制技术公司(S y s t e mC o n t r o lT e c h n o l o g yI n c o r p o r a t i o n，简称S C T)为空射巡航导弹(A i r-L a u n c h e dC

23、r u i s eM i s s i l e)开发了自动航迹产生模块(A u t o m a t i cR o u t i n gM o d u l e)，波音航空公司开发了基于人工智能(A r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c e，简称A I)的任务规划软件。九十年代以来，美国航空航天局(N A S A)和美国军方联合研究了一项名为A N O E(A u t o m a t e dN a p o f-t h e E a r t h)的项目，目的是为了辅助直升机驾驶员实施贴地(N a p o f-t h e E a r t h)Z 行瞄J 3 1 1 4

24、 。经过多年的发展，航迹规划已经不再作为单独的系统来研究。而是将其作为一个子系统集成到“战术飞行管理系统(T a c t i c a lF l i g h tM a n a g e m e n t S y s t e m，简称T F M S)”、“自主式G P S M A P 地形跟踪地形回避、威胁回避(T e r r a i nF o l l o w i n g T e r r a i nA v o i d a n c e、；I h r e a tA v o i d a n c e，简称T F T A Z)氐空突防系统 和“任务规划系统(M i s s i o nP l a n n i n

25、gS y s t e m，简称M P S)”等综合性系统中【2 儿5 1。美国陆海空三军都装备有不同类型的任务规划系统，可适应各种不同的需要。如空军的任2第一章绪论务支援系统M S S I I+(M i s s i o nS u p p o r tS y S t e m)、海军的战术飞行器任务规划系统T A M P S(T a c t i c a l A i r c r a f t M i s s i o nP l a n n i n gS y s t e m l，陆军的基于地形的任务规划系统T M P W(T e w d i nM i s s i o nP l m m i n gS y s

26、t 锄)等。美国研制的任务规划系统已经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。英国已成功研制出P a t h f i n d e r 2 0 0 0 任务规划系统；法国目前装备有M I P S Y、C I N N A 和C I R C E 2 0 0 0 三种系列任务规划系统。图I-IS A I C 任务规划系统2 0 0 8 年，B A E 系统公司为美国航空作战系统开发了下一代任务规划系统结构，联合任务规划系统(J M P S)是一项美空军和海军合作进行的软件开茇项目，旨在将不同军种的任务规划集中化。美国A n m 蛳c a l G r a p h i c s I N C

27、 公司(简称A G I 公司)开发的分析软件卫星开发包S T K(S a t e l l i t e T o o lK i t)，在对飞行器设定相应的参数后，能够实现任务建模，整个无人机任务过程的预演功能，对现代作战中无人机实时模拟有很大的促进作用。美国通用原子公司开发的集成传惑器控制与分析软件(I n t e g r a t e dS e n s o rP a y l o a d C o n t r o la n d A n a l y s i sS o f t w a r e)，用于进行有效载荷控制、图像和数据采集、以及任务规划和分析。现已在无人机系统和地面站中使用，用于进行任务规划。波音

28、公司先进无人机系统部为无人机开发了任务管理软件，该软件采用美陆电子科技大学硕士学位论文军“未来作战系统”(F C S)计划正在开发的“系统通用使用环境系统(S O S C O E)信息层，该信息层可使不同的平台之间实现网络中心信息共享。从明年开始，波音公司先进无人系统部将能部署以S O S C O E 为基础的任务管理系统，实现使用相同的软件和地面站控制不同的无人机。1 2 2 国内研究现状从八十年代起，我国开始了地形跟踪与回避技术的研究。进入九十年代后，该技术得到了较好的发展，特别是北京航空航天大学飞行力学教研室在这方的研究非常突出，并取得了不少的科研成果【3】。其它的一些大学也在航迹规划的

29、相关技术上取得了一定的进展，如南京航空航天大学的沈春林教授、西北工业大学的袁建平教授和哈尔滨工业大学的崔秸涛博士等。到目前为止，我国的航迹规划系统正朝着智能化、实时性、实用性方向发展，但是技术还远落后于西方发达国家的水平。我国是从9 5 年开始进行无人机任务规划方面的研究的，“无人机自动任务规划系统的设计与实现 被列入了国家的九五预研项目中，并成为“9 5 预研课题“无人机飞行管理与控制关键技术研究”的子课题。由北京大学遥感与地理信息系统研究所空间信息处理与可视化实验室设计与开发的“航空遥感任务规划、检测与评估一体化系统”(简称M P M E S)可服务于无人机航空摄影测量与遥感飞行前的航迹设

