CN109655063A - 大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法 - Google Patents

大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于飞机航路规划技术，具体涉及一种大型水陆两栖飞机对固定区域进行航路覆盖的规划方法。本发明大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法首先输入搜索区域的地图信息和海流信息，然后将连续不规则地图区域划分为离散连通的网格区域，确定飞机初始位置和速度，根据网格性能指标公式，将性能指标最优的连通域网格作为下一搜索目标网格点，依次计算下去，直到最后选取总体性能指标最优的网格点回溯来源轨迹，得到网格中的最优搜索轨迹，根据干扰信息修正搜索轨迹，得到该海域的最优搜索轨迹。本发明方法能够快速求解最优搜索路径，以最快的速度和最短的航程完成全部搜索任务，为实现大型水陆两栖飞机海上低成本高效搜索提供支持。

Description

大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法
技术领域
本发明属于飞机航路规划技术，具体涉及一种大型水陆两栖飞机对固定区域进行航路覆盖的规划方法。
背景技术
海上搜索航路规划问题属于一种覆盖航路问题，覆盖航路问题常见于机器人区域覆盖、无人机航路规划和植保直升机航路规划等问题上，但以上航路规划技术多是对固定小范围区域进行航路覆盖。海上搜索航程远，时间紧，搜索区域范围广，搜索区域受洋流和风场影响存在变动，所以传统的航路规划方法难以满足大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划的要求。
目前现有技术缺乏针对大型水陆两栖飞机的航路规划方法，因此大型水陆两栖飞机参与海上搜索时难以确定最优搜索路径，经济、快速覆盖搜索区域，且容易受到海流等干扰因素影响，降低搜索效果。
发明内容
本发明的目的：为了填补大型水陆两栖飞机海上搜索系统的空白，本发明为大型水陆两栖飞机提供了一种海上搜索航路规划方法，不仅可以快速给出固定海域最优搜索路径，还可根据海流等干扰因素对最优航路进行修正。
本发明解决大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划问题采用的技术途径是：
一种大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其对待搜索区域进行网格划分，将连续不规则待搜索区域划分为离散规则的网格网络，读入飞机的初始位置和初始速度矢量，并且确定当前网格的连通域，连通域为其可到达的网格集合，再根据连通域性能指标公式计算当前连通域内网格的性能指标，根据性能指标大小选择搜索方向，构造整体性能指标公式，在搜索完整个待搜索区域后，选取整体性能指标最优的搜索路径作为最优路径。
对待搜索区域进行网格划分时，网格长度宽度均为雷达搜索半径的两倍，网格覆盖全部的待搜索区域。
单个网格点包括以下信息要素：网格坐标、网格边长、网格可搜索性、网格是否已搜和网格通道，其中，网格坐标用来确定网格位置和飞机位置，网格边长为飞机搜索雷达探测半径的两倍以保证当飞机从某一网格点中心飞行至其连通格点中心过程中，雷达能扫描两个网格中间的所有区域，既不会漏搜也不会复搜；网格可搜索性表示当前网格是否需要搜索，既对网格与待搜索区域没有重合部分，不进行搜索；网格通道表示当前网格与相邻的网格组成的连通通道，指与当前网格边相邻的网格组成的连通通道，飞机只在网格通道内飞行。
所述连通域网格性能指标公式如下：
