攻击型无人机飞行航迹优化设计与仿真
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摘要
无人机的发展是当前世界武器发展的重点之一。攻击型无人机具有飞机和导弹的双重特点，即具有远距离巡航飞行能力和精确打击能力，又能完成摧毁敌方区域内目标的同时不会有人员生命伤亡，还能在目标关机后起到压制作用，正是凭借其独特的优势得到了世界各国的广泛关注和深入研究。本文就是针对攻击型无人机航迹优化问题，对爬升、巡航、待机搜索段分别进行研究、探讨、仿真、分析，给出了具有实际工程应用价值的飞行航迹。主要内容包括：
1．结合无人机实际情况，建立无人机数学仿真模型。
2．应用非线性规划方法对无人机在垂直平面内的最优上升轨迹进行优化设计，经优化后的爬升轨迹可以快速爬升到预定的终点高度，具有较好的性能效益。
3．运用启发式搜索算法对巡航段进行优化设计。为得到较好的优化路径而采取的模糊变权处理方法，提高了飞行航迹规划系统的有效性。
4．运用最大值原理对待机搜索段进行优化设计，并且应用博弈论、动态规划方法对搜索策略进行设计，提高了无人机使用效率和作战效能。
5．对所优化设计的飞行航迹分别进行飞行仿真验证与分析。
对无人机优化航迹的仿真结果表明，优化设计结果是合理的，证实了其有效性和可行性。
The development of unmanned aerial vehicle (UAV) is one of those important aspects of world's weapons. The attack UAV gets a worldwide interest for its distinctive advantages. This paper aims to the problem of trajectory Optimization of UAV, which includes the optimal climb trajectory, the optimal cruise trajectory and the optimal loiter trajectory. The optimal trajectory with practice value is given, after studying and simulating and analyzing. The main contents of this paper are as follows:
1. Set up the nonlinear model of the Attack UAV.
2. Design the optimal climb trajectory of the Attack UAV in the vertical plane using nonlinear programming. The calculation result states that the final altitude predetermined can be climbed fast and there are beter the profit in performance according to the climbing trajectory optimized.
3. Design the optimal cruise trajectory of the Attack UAV in the horizontal plane using heuristic search algorithm. A fuzzy changed-weight method is used in order to get optimal trajectory. The method is efficient to improve the performance in flight.
4. Design the optimal loiter trajectory of the Attack UAV in the horizontal plane using maximum principle and desige the loiter strategy of the Attack UAV using dynamic programming algorithm and game theory.
5. To this designed the optimal trajectory, simulations are completed respectively, and results are analyzed.
The results of simulation for the optimal trajectory of attack UAV show that the optimal trajectory has met the demand. All these testify that optimal methods are effective and feasible.
1．结合无人机实际情况，建立无人机数学仿真模型。
2．应用非线性规划方法对无人机在垂直平面内的最优上升轨迹进行优化设计，经优化后的爬升轨迹可以快速爬升到预定的终点高度，具有较好的性能效益。
3．运用启发式搜索算法对巡航段进行优化设计。为得到较好的优化路径而采取的模糊变权处理方法，提高了飞行航迹规划系统的有效性。
4．运用最大值原理对待机搜索段进行优化设计，并且应用博弈论、动态规划方法对搜索策略进行设计，提高了无人机使用效率和作战效能。
5．对所优化设计的飞行航迹分别进行飞行仿真验证与分析。
对无人机优化航迹的仿真结果表明，优化设计结果是合理的，证实了其有效性和可行性。
The development of unmanned aerial vehicle (UAV) is one of those important aspects of world's weapons. The attack UAV gets a worldwide interest for its distinctive advantages. This paper aims to the problem of trajectory Optimization of UAV, which includes the optimal climb trajectory, the optimal cruise trajectory and the optimal loiter trajectory. The optimal trajectory with practice value is given, after studying and simulating and analyzing. The main contents of this paper are as follows:
1. Set up the nonlinear model of the Attack UAV.
2. Design the optimal climb trajectory of the Attack UAV in the vertical plane using nonlinear programming. The calculation result states that the final altitude predetermined can be climbed fast and there are beter the profit in performance according to the climbing trajectory optimized.
3. Design the optimal cruise trajectory of the Attack UAV in the horizontal plane using heuristic search algorithm. A fuzzy changed-weight method is used in order to get optimal trajectory. The method is efficient to improve the performance in flight.
4. Design the optimal loiter trajectory of the Attack UAV in the horizontal plane using maximum principle and desige the loiter strategy of the Attack UAV using dynamic programming algorithm and game theory.
5. To this designed the optimal trajectory, simulations are completed respectively, and results are analyzed.
The results of simulation for the optimal trajectory of attack UAV show that the optimal trajectory has met the demand. All these testify that optimal methods are effective and feasible.