30、计。北京宏宇航天技术有限公司开发的飞行服务软件包(F l i g h tS e r v i c e)，是以S T K为基础开发的飞行器实时三维可视化软件，用于进行飞行器二维和三维航迹规划，并且能够将地面观测网的实时遥测数据以二维三维的方式准确的显示出来，供地面指挥人员快速了解飞行器的运行状态。1 3 本文的主要工作及结构安排本文的主要工作是结合课题任务，根据无人机航迹规划技术的理论和方法，针对实施任务的机载传感器和飞行场景中威胁模型的仿真和实现展开研究，目的是在P C 平台上实现无人机飞行航迹自主规划以及飞行过程的仿真。本文的主要工作具体包括以下内容：第一章：绪论简要介绍了本课题研究的背景和意

31、义，概括总结了无人机任务规划技术的发展概况和国内外现状，并说明本文的研究内容和结构安排。4第一章绪论第二章：对整个系统的框架做了详细的介绍，包括系统的组成和各个模块之间的功能介绍，然后对系统的仿真流程进行了详细的论述。第三章：根据飞行场景中已知的威胁信息，建立相应的威胁模型。对于探测威胁和火力攻击威胁、天气威胁，分别建立了相应的概率模型。然后结合飞行场景中的地形高程数据，将威胁模型叠加到地形高程数据中，生成等效的电子地图。第四章：对机载传感器的主要参数以及成像模型的建立进行了分析和研究。介绍了三种机载传感器(S A R，红外和可见光)的建模和仿真过程。对传感器的主要参数进行了研究，为分析传感器

32、覆盖范围提供了依据。第五章：对无人机航迹规划算法进行了分析和研究。介绍了几种常见的无人机航迹规划算法，对各种算法的优缺点进行了论述；建立了无人机航迹规划模型，详细探讨了规划空间和航迹节点的表示方法，以及节点代价函数；采用稀疏A 木搜索算法进行了无人机航迹规划，使得规划出的航迹点能够满足无人机自身的条件约束，对节点的扩展过程进行了详细说明；然后根据需要将规划好的航迹进行了改进，对航迹节点进行了删减，去除掉冗余的节点，从而减小了存储设备的负荷，能够满足大场景的规划。最后对算法进行了仿真和分析验证。电子科技大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案无人机任务规划系统是一项考虑了许多约束条件的系统工程，一

33、个高效的任务规划系统对于提高无人机侦察和监视的能力来说是非常重要的。从系统的角度分析任务规划需要考虑很多因素条件，首先是要对所要执行的任务进行全面的分析，然后是对各种有效载荷的合理配置，除此之外要求规划必须满足无人机的飞行特性、空中交通管制规则以及其他标准等。本章从无人机任务规划的概念出发，分析无人机系统的信息需求环境和构建要求以及当前仿真技术的发展状况，设计了无人机任务规划系统的基本结构，并根据需要对系统进行了模块化设计。2 1 任务规划系统概述任务规划系统(M i s s i o nP l a n n i n gS y s t e m，M P S)就是统筹评估目标和载荷性能、威胁和约束以及

34、政策战略问题，进行资源的合理分配的综合系统【6】。例如必须考虑规划空间中的各种约束条件，飞机进入目标区域的进入点和出口点，并且保证最大限度的隐蔽(即减少在飞行过程中对敌方雷达的散射面积)飞行，同时还要避免长时间的在高层空域进行飞行。任务规划系统的有效性关系到无人机能否顺利完成任务，飞机的生存概率和能源消耗的优化问题。因此一个好的系统必须能够对已知的所有信息进行全面合理的统筹安排，发挥系统实际的潜力。2 1 1 任务规划系统组成无人机任务规划的目的是在对各种资源合理配置的前提下，通过各种不同的优化算法，计算出一条最佳的飞行航迹，在确保无人机自身安全的前提下，最大限度的发挥有效载荷的性能，完成规划

