分散式思想在多艦載機協(xié)同航跡規(guī)劃中的應(yīng)用

胡櫻芝等

摘 要：艦載機的航跡規(guī)劃對發(fā)揮艦載機作戰(zhàn)效能起著至關(guān)重要的作用。多艦載機協(xié)同攻擊是艦載機作戰(zhàn)過程的一個基本方式，文章通過分散式思想對多艦載機協(xié)同攻擊航跡規(guī)劃問題進行探討，是未來多艦載機協(xié)同攻擊航跡規(guī)劃的一種思路。

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

在未來海上作戰(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，單架艦載機一般很難實現(xiàn)預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)，多艦載機協(xié)同配合是艦載機執(zhí)行任務(wù)的基本方式，多架飛機配合完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程的航跡規(guī)劃要求能最大限度的利用地形信息和敵情信息，綜合考慮艦載機本身的導(dǎo)航精度和機動能力的限制，在一定的時間限定內(nèi)計算出從現(xiàn)在的位置到指定位置的最優(yōu)或者次優(yōu)的飛行軌跡，使單個艦載機或者多艦載機群整體作戰(zhàn)效能最大、受到的威脅和損失最小。這種情況下，多艦載機系統(tǒng)的協(xié)同難度遠大于單艦載機航跡規(guī)劃，是艦載機團隊完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵之一。文章討論利用分散式思想對多架艦載機實施協(xié)同航跡規(guī)劃，為多架艦載機協(xié)同飛行問題提供思路。

1 任務(wù)情景描述

在多艦載機協(xié)同飛躍障礙、實施探測、完成攻擊的任務(wù)中，要求多架艦載機從不同方向同時到達或者按照預(yù)先指定的先后次序，依次從同一方向進入所關(guān)心的敵方軍事目標(biāo)。每架艦載機除自己進行航跡規(guī)劃外，也作為團隊的一分子實現(xiàn)整體的協(xié)同航跡規(guī)劃。這個過程中單個艦載機航跡規(guī)劃中除了最小的被探測概率、航時/航程限制、規(guī)避威脅和障礙物等目標(biāo)外，還要滿足整個艦載機飛行團隊航跡規(guī)劃目標(biāo)，整個團隊的航跡規(guī)劃目標(biāo)包括航程時間、最小的被探測概率、燃料最少、一定的分散性等。文章假定N架艦載機、M個目標(biāo)點，艦載機位于不同的起始位置，需要經(jīng)過變化的一個威脅場，有些威脅點的信息是已知的，有些威脅是未知的或者是變化的，對目標(biāo)比如敵方航母實施攻擊。此時，航跡規(guī)劃相對于單艦載機航跡規(guī)劃來說復(fù)雜得多。求解這一最優(yōu)協(xié)同會聚航跡問題就是選擇具有最小被探測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，即總的威脅代價最?。海€需要保證任務(wù)時間約束和航時/航程約束可以滿足。這里？孜i表示艦載機航跡上若干途經(jīng)點的x，y坐標(biāo)；vi表示艦載機的飛行速度。

2 分散式思想的提出

這一優(yōu)化問題可以通過一種集中的求解方式來解決，但集中解決航跡規(guī)劃問題過程中存在的一些問題，首先這種解決思路需要大量的信息傳遞，每架飛機的運動狀態(tài)、性能指標(biāo)、所處的戰(zhàn)場態(tài)勢都需要傳遞給航跡規(guī)劃中心，且通信過程中要求每架艦載機通信過程中鏈路隱蔽、準(zhǔn)確、可靠，這點在快速多變戰(zhàn)場態(tài)勢中不容易實現(xiàn)，除此之外，集中解決航跡規(guī)劃問題容易使這一優(yōu)化問題變?yōu)橐粋€大規(guī)模、高維的優(yōu)化問題，計算量太大，不能滿足實時性的要求，也不利于擴展態(tài)勢。還有一點，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)任何的問題，整個作戰(zhàn)過程瞬間癱瘓。因此，一個較好的方法是采用分散式思想來處理這一優(yōu)化問題。分解的目的是把大的優(yōu)化問題分解為更小的更有可操作性的可直接優(yōu)化的問題，分布計算，減小通信量，同時為保留各個艦載機航跡規(guī)劃和其它任務(wù)的一定的獨立性，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團隊整體來看，分解首先需要定義和計算一個整個團隊最大成功完成任務(wù)的預(yù)計到達時間ETA，一般把ETA作為整個團隊航跡規(guī)劃尋優(yōu)的協(xié)同函數(shù)，通過協(xié)同函數(shù)傳遞各架飛機達到目標(biāo)的時間范圍。同時為每架艦載機定義一個協(xié)同變量（CV，coordination variables）和協(xié)同函數(shù)（CF，coordination functions），通過一個合適的機制使得協(xié)同時間的計算能夠達到可接受的通信和計算水平，將多維甚至無限維空間中尋優(yōu)問題的問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蘧S的問題。這種方式一般簡稱CV/CF方法。

多艦載機應(yīng)用分散式思想?yún)f(xié)同路徑規(guī)劃具體實施過程中，通過不同的軟件模塊完成單機路徑規(guī)劃、協(xié)同規(guī)劃、路徑平滑三個功能，如圖1所示，路徑規(guī)劃層中艦載機產(chǎn)生K條由一系列要求通過的航跡點組成的，能夠安全穿過相應(yīng)威脅場的對艦載機來說可能威脅或代價最小或次小的直線段相連的路徑，這個過程相當(dāng)于單艦載機航跡規(guī)劃過程。這樣就形成一個多個艦載機到達目標(biāo)的時間集合St，對N架艦載機組成的團隊，則有一個時間交集，這一時間交集就是預(yù)計到達時間ETA，將時間交集相應(yīng)的子集或者元素作為每架艦載機之間交流的內(nèi)容，稱之為協(xié)同變量，通過它對所有的艦載機都限定相同的值，這樣可以實現(xiàn)艦載機的協(xié)同。對每條航跡，其飛行時間不同代價也隨著變化，代價可作為協(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。路徑平滑層對協(xié)同規(guī)劃層選出的路徑進行平滑處理，滿足艦載機相應(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。這樣就通過分解思想減小了通信量，實現(xiàn)了多艦載機任務(wù)實施過程中航跡整體優(yōu)化、單艦載機局部自由的目的

圖1 多艦載機應(yīng)用分散式思想?yún)f(xié)同路徑規(guī)劃過程

4 結(jié)束語

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

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