1.2 无人飞行器航迹规划综述

1.2.1 无人飞行器航迹规划问题

军用UAV航迹规划的目的是要找到一条能够保证UAV安全突防的飞行航迹，既要尽量减少被敌防空设施捕获和摧毁的概率，又要降低坠毁的概率，同时还必须满足各种约束条件。这些因素之间往往相互耦合，改变其中某一因素就会引起其他因素的变化，因此在航迹规划过程中需要协调多种因素之间的关系。具体来说，军用UAV航迹规划需要考虑如下因素[12～14]：

1．航迹的隐蔽性

航迹的隐蔽性是航迹规划问题需要考虑的首要因素。在现代战争环境中，隐蔽意味着安全。在现代飞行器设计过程中，一般会使雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）尽可能小，以降低被敌方预警雷达和截获雷达探测到的概率，延迟或消除被地空导弹系统或机载拦截导弹的火控雷达对它们的跟踪，从而提高UAV的生存能力。

然而，尽管飞行器在设计时已采用了多种隐身技术，但在高空仍然会有部分雷达信号被反射回去，于是设计一条具有良好隐蔽性的飞行航迹就十分关键。通常人们所采用的隐蔽方式有两种：一是使规划航迹远离威胁源；二是降低飞行高度，利用地形遮挡作用和反射的地面杂波来降低被雷达探测到的概率。

2．飞行器的物理限制

航迹规划时必须考虑UAV的物理限制，否则飞行器将不可能按生成的航迹进行飞行。UAV的物理限制对航迹的约束主要有：

（1）最大拐弯角：它限制了生成的航迹只能在小于或等于预先确定的最大角度范围内转弯。该约束条件取决于具体UAV的性能和飞行任务。例如，在密集编队飞行中的UAV剧烈转弯将大大增加它们之间的碰撞概率。

（2）最大爬升/俯冲角：由UAV自身的机动性能决定，它限制了航迹在垂直平面内上升和下滑的最大角度。

（3）最小航迹段长度：它限制了UAV在开始改变飞行姿态之前必须直飞的最短距离。为减少导航误差，UAV在远距离飞行时一般不希望迂回行进和频繁地转弯。

（4）最低飞行高度：在通过敌方防御区时，需要在尽可能低的高度上飞行，以减少被敌防御系统探测到并摧毁的概率。但是飞得过低往往会使得与地面相撞的坠毁概率增加。一般在保证离地高度大于或等于某一给定高度的前提下，使飞行高度尽量降低。

3．飞行任务要求

UAV的每一次飞行都是为了完成特定的飞行任务。在战场环境下，具体给定的飞行任务一般包括UAV的到达时间和进入目标方向等。这就要求生成的航迹满足：

（1）航迹距离约束：即限制航迹的长度必须小于或等于一个预先设置的最大距离。它对应于燃料的供应量或在某一固定时间内必须到达目标。

（2）固定的目标进入方向：确保UAV从特定的角度接近目标，从而对目标的最薄弱部位进行有效攻击。

4．协作性要求

UAV的协作性能也是航迹规划必须考虑的因素之一。例如，某一特定的任务要求多个UAV从不同的方向对同一目标实施攻击。为了使摧毁目标的概率达到最大，要求所有UAV同时到达。在此任务执行过程中，如果某一UAV遇到威胁需要改变其到达时间的话，其他UAV必须作相应调整。因此，整个飞行编队的预计到达时间（Estimated Time of Arrival，ETA）并不一定是完全按照原定的时间，而是在规划过程中相互协调的动态结果。在这种情形下，如何为每一UAV生成有效的航迹并协调UAV的到达时间是完成攻击任务的关键。

5．实时性要求

当预先具备完整精确的环境信息时，人们可一次性规划出一条自起点到终点的最优航迹[15～16]。然而在现代战争中，一方面由于战场环境的瞬息万变，难以保证获得的环境信息不发生变化。另一方面，由于任务的不确定性，UAV常常需要临时改变所担负的飞行任务。例如，UAV需要执行紧急救援任务，或者需要迅速逃离威胁区域等。在这些情况下，不可能预先在地面规划出满足要求的航迹。对于上述第一种情形，在环境的变化区域不是很大的情况下，可以通过局部更新的方法进行航迹在线再规划。对于第二种情形，或者环境的变化区域较大时，则必须具备实时在线规划功能。