35、任务。规划系统主要由威胁建模、任务规划、航迹规划和战术辅助决策等子系统组成。在无人机地面控制站(G r o u n dC o n t r o lS t a t i o n，G C S)的协调和支配作用下，实现对无人机的任务规划和重规划。规划系统应该给出的内容主要包括无人机资源分配、敌方目标分配、任务分配和可供飞行航迹等。6第二章系统总体设计方案21 2 任务规划系统关键问题无人机进行低空飞行和究防地区的地形地貌以及空中防御系统相关信息的获取是任务规划系统中首先要解决的问题，这部分信息的准确性直接决定了规划出来的航迹的质量。这方面的信息一般是通过情报部门来获取，他们采用卫星遥感或其他的各种情报手

36、段来获取信息。因为任务规划一般是通过计算机来完成的，所以必须将获取到的信息转换成便于计算机处理的数据，对于所获取的地形信息来说，需要建立相应的数字地形数据库，如美国的D T E D(D i 季t e lT e n：a i nE l c v a t i o n)，生成地形高程模型图如图2 1 所示。在进行规划时任务规划系统必须综合考虑地形数据库的特征，来确定无人机的可飞行区域和飞行高度。而对于所获取的信息中的相关空中防御信息，在第三章中会进行详细分析。图2-l 地形高程模型图航迹规划算法是无人机任务规划系统的另一个关键问题，因为无人机所面临的战场是相当复杂且地域非常广阔的，因此对航迹节点的搜索带

37、来了很强的复杂性，对于这些问题的处理面临着极大地挑战性。到目前为止，国内外不少学者在这方面做了大量的研究也存在不同的看法和论述，但是多数专家一致认为对于航迹规划应该采用分层的思想进行。根据不同的分层，可以将航迹规划分为两个步骤来进行，主要包括全局航迹规划和实时航迹规划。全局航迹规划就是在无人机飞行前根据情报部门获得的信息进行规划，生成无人机飞行前的参考航迹；而电子科技大学硕士学位论文实时航迹规划是指在无人机飞行时，根据实时获取的相关信息对航迹进行局部调整，以满足无人机的飞行要求，提升无人机的生存概率。2 2 仿真系统的结构框架根据系统要求，结合无人机任务规划系统的目的和关键问题，设计的无人机任

38、务规划系统结构图如图2 2 所示。传感器参数威胁信息丫丫飞行任务传感器建模威胁建模地形数据，整体航迹规划，实时地形生成参考航迹实时威胁1r航迹局部调整j飞行仿真图2-2 无人机任务规划系统结构为了实现对无人机航迹规划算法的理论分析、威胁模型的显示以及航迹规划结果的显示与分析，按照功能将系统分为传感器建模模块、威胁建模模块、航迹规划模块。下面分别对个模块的功能进行介绍。传感器建模模块传感器建模是指根据机载传感器的性能参数，通过计算分析出在无人机飞行过程中各传感器在地面上覆盖范围的大小，主要应用在进行侦察或测绘任务时。本文主要针对合成孔径雷达、红外传感器和光电传感器进行分析建模。为了第二章系统总体

39、设计方案计算各种传感器的对地覆盖范围，建立不同传感器的相关参数模型，将分析结果输入到任务分析模块，完成对任务的划分。对于合成孔径雷达来说，主要包括探测距离、波束宽度、入射角、探测概率和虚警概率的参数模型。因为光学传感器一般都属于被动式探测，其主要分析的参数包括作用距离、视场、虚警概率和检测概率等因素。威胁建模模块威胁建模是指给定威胁源的分布状况和战术参数，以威胁源为中心、以威胁作用距离为半径的空间区域内各点威胁级别的计算模型。威胁模型也可以表现为在平坦的地面上，通过威胁信息形成的、不考虑地形遮蔽、地杂波和地球曲率等因素的威胁暴露区。在创建威胁的同时必须考虑地形信息对威胁的影响，主要在对威胁的作

40、用范围上。在进行航迹规划过程中就可以利用地形和地貌的信息对威胁的遮蔽和影响，进行低空飞行，从而降低了飞机被雷达探测到的概率。本文主要对飞行空间内存在的探测威胁和火力攻击威胁进行建模仿真，通过分析各种威胁的作用距离及作用范围，建立等效的地形模型，然后将等效地形模型叠加到数字电子地图中，生成等效电子地图，便于进行规划。航迹规划模块航迹规划是指在相关约束条件下，寻找出无人机从初始点到目标点满足预定性能指标最优的飞行航迹。在规划过程中通常采用地形跟随、地形回避和威胁回避等策略。因此航迹规划需要各种技术，如现代飞行控制技术、数字地图技术、优化技术、导航技术及传感器数据融合等多种技术的支持。航迹规划主要任

