第1章 绪论

1.1 航迹规划研究的背景和意义

随着计算机、自动化、信息技术的发展，现代飞行器技术发生了巨大的变化。飞行器的种类越来越多，性能越来越高，技术密集、结构复杂、协同性强，使飞行器的操纵越来越复杂。同时，随着现代飞行任务的难度、危险度，以及强度的不断增加，受飞行员生理和心理等因素的限制，单纯依靠飞行员手工操作完成复杂的飞行任务变得越来越困难。例如，在地形跟随过程中，视觉效应会使飞行员精神高度紧张，对速度的控制容易诱发长周期振荡。为解决这些问题，一种有效的解决途径就是采用航迹规划（Route Planning）技术。

作为任务规划系统（Mission Planning System）的核心之一，航迹规划是一门伴随现代信息技术而发展起来的高新技术。它已被广泛应用于飞行器、水面舰艇、地面车辆及机器人等的导航系统中。对舰艇、自主战车、机器人等应用来说，一般称为路径规划[1～5]。本书主要研究巡航导弹等无人飞行器中的航迹规划问题。

准确地说，无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）航迹规划就是在综合考虑UAV到达时间、燃料消耗、威胁以及飞行区域等因素的前提下，为飞行器规划出一条最优，或者是最满意的飞行航迹，以保证圆满完成飞行任务[6]。

在现代战争中，随着防空系统性能的日益提高，飞行器安全突防是实现精确打击的关键。任务规划系统作为精确制导武器必不可少的支持工具，是提高武器系统实际作战效能的关键技术之一，因而备受世界各国的关注。目前，美国在这一领域处于领先地位[7]。

美国空军莱特航空实验室最初为了减轻飞行员工作负荷，提高执行任务的有效性和飞机的生存性，利用民机飞行管理系统的经验和成果，将四维导航和能量管理技术用于战斗机的飞行管理，首先提出了“战术飞行管理系统”概念[8]。战术飞行管理系统的核心是轨迹生成和轨迹跟踪，其前提是最优轨迹的生成，即航迹规划。美国陆海空三军都装备有不同类型的任务规划系统[9]，如空军的任务支援系统，海军的战术飞机任务规划系统等。其中，空军的任务支援系统曾在海湾战争中广泛使用并取得了显著成效。目前，美国研制的任务规划系统已发展到第三代，并继续朝着提高效率和降低系统成本等方面发展。英国最新的先进任务规划装置的研制方案已提交给英国空军。它能够在夜间和恶劣天气条件下支持鹞式及狂风等战机进行隐蔽攻击。法国目前正在进行三个系列任务规划系统的研制。

航迹规划作为任务规划的主要功能之一，在任务规划系统中占有重要地位。但由于受到多种条件的限制，长期以来，航迹规划基本上依赖规划人员的手工操作。在20世纪80年代初，人工航迹规划的缺陷还没有完全显现出来。这主要是由当时技术落后，防空体系不完善，以及军用飞行器对航迹规划要求不高等因素所决定的。随着防空技术和体系的不断发展和完善，人工规划的粗糙航迹已难以达到有效突防目的。同时，由于卫星、通信技术的飞速发展，航迹规划人员获得的信息越来越多，例如，通过卫星、无人机等侦察手段可以得到敌方防空阵地的精确信息，如位置、类型、火力圈范围等；通过数字地形图可以获得相关地区地形信息，如高山、峡谷和平原等。为了最大限度减小突防飞行器被敌方雷达发现的概率，航迹规划必须为飞行器规划出超低空地形跟随、地形回避和威胁回避的飞行航迹，同时满足飞行器自身性能等约束要求。由于其中涉及因素太多，各种因素之间需要进行仔细权衡，因此传统的手工规划方式难以完成如此复杂的任务[7]。

20 世纪80 年代中后期以来，美国投入大量的人力物力进行自动航迹规划技术的研究，取得了一定成绩。其中最具代表性的是系统控制技术公司为空射巡航导弹开发的自动航迹生成模块和波音航空航天公司开发的基于人工智能的任务规划软件。但这两个航迹规划系统在实际应用上还存在许多缺陷，如ARM采用直观推断法，它的许多航迹产生规则与人工方法相似，计算量大；而基于人工智能的任务规划软件中知识的表达和抽象层的构造是一大难题。

20 世纪90 年代以来，NASA和美国军方联合开展了一项名为ANOE（Automated Nap of the Earth）的研究计划，旨在辅助直升机驾驶员实施贴地（NOE）飞行。从公开发表的文献[10～11]等来看，该计划主要是利用机载传感器获取环境信息结合导航系统数据，实时产生NOE最优轨迹，并给出沿最优轨迹飞行的导引控制指令。ANOE实际上研制的是一个实时航迹规划系统。

UAV航迹规划的核心内容是选择满足一系列约束条件的最优航迹，从某种意义上讲，就是使明确的目标与各种限制函数相匹配的最优化问题。由于涉及约束较多，数学模型建立困难，这个问题的解决受到了理论和技术上的种种限制。现有的系统在提高航迹规划的模型保真度、优化精度和执行效率方面还有许多工作要做[7]。本书中考虑UAV的不同任务情形，针对UAV航迹自动搜索算法展开研究。