式中J(xNext,yNext)为连通域网格性能指标，Snet为网格面积，Sz为总的搜索海域面积，kre为要求的复搜率指标，kR为罚函数系数，一般而言kre>10,为当前网格连通域内某一网格的速度，Δv为当前网格到其连通域网格的速度改变量，△v的模共有三种情况，当|Δv|＝0时，表明进入该连通域网格时，飞机速度不需要变向，对两个网格之间的区域可以完全搜索；当时，表明进入该连通域网格时，飞机速度需要进行直角转弯，对于其当前所在网格会漏搜边角的面积；当|Δv|＝2时，表明进入该连通域网格时，飞机调头(速度矢量反号)，会重复搜索一个网格面积，(xN,yN)为连通域中某个网格的坐标，(xC,yC)为当前网格坐标，xN为连通域网格的x轴坐标，yN为连通域网格的y轴坐标，xC为当前网格的x轴坐标，yC为当前网格的y轴坐标。
判定下一步的连通网格是否存在：若连通域网格属于新晋网格，即在下一步的已有网格中没有与之相同坐标的网格，则将该网格添加到下一步可到达网格的列表中；若连通域网格已经存在于下一步的网格列表之中，则按网格删选原则从列表中删除其中一个性能指标较差的网格，即根据连通域性能指标计算公式计算两者的性能指标，将性能指标大的网格添加到列表内，将性能指标小的网格剔除，如果两者的性能指标相等，则分别从两点进行路径回溯，将回溯指标大的网格添加到列表内，将回溯指标小的网格剔除，如果回溯指标也相同，则将两点同时添加到连通域网格列表之中，重新根据连通域性能指标公式计算连通域网格的性能指标。
整体性能指标公式如下：
式中：
为大型水路两栖飞机海上搜索航路整体性能指标；
u(t)为大型水路两栖飞机网格搜索中的控制矢量；
lf为飞行总航程；
Smiss为漏搜面积；
Sre为复搜面积；
R为约束条件，至少包括飞机的最大航程、飞机的转弯半径及转弯过载；
ki，i＝1,2,3,4，为加权系数。
将海流和边缘网格不规则因素的影响作为干扰量直接对由整体性能指标函数选择性能指标所确定的最优路径进行修正，得到修正后的最优路径。
本发明的有益效果是：对含有覆盖性指标的搜索航路规划问题，能够快速求解最优搜索路径，并且10秒内可更新一次，飞机根据该航路规划结果能够以最快的速度，最短的航程完成全部搜索任务，为大型水陆两栖飞机实现低成本、无漏搜的高效海面搜索提供支撑；另外，本发明方法在搜索计算时不存在发散现象，在多种任务情况下都可稳定工作。
附图说明
图1为大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法流程图；
图2为网格划分示意图；
图3为角点、边点、和内点的网格通道示意图；
图4为本发明海上搜索第一实施方式的想定海流模型示意图；
图5为第一实施方式的大型水陆两栖飞机航路规划结果图；
图6为本发明海上搜索第二实施方式的想定海流模型示意图；
图7为第二实施方式的大型水陆两栖飞机航路规划结果图。
具体实施方式
本发明为大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划算法，为说明本算法的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本算法进行详细阐述。
根据航路覆盖问题的特点，本发明将大型水陆两栖飞机搜索路径规划问题转化为一个离散多阶段优化问题，采用改进的动态规划方法，从起始点开始动态规划计算，在最终一步选取最优搜索路径方案。
本发明大型水陆两栖飞机搜索路径规划方法具体的技术方案是：首先输入搜索区域的地图信息和海流、风场等干扰信息，将连续不规则地图区域划分为离散连通的网格区域，确定大型水陆两栖飞机到达待搜索区域的初始位置和速度，根据网格性能指标公式，结合速度和飞机航向计算当前网格连通域的性能指标，将性能指标最优的连通网格作为下一目标网格点，依次计算下去，直到最后选取总体性能指标最优的网格点回溯来源轨迹，得到网格中的最优搜索轨迹，根据边缘网格不规则形状和海流等干扰信息修正搜索轨迹，得到该海域的最优搜索轨迹，根据漏搜率和复搜率计算方法计算该航路的漏搜率和复搜率。本发明大型水陆两栖飞机海上搜索航路规划方法快速性好，航路规划结果复搜率和漏搜率低，并且本方法绝对收敛，在任何情况下都可以稳定计算。具体的操作步骤如图1所示：
步骤一：读入待搜索海域的地图信息和海流等干扰信息。