41、务包括对指定任务的分析、代价函数的建立、初始航迹的生成、航迹调整和平滑以及航迹校验。简单说就是，在敌方威胁、地形威胁的约束条件下，采用优化算法计算出飞机到目标之间安全、有效的飞行航迹。然后根据飞机的动力学特性、天气和电磁干扰等从时间、高度上对航迹进行调整和平滑处理，最后对航迹进行校验，判断任务的有效性。2 3 系统仿真流程在无人机进行航迹规划之前，需要对所需的各种信息进行收集，主要包括飞行区域的地形地貌信息以及敌方空域中的防空布局，通过建立相应的模型将这些信息敷设到电子地图中。然后进行任务假想，设定任务后，结合无人机自身的性9电子科技大学硕士学位论文能约束条件和无人机航迹规划算法，规划出适用于

42、无人机飞行的参考航迹。无人机任务规划系统的流程如图2 3 所示。图2-3 任务规划系统仿真流程(1)系统初始化，输入飞行任务、威胁信息、地形数据和机载传感器的特定参数。(2)根据输入的威胁信息，通过建立的威胁模型计算出威胁的作用范围，将作用范围和地形数据相叠加，完成等效电子地图模拟。(3)依据输入的机载传感器参数，通过创建的传感器模型，计算出各传感器在无人机飞行过程中工作时的覆盖范围。(4)对飞行任务进行分解，主要是根据载荷的覆盖范围，将飞行任务用一系列的点表示出来，便于计算机存储。(5)结合以上信息，再结合高性能的航迹规划算法，制定出满足无人机飞行的参考航迹。(6)在飞行过程中，由于外界环境

43、的不确定性，需要根据实时获取的地形数据和敌方火力分布情况对局部航迹进行相应的调整来适应外界环境的改变。l O第二章系统总体设计方案2 4 本章小结无人机任务规划系统是无人机系统的重要组成部分。本章首先对无人机任务规划的概念和主要任务进行了简要说明。然后设计了系统的结构图，并对系统进行了模块化划分，设计了威胁建模，传感器建模和航迹规划三个重要的功能模块，并对各模块的功能和任务进行了分析；最后对整个系统的流程进行了详细的说明。电子科技大学硕士学位论文第三章威胁信息建模在无人机进行任务规划过程中，为了反映出飞行场景中真实的状况，首先必须获取飞行区域中的地理信息和各种威胁信息，然后结合飞行任务区域内的

44、地形高程数据和威胁信息建立威胁模型，并将威胁模型以及地形高程数据加载到无人机的待飞区域，完成飞行空间的模拟。本章主要任务是依据仿真的要求，建立几种常见的威胁模型。3 1 无人机威胁环境无人机在飞行过程中经常面临的威胁环境主要分为自然因素和人为因素两种，其中主要的威胁来源还是后者。在现代错综复杂的战场环境中，空间防御越来越多的被各个国家所重视，因此在飞行过程中如何躲避敌方的空间防御力量也被人们所重视。自然因素在无人机飞行过程中，可以利用地球曲率和地表地形进行掩护，降低敌方雷达的发现概率，但这会给无人机侦察带来负面影响：地面上存在着大量的障碍物如高压电线、电线杆、风车、烟囱、高层建筑以及反常地形对

45、飞机的安全构成极大威胁，空中气流的变化也会严重影响飞行的稳定性，这样会增加无人机的坠毁概率。因此需要对飞行区域内的自然因素进行全面分析，从而制定妥善的飞行策略。在无人机进行侦察任务时，主要飞经的环境区域包括海洋、平原、丘陵、山地等。不同的环境中要求以不同的飞行方式进行。一般依据的原则主要包括：(1)遇到孤立的山峰、高地，采用地形回避的飞行方式，从而绕过山峰和高地。(2)遇到复杂的地形，应该实行地形跟踪和地形回避两种策略。(3)遇到烟囱、铁塔、高层建筑等障碍物，采用横向障碍回避飞行，遇到高压线则应该纵向回避。(4)遇到由于天气原因无法穿越的区域时(如台风眼、经常雷雨区等)，飞机应尽可能的以地形回

