基于数字地图的无人战斗机低空突防轨迹规划方法研究
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摘要
在无人战斗机进行低空突防任务时，如何提高生存率是关键。而要提高任务生存率，飞行前的全局轨迹规划和飞行中的实时轨迹规划就显得相当重要。本文就是围绕着这一点展开的。
首先，在轨迹规划前需要对数字地图进行平滑处理，本文提出了二维四次卷积插值法。它在二维三次卷积插值法的基础上利用三次样条插值法的插值函数具有三阶连续导数的性质而得来的。该算法比二维三次卷积插值法的插值精度更高，比三次样条法计算简单，满足无人战斗机实时飞行轨迹规划的要求。
其次，在轨迹规划中如何处理威胁信息一直是一个难点。传统的方法就是将威胁等效成具有某种形状的几何物体，然后等效成地面形状。但此类方法并没有考虑地形本身因素对飞行轨迹的影响。因此在对威胁回避的等效处理上，本文引进了LOS(视线)概念进行地形可视概率计算，把威胁回避等效为地形回避，然后把等效地形数据离散化叠加到原先的地形高程数据中，这样就充分地考虑了地形的屏蔽作用。
最后，本文在轨迹规划中提出了一种改进的遗传算法。该算法增加了几项操作算子(还原、重建、录优)，同时对传统的选择、交叉、变异算子加以改进，采用了保留杰出个体的选择法、多点随机交叉法、非一致性变异法等，增强了算法的全局搜索能力。此算法较传统的遗传算法不仅收敛速度快，而且在迭代过程中不易陷入局部最优解。将它应用到无人战斗机的低空突防任务中，能够在较少次数的世代繁衍中规划出一条最优路径。
It is the key to enhance UCAV's survival probability when it is taking in low altitude penetration mission.It is important for enhancing UCAV'suvival probality to plan an optimal route before flight or in flight. This paper has spreaded its content around this point.
At first, this paper presents two-demensional quartic convolution interpolation to smooth digital terrain.It is acquired from that it makes use of that the interpolation function of cubic spline interpolation has a continuous third derivative on the base of two-dementional cubic convolution interpolation.two-demensional quartic convolution interpolation is more precise than two-dementional cubic convolution and simpler than cubic spline interpolation in calculation.It can satisfy real-time route planning of UCAV.
Secondly, That how to deal with the threats information in planning route is an difficulty.The traditional methods that the threats information is deemed as terrain like cylinder or conic are not concerned about the primitive terrain. So the conception of LOS(Light Of Sign) is introduced into the equivalent treatment of treat avoidance in order to take account of terrain-shiled affection.
Finally,A new genetic algorithm is developed in this paper.Three new arithmetic operators which are introduced into the algorithm are Recording Better, Restoration and Reconstruction.What's more,The known arithmetic operators are also improved in order to expand searching scope. This algorithm has two advantages:1) high converging speed;2) globally-optimal selection.When it is applied to the route planning of UCAV's low altitude penetration mission,most optimal route is acquired but fewer generations have multiplied.
首先，在轨迹规划前需要对数字地图进行平滑处理，本文提出了二维四次卷积插值法。它在二维三次卷积插值法的基础上利用三次样条插值法的插值函数具有三阶连续导数的性质而得来的。该算法比二维三次卷积插值法的插值精度更高，比三次样条法计算简单，满足无人战斗机实时飞行轨迹规划的要求。
其次，在轨迹规划中如何处理威胁信息一直是一个难点。传统的方法就是将威胁等效成具有某种形状的几何物体，然后等效成地面形状。但此类方法并没有考虑地形本身因素对飞行轨迹的影响。因此在对威胁回避的等效处理上，本文引进了LOS(视线)概念进行地形可视概率计算，把威胁回避等效为地形回避，然后把等效地形数据离散化叠加到原先的地形高程数据中，这样就充分地考虑了地形的屏蔽作用。
最后，本文在轨迹规划中提出了一种改进的遗传算法。该算法增加了几项操作算子(还原、重建、录优)，同时对传统的选择、交叉、变异算子加以改进，采用了保留杰出个体的选择法、多点随机交叉法、非一致性变异法等，增强了算法的全局搜索能力。此算法较传统的遗传算法不仅收敛速度快，而且在迭代过程中不易陷入局部最优解。将它应用到无人战斗机的低空突防任务中，能够在较少次数的世代繁衍中规划出一条最优路径。
It is the key to enhance UCAV's survival probability when it is taking in low altitude penetration mission.It is important for enhancing UCAV'suvival probality to plan an optimal route before flight or in flight. This paper has spreaded its content around this point.
At first, this paper presents two-demensional quartic convolution interpolation to smooth digital terrain.It is acquired from that it makes use of that the interpolation function of cubic spline interpolation has a continuous third derivative on the base of two-dementional cubic convolution interpolation.two-demensional quartic convolution interpolation is more precise than two-dementional cubic convolution and simpler than cubic spline interpolation in calculation.It can satisfy real-time route planning of UCAV.
Secondly, That how to deal with the threats information in planning route is an difficulty.The traditional methods that the threats information is deemed as terrain like cylinder or conic are not concerned about the primitive terrain. So the conception of LOS(Light Of Sign) is introduced into the equivalent treatment of treat avoidance in order to take account of terrain-shiled affection.
Finally,A new genetic algorithm is developed in this paper.Three new arithmetic operators which are introduced into the algorithm are Recording Better, Restoration and Reconstruction.What's more,The known arithmetic operators are also improved in order to expand searching scope. This algorithm has two advantages:1) high converging speed;2) globally-optimal selection.When it is applied to the route planning of UCAV's low altitude penetration mission,most optimal route is acquired but fewer generations have multiplied.
