胡櫻芝等

摘 要：艦載機(jī)的航跡規(guī)劃對(duì)發(fā)揮艦載機(jī)作戰(zhàn)效能起著至關(guān)重要的作用。多艦載機(jī)協(xié)同攻擊是艦載機(jī)作戰(zhàn)過(guò)程的一個(gè)基本方式，文章通過(guò)分散式思想對(duì)多艦載機(jī)協(xié)同攻擊航跡規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行探討，是未來(lái)多艦載機(jī)協(xié)同攻擊航跡規(guī)劃的一種思路。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；協(xié)同攻擊；分散式思想；航跡規(guī)劃

在未來(lái)海上作戰(zhàn)中，隨著海上作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜，作戰(zhàn)任務(wù)的日益多樣，單架艦載機(jī)一般很難實(shí)現(xiàn)預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)，多艦載機(jī)協(xié)同配合是艦載機(jī)執(zhí)行任務(wù)的基本方式，多架飛機(jī)配合完成作戰(zhàn)任務(wù)的過(guò)程的航跡規(guī)劃要求能最大限度的利用地形信息和敵情信息，綜合考慮艦載機(jī)本身的導(dǎo)航精度和機(jī)動(dòng)能力的限制，在一定的時(shí)間限定內(nèi)計(jì)算出從現(xiàn)在的位置到指定位置的最優(yōu)或者次優(yōu)的飛行軌跡，使單個(gè)艦載機(jī)或者多艦載機(jī)群整體作戰(zhàn)效能最大、受到的威脅和損失最小。這種情況下，多艦載機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同難度遠(yuǎn)大于單艦載機(jī)航跡規(guī)劃，是艦載機(jī)團(tuán)隊(duì)完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵之一。文章討論利用分散式思想對(duì)多架艦載機(jī)實(shí)施協(xié)同航跡規(guī)劃，為多架艦載機(jī)協(xié)同飛行問(wèn)題提供思路。

1 任務(wù)情景描述

在多艦載機(jī)協(xié)同飛躍障礙、實(shí)施探測(cè)、完成攻擊的任務(wù)中，要求多架艦載機(jī)從不同方向同時(shí)到達(dá)或者按照預(yù)先指定的先后次序，依次從同一方向進(jìn)入所關(guān)心的敵方軍事目標(biāo)。每架艦載機(jī)除自己進(jìn)行航跡規(guī)劃外，也作為團(tuán)隊(duì)的一分子實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)同航跡規(guī)劃。這個(gè)過(guò)程中單個(gè)艦載機(jī)航跡規(guī)劃中除了最小的被探測(cè)概率、航時(shí)/航程限制、規(guī)避威脅和障礙物等目標(biāo)外，還要滿(mǎn)足整個(gè)艦載機(jī)飛行團(tuán)隊(duì)航跡規(guī)劃目標(biāo)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)的航跡規(guī)劃目標(biāo)包括航程時(shí)間、最小的被探測(cè)概率、燃料最少、一定的分散性等。文章假定N架艦載機(jī)、M個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，艦載機(jī)位于不同的起始位置，需要經(jīng)過(guò)變化的一個(gè)威脅場(chǎng)，有些威脅點(diǎn)的信息是已知的，有些威脅是未知的或者是變化的，對(duì)目標(biāo)比如敵方航母實(shí)施攻擊。此時(shí)，航跡規(guī)劃相對(duì)于單艦載機(jī)航跡規(guī)劃來(lái)說(shuō)復(fù)雜得多。求解這一最優(yōu)協(xié)同會(huì)聚航跡問(wèn)題就是選擇具有最小被探測(cè)概率的飛行航跡以及合適的飛行速度，使得系統(tǒng)總的目標(biāo)函數(shù)值，即總的威脅代價(jià)最?。?，還需要保證任務(wù)時(shí)間約束和航時(shí)/航程約束可以滿(mǎn)足。這里？孜i表示艦載機(jī)航跡上若干途經(jīng)點(diǎn)的x，y坐標(biāo)；vi表示艦載機(jī)的飛行速度。

