一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法技术

本发明专利技术公开的一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，属于飞行器轨迹规划领域。本发明专利技术实现方法为：基于作战环境内的信息，建立关于飞行航程、探测概率、撞地概率的航迹性能指标，对性能指标归一化处理，通过层次分析法对航迹指标撞地概率、被探测概率和飞行航程加权得到飞行器的综合航迹代价模型；根据综合航迹代价模型确定最优节点选择准则，在广度优先搜索规划航迹前，通过地形遮蔽空间信息得到搜索空间的上边界、利用高度沉降法得到的曲线作为搜索空间的下边界，根据上下边界将原搜索空间的大小进行裁剪，减少搜索规模；在广度优先搜索规划航迹过程中避免BFS算法过度回溯节点。本发明专利技术具有生存概率高、飞行航程短、规划效率高等优点。效率高等优点。效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，属于飞行器轨迹规划领域。

技术介绍

[0002]现代战争中，作战飞行器在执行突防作战任务时，通常需要突破由敌方预警雷达、火控雷达和防空导弹等构成的多层防御体系，随着现代防空技术的不断提升，飞行器在敌对防空区域内飞行时将面临极大的风险。航迹规划作为实施突防作战的关键技术之一，可以有效的提高突防过程中飞行器的生存概率。
[0003]一般的三维航迹规划任务可以划分为水平航迹规划和纵向航迹规划，这种分层次的求解方法可以减小问题的求解规模，缩短求解时间，带来实时性上的收益。纵向航迹规划作为完整航迹规划的组成部分，需要飞行器根据雷达分布和地形起伏的作战环境，利用地形遮蔽盲区和地杂波盲区躲避敌雷达探测的同时，考虑油耗和撞地风险，安全的抵达目标位置，完成作战任务。
[0004]近年来，基于采样搜索的轨迹规划方法得到广泛关注，其中典型的有广度优先搜索(Breadth First Search，BFS)方法、Dijkstra算法、A*算法等，其中BFS算法具有全局遍历求解最优解的特点，因此得到广泛的应用。然而BFS算法系统的展开并检查图中的所有节点，因此在求解过程中带来了大量的时间和空间损耗，所以，仅采用原始的BFS算法进行突防飞行器纵向航迹规划的效果是不佳的。
[0005]目前，国内外还未开展基于改进BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要目的是提供一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，要解决的技术问题是提供一种有效规避雷达探测、实现安全飞行和高效率航迹规划的纵向航迹规划方法，基于广度优先搜索方法生成纵向飞行航迹，且使所得的纵向航迹具有生存概率高、飞行航程短、规划效率高等优点。
[0007]本专利技术得目的是通过下述技术方案实现的：
[0008]本专利技术公开的一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，基于作战环境内的地形高程数据、雷达分布数据、飞行路线的信息，建立关于撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹性能指标，对所述性能指标进行归一化处理，通过层次分析法对撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹指标进行加权得到飞行器的综合航迹代价函数。根据综合航迹代价函数，确定广度优先搜索过程中的最优节点选择准则，在广度优先搜索规划纵向航迹前，通过地形遮蔽空间信息得到搜索空间的上边界、利用高度沉降法得到搜索空间的下边界，根据所述上下边界将原搜索空间的大小进行裁剪，避免BFS算法大量搜索非最优解区域，减少搜索的规模。在广度优先搜索规划纵向航迹过程中，实时判定搜索过程中的最远访问位置，根据预定距离判据剔除搜索过程中落后所述最远访问位置的节点，避免BFS算法过度回溯节
点，进一步减小搜索的规模，提高突防飞行器纵向航迹规划效率。
[0009]本专利技术公开一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1：基于作战环境内的地形高程数据、雷达分布数据、飞行路线的信息，建立关于飞行航程、探测概率、撞地概率的航迹性能指标。
[0011]步骤1.1：基于地形高程信息计算撞地概率，并将撞地概率作为纵向航迹的撞地指标。
[0012]在突防飞行器飞行过程中，用撞地概率来表示地形对飞行器的影响，飞行高度误差为正态平稳随机过程，则定高飞行的飞行器的撞地频率λ