步骤二：对待搜索区域进行网格划分，将连续不规则待搜索区域划分为离散规则的网格网络，建立网络模型和连通域，网格划分示意图如图2所示，图中黑色实线为想定待搜索区域边界。网格能够有效地覆盖待搜索区域，并且单个网格点具有以下信息要素：网格坐标、网格边长、网格可搜索性、网格是否已搜和网格通道。网格坐标用来确定网格位置和飞机位置，网格边长为飞机搜索雷达探测半径的两倍，以保证当飞机从某一网格点中心飞行至其连通格点中心过程中，雷达可以扫描两个网格中间的所有区域，既不会漏搜也不会复搜。网格可搜索性表示当前网格是否需要搜索，网格的划分不可能完全与待搜索区域重合，所以有些网格不属于搜索区域,如有些网格与待搜索区域没有重合部分，该网格就不需要搜索。网格通道表示网格点与周边网格的连通关系，飞机只能在网格连通域(由网格通道构成)内飞行，网格通道一般分为三种情况：角点，边点和内点，网格通道示意图如图3所示，图中左上为角点网格通道，位于网格划分的四个角位置，该网格通道类型只有两个连通域网格；图中右上为边点网格通道，位于网格划分的边位置，该网格通道类型只有三个连通域网格；图中下方为内点网格通道，位于网格划分的内部，该网格通道类型有四个连通域网格。步骤三：读入飞机的初始位置和初始速度矢量，并且确定当前网格的连通域网格，根据连通域性能指标公式计算当前连通域内网格的性能指标，选取性能指标最优的网格(J(xNext,yNext)取值最大)作为飞机的下一搜索网格，其中，所述连通域性能指标计算公式如下：
式中J(xNext,yNext)为性能指标，为当前网格连通域内某一网格的速度，Δv为当前网格到其连通域网格的速度改变量。Δv的模共有三种情况，当|Δv|＝0时，表明进入该连通域网格时，飞机速度不需要变向，对两个网格之间的区域可以完全搜索；当时，表明进入该连通域网格时，飞机速度需要进行直角转弯，对于其当前所在网格会漏搜边角的面积；当|Δv|＝2时，表明进入该连通域网格时，飞机调头(速度矢量反号)，会重复搜索一个网格面积。另外，(xN,yN)为连通域中某个网格的坐标，(xC,yC)为当前网格坐标，xN为连通域网格的x轴坐标，yN为连通域网格的y轴坐标，xC为当前网格的x轴坐标，yC为当前网格的y轴坐标。
步骤四：判定下一步的连通网格是否存在：若连通域网格属于新晋网格，即在下一步的已有网格中没有与之相同坐标的网格，则将该网格添加到下一步可到达网格的列表中；若连通域网格已经存在于下一步的网格列表之中，则按网格删选原则从列表中删除其中一个性能指标较差的网格，即根据连通域性能指标计算公式计算两者的性能指标，将性能指标大的网格添加到列表内，将性能指标小的网格剔除，如果两者的性能指标相等，则分别从两点进行路径回溯，将回溯指标大的网格添加到列表内，将回溯指标小的网格剔除，如果回溯指标也相同，则将两点同时添加到连通域网格列表之中，重新根据步骤三中的连通域性能指标公式计算连通域网格的性能指标，以便获得后续性能指标更优的搜索路径。
步骤五：根据步骤三和步骤四遍历待搜索区域的所有网格，接着计算漏搜率和复搜率，漏搜率和复搜率计算方法是将搜索区域离散为N*N个离散点，以时间间隔dt的速度沿规划航路探测，判断每个点是否被漏搜或者复搜。
具体计算步骤如下：
步骤1.初始化进入待搜索区域的时间t＝t0，标记所有离散点的漏搜指标为1，所有离散点的复搜指标为0；
步骤2.判定时间t是否到达tf，若未到达，则转到步骤3，否则，转到步骤6；
步骤3.对于时间t所搜索到达的点，判定其是否为复搜，若该点的漏搜指标为0，且上一次搜索时间t小于R/V(R为雷达搜索半径，V为飞机搜索飞行时的速度)，将该点的复搜指标标记为0，否则标记为1；
步骤4.计算时间t时刻飞机的位置坐标，判定N*N个离散点中距离飞机小于雷达范围的离散点，在漏搜指标内标记为0，表明这些点已经搜索完；
步骤5.t＝t+0.1，跳转步骤2；
步骤6.统计离散点的漏搜指标内为1的个数，除以总个数，为漏搜率；
步骤7.统计离散点的复搜指标内为1的个数，除以总个数，为复搜率。
步骤六：在最后一步中选取整体性能指标最优的网格点回溯来源轨迹得到最优搜索轨迹，该轨迹即为该网格网络的最优搜索轨迹。整体性能指标计算公式如下：
式中：
为大型水路两栖飞机海上搜索航路整体性能指标；
u(t)为大型水路两栖飞机网格搜索中的控制矢量；
lf为飞行总航程；