引文
[1]晁祥林，陈琪，无人战斗机的发展及其关键技术，飞行力学，VOL．19,NO．3,2001。
[2]辛健成，美国海军无人机发展历程，机器人技术与应用，2000．5。
[3]傅盛杰，杨静宇，21世纪军用无人机将一展宏图．国际航空，2000年第5期。
[4]胡军，张百顺，周胜利，电子战中无人机的任务及生命研究，航空科学技术，2000年第2期。
[5]岳晓宏，景华，无人机系统发展技术，航空科学技术，2000年第1期。
[6]胡兆丰，何植岱，高浩．飞行动力学——飞机的稳定性和操纵性，国防工业出版社，1991。
[7]张明廉，飞行控制，国防工业出版社，1991。
[8]穆虹，防空导弹雷达导引头设计，宇航出版社，1995．9。
[9]程国采，战术导弹导引方法，国防工业出版社，1996．4。
[10]娄寿春，导弹制导技术，飞航导弹，2000．8。
[11]李忠应，最优过程理论及其在飞行力学中的应用，北京航空航天大学出版社，1990．2。
[12]D．M．希梅尔布劳[美]，实用非线性规划，科学出版社，1981。
[13]阮春荣[美]，大气中飞行的最优航迹，宇航出版社，1987。
[14]应玖茜，魏权龄，非线性规划及其理论，中国人民大学出版社，1994。
[15]陈智全，李忠应，巡航导弹航迹规划综述，战术导弹技术，1994．3。
[16]王永县，运筹学——规划论及网络，清华大学出版社，1993
[17]潘荣霖，飞航导弹自动控制系统，宇航出版社，1991。
[18]汤善同，非线性规划方法在弹道优化设计的应用，现代防御技术，1995．6。
[19]税清才，方振平，非线性数学规划在飞行力学中的应用，飞行力学，1995．9。
[20]邓克绪，用最大值原理求某无人机的最优上升轨迹，飞行力学，1996．9。
[21]胡昱，高金源，应用模糊变权的启发式搜索进行飞行轨迹优化，飞行力学，1998．6。
[22]王士同，陈剑夫，人工智能中的模糊启发式搜索技术，机械工业出版社，1993．6。
[23]蔡宜三，最优化与最优控制，清华大学出版社，1983。
[24]程极泰，最优设计的数学方法，国防工业出版社，1981
[25] Lawrence D.Stone, Theory of Optimal Control, AVADEMIC PRESS, 1975o
[26] Vitaly Ablavsky, Steven Holden, Efficient Pursuif of A Moving Target Via SpatialConstraint Exploitation, AIAA--2001--4237。
[27] Vitaly Ablavsky, Charles River, Optimal Search for A Moving Target:A Geometric Approach, AIAA--2000--4060。
[28] Harland Romberg, A Game Theoratic Approach to Search, AIAA--2000--4052。
[29] P chandler, S.Rasumassenand M.Pachter, UAV Cooperative Path Planning, AIAA--2000--4370。
[30] Joell Ryan, T.Glemn Bailay and James T.Moore, Reactive TABU Search in Unmanned Aerial Reconnaissance Simulation, Proceeding of the 1998 Winter Simulation Conference。
[31] Timothy W.Molain, Phillip R.Chandlers and Meir Pachter, A Decomposition Strategy for Optimal Coordination of Unmanned Air Vehicle, Preedings of the American Control Conference, 2000。
[32] Randal W.Beard, Timothy W.Mclain and Michael Goodrich, Coordinated Target Assignment and Intercept for Unmanned Air Vehicle。
[33] T.Mclain, R.Bead, Cooperative Rendezvous of Muitiple Unmanned Air Vehicles, AIAA--2000--4369。
[34] 王永县，运筹学—规划论及网络，清华大学出版社，1993。
[35] 军事运筹学，国防工业出版社，1998。
[36] 孙凡，攻击型无人机抗目标雷达关机措施研究，西北工业大学硕士论文，2001。
[37] 郑涛，无人机系统的仿真建模研究，西北工业大学硕士论文，2001。
[38] 陈怦，变化风场中无人机发射过程仿真参数优化和敏感性分析，西北工业大学硕士论文，2001。
[39] 朱战霞，西北工业大学博士论文，2001。
[40] B．楚耶夫[苏]，军事技术运筹学基础，国防工业出版社，1981。
[41] 中华人民共和国国家标准，坐标轴系和飞行器运动状态量，1997。
[42] 365所内部资料，AR—17无人机末制导精度分析。
[43] 聂铁军，数值计算方法，西北工业大学出版社，1989。
[44] 概率论与数理统计，浙江大学出版社，1992。
[45] 徐明，Fortran PowerStation 4.0 基础教程，清华大学出版社，2000。
[46] 孙金标，整体气动外形与RCS一体化设计研究，西北工业大学博士论文，1994
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