h
为
[0013][0014]其中，σ
x
和是飞行高度跟踪误差和其导数的标准差，与飞行器高度控制器的性能和设定相关；h为飞行器定高飞行的离地高度。
[0015]由撞地频率λ
h
得到飞行器在飞行时间T内的撞地概率P
to
(h)为
[0016][0017]安全穿越地形概率ε是预设值，为预设时间内飞行器的最小撞地概率要求，则定义安全穿越地形概率ε对应的安全飞行临界高度h
l
为
[0018]h
l
＝{h|P
to
(h)＝ε}
ꢀꢀ
(3)
[0019]对于执行突防任务的飞行器，其离地飞行高度是实时变化的，故将公式(2)得到的撞地概率用于实际的突防飞行过程是不准确的。基于撞地概率公式(2)得到高度h方向上的撞地概率分布函数，所述概率分布函数的数值集中在低空较窄的区域，因此可以将全飞行航迹段的撞地概率等价为低空飞行航迹段的撞地概率。由于低空飞行航迹段的高度变化程度小，所以将低空飞行航迹段视为不严格定高飞行航迹段，则能够用撞地概率公式(2)得到最终的纵向航迹的撞地概率P
ca
为
[0020][0021]其中，h
a
为低空飞行航迹段的平均高度，数值上取飞行器低于h
l
飞行时的高度平均值；λ
a
为低空飞行航迹段的撞地频率；q为低空飞行时间占总飞行时间的比例。
[0022]将所述撞地概率P
ca
作为纵向航迹的撞地指标。
[0023]步骤1.2：基于地形高程和雷达分布信息计算探测概率，并将探测概率作为纵向航迹的探测指标。
[0024]飞行器在突防过程中，被敌方雷达捕获是有一定概率的，各雷达之间相互独立，则单个雷达对飞行器的探测概率P
di
为
[0025][0026]其中，r0为雷达最大探测距离；r为目标与雷达的距离；P
fa
为虚警概率；P
d0
为最大探测距离处的检测概率。
[0027]因此，得到飞行器在m部雷达联合探测情况下的联合探测概率P
d
为
[0028][0029]将所述联合探测概率P
d
作为纵向航迹的探测指标。
[0030]步骤1.3：基于飞行路线信息计算飞行航程，并将飞行航程作为航迹性能指标之一。
[0031]飞行航程定义为每段航迹长度的总和，即飞行航程L
n
为
[0032][0033]其中，l
i
为每段航迹的航程大小；n为航迹段数量。
[0034]将所述飞行航程L
n
作为纵向航迹的航程指标。
[0035]步骤2：对步骤1建立的关于撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹性能指标进行归一化处理，并通过层次分析法对所述归一化的撞地指标、探测指标、航程指标的权重进行设计，构建包含撞地指标、探测指标、航程指标的纵向航迹代价函数。
[0036]步骤2.1：对撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹性能指标进行归一化。
[0037]由于步骤1得到的航迹性能指标在数值上相差较大，在设计纵向航迹代价函数前，先对所述航迹性能指标进行归一化处理。
[0038]撞地指标的归一化：由于步骤1.1得到的撞地概率是整段飞行航迹的概率型指标，故归一化的撞地指标P
CA
为
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：基于作战环境内的地形高程数据、雷达分布数据、飞行路线的信息，建立关于飞行航程、探测概率、撞地概率的航迹性能指标；步骤2：对步骤1建立的关于撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹性能指标进行归一化处理，并通过层次分析法对所述归一化的撞地指标、探测指标、航程指标的权重进行设计，构建包含撞地指标、探测指标、航程指标的纵向航迹代价函数；步骤3：根据步骤2得到的综合航迹代价函数，确定广度优先搜索过程中的最优节点选择准则，设置广度优先搜索算法的参数，并通过地形遮蔽空间信息计算搜索空间的上边界、利用高度沉降法得到搜索空间的下边界，根据所述上下边界将原搜索空间的大小进行裁剪，避免BFS算法大量搜索非最优解区域，减少搜索的规模；完成上述准备后根据广度优先搜索原理规划航迹，根据飞行约束扩展节点进行搜索，并在搜索过程中判定最远访问位置，根据预定距离判据剔除搜索过程中落后所述最远访问位置的节点，避免BFS算法过度回溯节点，进一步减少搜索的规模，提高突防飞行器纵向航迹规划效率。2.如权利要求1所述的一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，其特征在于：步骤1实现方法为，步骤1.1：基于地形高程信息计算撞地概率，并将撞地概率作为纵向航迹的撞地指标；在突防飞行器飞行过程中，用撞地概率来表示地形对飞行器的影响，飞行高度误差为正态平稳随机过程，则定高飞行的飞行器的撞地频率λ