46、避方式飞行。从上面的几种情况分析来看，自然因素中最主要的就是地形因素，它直接决1 2第三章威胁信息建模定了飞机在飞行过程中撞地和撞山的概率。人为威胁因素人为因素是指敌方有意实施的干扰和对突防飞机进行的直接攻击。在敌方重要目标附近总是部署各种防御设施，这些设施的防御区往往互相覆盖，对飞行的无人机构成很大的威胁。在无人机执行任务的过程中，通常遇到的人为威胁分为两类：一类是探测威胁；另一种是火力攻击威胁。火力威胁往往是在探测到目标之后才发动进攻的。所以，无人机首先是要防止自身被探测到，其次做到如果被发现，如何逃离对方的攻击范围，以至于自己不被击落。下面以多层防御为例介绍无人机飞行空间的人为威胁因素。

47、主要包括三种：远区防御；中区防御；近区防御。(1)远区防御远区防御主要由远区预警、监视系统、歼击机空空导弹组成，并向着地面、空中、空间三位一体多层防御网方向发展。地面预警系统主要由远程三坐标雷达配备补盲雷达和后向散射超视距雷达两种形式。第一种形式如美国和加拿大的名为“北方预警系统，它由1 3 部A N F P S 1 1 7远程三坐标监视雷达和3 9 部无人值守的二坐标近程雷达。前者探测距离可达3 7 0 k m，频率为1 2 1 5 M H z 1 4 0 0 M H z，L 波段；后者担负低空监视，增补了前者的缝隙，探测距离为13 0 k m。前苏联从1 9 8 3 年开始部署新型低空监视

48、雷达，与原有的雷达和预警卫星配合，可早期发现低空飞行的飞机和巡航导弹。第二种形式为后向散射超视距雷达，工作频率一般在2 M H z 一3 0 M H z，其电波穿不透电离层，在地面和电离层之间跳跃传播，可探测到地平线以下的低空目标，作用距离可达3 0 0 0 k m 3 3 0 0 k m。前苏联部署的超视距雷达0 T H R，频率为4 M H z 一3 0 M H z，探测距离为8 0 0 k i n 一1 0 0 0 k i n。空中预警系统主要有预警机(机载预警、。控制系统)、预警直升机、预警气球、预警无人机和浮空器(侦察气球和预警飞艇)等。预警机集预警、指挥、控制、通信和打击等多项功能

49、于一身，是现代战争不可或缺的高技术武器装备。其特点是：监视空域大，作用距离远，续航时间长，雷达平台机动灵活，对小雷达反射面目标探测性能好，生存能力强。由于载机升高，克服了地面(或舰上)预警雷达视线受到地球曲率的限制，对低空飞行的无人机可在远距离探测到。另外，由于预警机采用了脉冲多普勒雷达，有效抑制了地面电子科技大学硕士学位论文和海面杂波的影响，提高了预警机对无人机等低空目标的探测能力。如美国的E 一3 A“哨兵 预警机，装有威斯汀豪斯公司研制A N A P Y-2 型S 波段脉冲多普勒雷达，能侦察到2 7 0 k i n 远的低空飞行目标。前苏联部署的伊尔7 6“中坚”预警机，对飞机和巡航导弹

50、的探测能力与E 3 A 相似。预警直升机是由军用直升机发展而来的，与预警机作用相同，但比其机动能力强、造价低。英国皇家海军成立了世界上第一个直升机预警中队，首先配备了两架“海王”M K 2 预警直升机，机上装有水面搜索雷达，I 波段，在3 k m 空中巡航，能探测1 6 0 k m 的巡航导弹。空间预警系统空间预警系统是指将各种光电探测设备(如雷达、红外探测器、带滤光镜的望远镜等)安装在卫星，飞船等空间平台上。例如，美国目前正在大力研究和部署的天基红外预警卫星系统，能穿透大气层，可以在1 0,-2 0 秒左右的时间内测得预警信息，并传至地面防空系统；还有美国国防部高级研究计划局域空军联合研制的