2 分散式思想的提出

這一優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)一種集中的求解方式來(lái)解決，但集中解決航跡規(guī)劃問(wèn)題過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，首先這種解決思路需要大量的信息傳遞，每架飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、性能指標(biāo)、所處的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)都需要傳遞給航跡規(guī)劃中心，且通信過(guò)程中要求每架艦載機(jī)通信過(guò)程中鏈路隱蔽、準(zhǔn)確、可靠，這點(diǎn)在快速多變戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中不容易實(shí)現(xiàn)，除此之外，集中解決航跡規(guī)劃問(wèn)題容易使這一優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)橐粋€(gè)大規(guī)模、高維的優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算量太大，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，也不利于擴(kuò)展態(tài)勢(shì)。還有一點(diǎn)，集中解決航跡規(guī)劃的思路容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，航跡規(guī)劃中心一旦出現(xiàn)任何的問(wèn)題，整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程瞬間癱瘓。因此，一個(gè)較好的方法是采用分散式思想來(lái)處理這一優(yōu)化問(wèn)題。分解的目的是把大的優(yōu)化問(wèn)題分解為更小的更有可操作性的可直接優(yōu)化的問(wèn)題，分布計(jì)算，減小通信量，同時(shí)為保留各個(gè)艦載機(jī)航跡規(guī)劃和其它任務(wù)的一定的獨(dú)立性，綜合考慮整體優(yōu)化和局部自由。

3 分散式思想基本策略

分散式思想基本思路是從艦載機(jī)團(tuán)隊(duì)整體來(lái)看，分解首先需要定義和計(jì)算一個(gè)整個(gè)團(tuán)隊(duì)最大成功完成任務(wù)的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間ETA，一般把ETA作為整個(gè)團(tuán)隊(duì)航跡規(guī)劃尋優(yōu)的協(xié)同函數(shù)，通過(guò)協(xié)同函數(shù)傳遞各架飛機(jī)達(dá)到目標(biāo)的時(shí)間范圍。同時(shí)為每架艦載機(jī)定義一個(gè)協(xié)同變量（CV，coordination variables）和協(xié)同函數(shù)（CF，coordination functions），通過(guò)一個(gè)合適的機(jī)制使得協(xié)同時(shí)間的計(jì)算能夠達(dá)到可接受的通信和計(jì)算水平，將多維甚至無(wú)限維空間中尋優(yōu)問(wèn)題的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蘧S的問(wèn)題。這種方式一般簡(jiǎn)稱(chēng)CV/CF方法。

多艦載機(jī)應(yīng)用分散式思想?yún)f(xié)同路徑規(guī)劃具體實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)不同的軟件模塊完成單機(jī)路徑規(guī)劃、協(xié)同規(guī)劃、路徑平滑三個(gè)功能，如圖1所示，路徑規(guī)劃層中艦載機(jī)產(chǎn)生K條由一系列要求通過(guò)的航跡點(diǎn)組成的，能夠安全穿過(guò)相應(yīng)威脅場(chǎng)的對(duì)艦載機(jī)來(lái)說(shuō)可能威脅或代價(jià)最小或次小的直線(xiàn)段相連的路徑，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于單艦載機(jī)航跡規(guī)劃過(guò)程。這樣就形成一個(gè)多個(gè)艦載機(jī)到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間集合St，對(duì)N架艦載機(jī)組成的團(tuán)隊(duì)，則有一個(gè)時(shí)間交集，這一時(shí)間交集就是預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間ETA，將時(shí)間交集相應(yīng)的子集或者元素作為每架艦載機(jī)之間交流的內(nèi)容，稱(chēng)之為協(xié)同變量，通過(guò)它對(duì)所有的艦載機(jī)都限定相同的值，這樣可以實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)的協(xié)同。對(duì)每條航跡，其飛行時(shí)間不同代價(jià)也隨著變化，代價(jià)可作為協(xié)同函數(shù)，它體現(xiàn)了協(xié)同變量的影響。這些工作在協(xié)同規(guī)劃層完成。路徑平滑層對(duì)協(xié)同規(guī)劃層選出的路徑進(jìn)行平滑處理，滿(mǎn)足艦載機(jī)相應(yīng)的力學(xué)約束（如最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大加速度等），使其成為可飛的航跡。這樣就通過(guò)分解思想減小了通信量，實(shí)現(xiàn)了多艦載機(jī)任務(wù)實(shí)施過(guò)程中航跡整體優(yōu)化、單艦載機(jī)局部自由的目的

圖1 多艦載機(jī)應(yīng)用分散式思想?yún)f(xié)同路徑規(guī)劃過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

文章應(yīng)用分散式思想針對(duì)多架艦載機(jī)協(xié)同攻擊目標(biāo)的航跡規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了研究。討論了多機(jī)協(xié)同問(wèn)題的特點(diǎn)之后，提出一種分散式思想在問(wèn)題解決中的基本策略，是多艦載機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃思路的有益探索。

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作者簡(jiǎn)介：胡櫻芝（1992，7-），女，河北保定市，學(xué)歷：本科，研究方向：艦炮。