引文
1.Sabi J. Asseo. Terrain Following/Terrain Avoidance Path Optimization Using The Method Of Steepest Descent. IEEE. 1998.
2.LiQing, GaoPan, ShenChunlin. Terrain Map Data Treatment for Low Altitude Penetration. IEEE. 1998.
3.T. Richard MacMillan etc. Knowledge Based Route Planning. IEEE. 1990.
4.Li Qing, Gao Wei, Lu Yuping and Shen Chunlin Aircraft Route Optimization Using Genetic Algorithms. IEEE. 1997.
5.J R Fountaiin Digital Terrain System. IEEE. 1997.
6.Peter J Bennett. The Use Of Digital Map Data For Airborne Operations. IEEE. 1998.
7.Denton R V, Mitchell J S. Demonstration of an innovative technique for terrain following/terrain avoidance—the dynapath algorithm[A]. NAECON[C] 1985.
8.Waller M C, Rigopoulos J G, Blackman D R, et al. Considerations in the application of dynamic propramming to optimal aircraft trajectory generation[A]. NAECON[C]. 1990
9.Jardine T J, Shebs S T. Knowledge representation in automated mission planning. AIAA-88-2317, 1983.
10.Millar R J. An artificial intelligence based framework for planning air lauched cruise missile missions. AD-A154466, 1986.
11.Richard T Macmillan, Charles E Gerber, Joseph M Sackett, et al. Holden
knowledge based route planning NAECON[C], 1990.
12.Janin G, Gomez Tiemo M A. The genetic algorithms for trajectory optimaization. E-43936, 1990.
13.Miles B pellazar. Vehicle route planning with constraints using genetic algorithm. NAECON[C]. 1994.
14．刘成立 吕震宙 无人战斗机研究综述 航空科学技术 2002．4
15．王英钧 先进的低空突防技术航空电子技术 1995年第1期
16．胡志忠 徐克虎 沈春林 低空突防用数字地图信息的融合处理 南京航空航天大学学报 第32卷第4期
17．野本弘平 利用神经模糊算法的飞行器航线规则 飞航导弹 1996年第12期
18．沈春林 徐克虎 贺也平 低空突防中的若干关键技术 南京航空航天大学学报 第32卷第3期
19．韩志刚 孙隆和 李克己 佟明安 一种基于最优控制的航路规划方法 飞行力学 第17卷第4期
20．崔轱涛 刘春晓 崔平远 地形跟踪／地形回避飞行器航迹优化 飞行力学 第18卷第1期
21．袁卫东 王建平 沈春林 一种新的综合TF／TA最优航迹算法 南京航空航天大学学报
22．王英勋 陈宗基 基于遗传算法(GA)的具有约束的飞行轨迹规划 北京航天大学学报 第25卷第3期
23．高攀 沈春林 低空突防中威胁信息量化的一种实现方法 数据采集与处理第16卷第3期
24．骆训纪 朱纪洪 孙增圻 无人机航迹系统研究 测控技术 2002年第21卷第11期
25．胡志忠 徐克虎 沈春林 低空突防用数字地形的平滑处理 南京航空航天大学学报 第32卷第5期
26．郑昌文 丁明跃 周成平 李春华 一种飞行器在线重规划算法 华中科技大学学报 第31卷第2期
27．涂承媛 涂承宇 一种新的收敛于全局最优解的遗传算法 信号与控制 第30卷第2期
28．张晓馈 戴冠中 徐乃平 一种新的优化搜索算法—遗传算法控制理论与控制应用 第12卷第3期
29．闵昌万．飞行器航迹规划与轨迹控制研究西北工业大学，1990
30．张海．智能化对地攻击路线规划方法与算法研究 西安 西北工业大学 1998．
31．周明，彭炎午．基于遗传模拟退火算法的机器人路径规划 航空学报 1998第19卷第1期．
32．曲彦宾 遗传算法及其在机器人规划路径规划中的应用 西安 西北工业大学 1996．
33．王栋 低空土方航迹规划、航迹控制的工程实现 南京 南京航空航天大学 1999
34.Lizza C S. Path-finder; An heuristic approach to aircraft routing In: NAECON, 1985. 1436～1443
35.Denton R V, Michell J S. Demonstration of an innovative technique for terrain following/terrain avoidance-the dynapath algorithm NAECON 1985.
36．方群 王艳丽 机(弹)载数字地图在低空突防中的应用．宇航学报2000年11月第21卷
37.Holmes, P. D. Jungert, E. R. A Symbolic and geometric connectivity graph methods for route planning in digitized maps IEEE 1992 549-565.
38.Keys R. G. Cubic convolution interpolation for digital image processing IEEE
1981. 1153-1160.
39.SteinBerg A. N. Aplanner for threat assessment and response NAECON88: 1121-1127.
40．王文飞 无人机技术发展趋势国际航空—飞行器发展 1994．6 23-25．
41．王小平 曹立明 遗传算法——理论、应用及软件视线 西安交通大学出版社 2001．1
42．李敏强等 遗传算法的基本理论与应用 科学出版社 2002．3 175-199．
43．崔志华 曾建潮 搜索全局最优解的一种混合遗传算法 太原重型机械学院学报 2003．2．
44．陈志卫等 遗传规划研究现状与发展 浙江工业大学学报 2003年第5期．
45.Oxley P. C. Terrain following and terrain avoidance algorithms IEEE 1989.
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16．胡志忠 徐克虎 沈春林 低空突防用数字地图信息的融合处理 南京航空航天大学学报 第32卷第4期
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21．袁卫东 王建平 沈春林 一种新的综合TF／TA最优航迹算法 南京航空航天大学学报
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27．涂承媛 涂承宇 一种新的收敛于全局最优解的遗传算法 信号与控制 第30卷第2期
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