h
为其中，σ
x
和是飞行高度跟踪误差和其导数的标准差，与飞行器高度控制器的性能和设定相关；h为飞行器定高飞行的离地高度；由撞地频率λ
h
得到飞行器在飞行时间T内的撞地概率P
to
(h)为安全穿越地形概率ε是预设值，为预设时间内飞行器的最小撞地概率要求，则定义安全穿越地形概率ε对应的安全飞行临界高度h
l
为h
l
＝{h|P
to
(h)＝ε}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)对于执行突防任务的飞行器，其离地飞行高度是实时变化的，故将公式(2)得到的撞地概率用于实际的突防飞行过程是不准确的；基于撞地概率公式(2)得到高度h方向上的撞地概率分布函数，所述概率分布函数的数值集中在低空较窄的区域，因此可以将全飞行航迹段的撞地概率等价为低空飞行航迹段的撞地概率；由于低空飞行航迹段的高度变化程度小，所以将低空飞行航迹段视为不严格定高飞行航迹段，则能够用撞地概率公式(2)得到最终的纵向航迹的撞地概率P
ca
为其中，h
a
为低空飞行航迹段的平均高度，数值上取飞行器低于h
l
飞行时的高度平均值；λ
a
为低空飞行航迹段的撞地频率；q为低空飞行时间占总飞行时间的比例；将所述撞地概率P
ca
作为纵向航迹的撞地指标；步骤1.2：基于地形高程和雷达分布信息计算探测概率，并将探测概率作为纵向航迹的
探测指标；飞行器在突防过程中，被敌方雷达捕获是有一定概率的，各雷达之间相互独立，则单个雷达对飞行器的探测概率P
di
为其中，r0为雷达最大探测距离；r为目标与雷达的距离；P
fa
为虚警概率；P
d0
为最大探测距离处的检测概率；因此，得到飞行器在m部雷达联合探测情况下的联合探测概率P
d
为将所述联合探测概率P
d
作为纵向航迹的探测指标；步骤1.3：基于飞行路线信息计算飞行航程，并将飞行航程作为航迹性能指标之一；飞行航程定义为每段航迹长度的总和，即飞行航程L
n
为其中，l
i
为每段航迹的航程大小；n为航迹段数量；将所述飞行航程L
n
作为纵向航迹的航程指标。3.如权利要求2所述的一种基于BFS算法的突防飞行器纵向航迹规划方法，其特征在于：步骤2实现方法为，步骤2.1：对撞地概率、探测概率、飞行航程的航迹性能指标进行归一化；由于步骤1得到的航迹性能指标在数值上相差较大，在设计纵向航迹代价函数前，先对所述航迹性能指标进行归一化处理；撞地指标的归一化：由于步骤1.1得到的撞地概率是整段飞行航迹的概率型指标，故归一化的撞地指标P
CA
为P
CA
＝P
ca
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)探测指标的归一化：由于步骤1.2得到的探测概率是单个航迹点的概率性指标，则对于包含n个航迹点的纵向飞行航迹，其归一化的探测指标P
D
为航程指标的归一化：由于步骤1.3得到的飞行航程是当前航迹的路线长度，则归一化的航程指标L
N
为L
N
＝(L
n
+L
nt
)/L
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)其中，L
st
为当前航迹的水平投影长度，所述水平投影也即预设的水平参考航迹；L
n
为遍历至当前节点的航迹长度，属于指标中实际花费的部分；L
nt
为当前节点至终点的水平投影长度，属于指标中预期花费的部分；步骤2.2：通过层次分析法计算纵向航迹代价函数中关于撞地指标、探测指标、航程指标的指标权重，并构建纵向航迹规划的航迹代价函数；通过层次分析法计算纵向航迹规划中航迹代价函数的指标权重的流程如下：定义a,b,c分别为航迹性能指标P
CA
与P
D
、P
CA
与L
N
、P
D
与L
N
的相对重要程度因子；
相对重要程度因子a的取值为预先设定；相对重要程度因子b的取值为预先设定；相对重要程度因子c对航迹规划结果的质量影响比重大，故根据以下定量计算的方式得出；根据飞行器突防作战的要求，当探测指标P
D
与航程指标L
N
冲突时，应选择能减小探测概率的情况；即若存在节点N
A
与节点N
B
的性能指标满足P
D
(N
A
)＞P
D<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，夏阳，葛佳昊，栾梦凯，周良毅，贺云涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：