Smiss为漏搜面积；
Sre为复搜面积；
R为约束条件，如飞机的最大航程，飞机的转弯半径及过载等；
ki(i＝1,2,3,4)为加权系数。
即最优搜索路径飞机总航程要最小，对待搜索的区域复搜率和漏搜率要最小并且满足各项约束条件。
步骤七：根据边缘网格不规则形状、海流等干扰因素直接对步骤六中的最优搜索路径进行修正，得到最终的最优搜索航路。
请同时参阅图4和图5，分别为本发明海上搜索第一实施方式的想定海流模型示意图和该实施方式中的大型水陆两栖飞机航路规划结果图。该实施方式中，假设海流模型范围大小为[5000km,5000km]，图4为螺旋形海流示意图，图中箭头方向为其海流方向，箭头长短为海流速度大小。在该海流想定的条件下，选用机场位置坐标为(20km,30km)，待搜索海域位于(700km,300km)-(1100km,300km)-(1100km,700km)-(700km,700km)四点构成的矩形区域内，飞机将对该矩形区域展开搜索。图5为以上想定条件下的航路规划结果，该航路飞机用时35662.5s，航路总长为3.475*106m，漏搜率为0，复搜率为4.1％，规划时间为7.9s。从航路规划结果可以看出飞机返航时仍从搜索区域中路过，增大了复搜指标。以上假设条件下，传统的方形搜索和栅形搜索飞机用时分别为36071.5s和36824.5s，航路总长分别为3.5491*106m和3.7015*106m，漏搜率均为0.03％，考虑返航航路的复搜率分别为7.6％和24.7％。从以上指标数据可以看出本发明明显优于传统的方形搜索和栅形搜索。
请同时参阅图6和图7，分别为本发明海上搜索第二实施方式的想定海流模型示意图和该实施方式中的大型水陆两栖飞机航路规划结果图。该实施方式中，假设想定海流模型范围大小为[5000km,5000km]，图6为sin形海流模型示意图，图中箭头方向为其海流方向，箭头长短为海流速度大小。在该海流想定的条件下，本实施例选用机场位置坐标为(3000km,3500km)，待搜索海域位于(2000km,2000km)-(2480km,2000km)-(2480km,2480km)-(2000km,2480km)四点构成的矩形区域内，飞机将对该矩形区域展开搜索。以上想定条件下航路规划结果如图7所示，该航路飞机用时48623.1s，航路总长为5.5128*106m，漏搜率为0，复搜率为4.5％。从航路规划结果可以看出飞机返航时仍从搜索区域中路过，增大了复搜指标。以上假设条件下，传统的方形搜索和栅形搜索飞机用时分别为49598.6s和50331.5s，航路总长分别为5.7625*106m和5.8573*106m，漏搜率分别为0.05％和0.01％，考虑返航航路的复搜率分别为12.5％和4.8％。从以上指标数据可以看出本发明明显优于传统的方形搜索和栅形搜索。

Claims (7)

1.一种大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：对待搜索区域进行网格划分，将连续不规则待搜索区域划分为离散规则的网格网络，读入飞机的初始位置和初始速度矢量，并且确定当前网格的连通域，连通域为其可到达的网格集合，再根据连通域性能指标公式计算当前连通域内网格的性能指标，根据性能指标大小选择搜索方向，构造整体性能指标公式，在搜索完整个待搜索区域后，选取整体性能指标最优的搜索路径作为最优路径。
2.根据权利要求1所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：对待搜索区域进行网格划分时，网格长度宽度均为雷达搜索半径的两倍，网格覆盖全部的待搜索区域。
3.根据权利要求2所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：单个网格点包括以下信息要素：网格坐标、网格边长、网格可搜索性、网格是否已搜和网格通道，其中，网格坐标用来确定网格位置和飞机位置，网格边长为飞机搜索雷达探测半径的两倍以保证当飞机从某一网格点中心飞行至其连通格点中心过程中，雷达能扫描两个网格中间的所有区域，既不会漏搜也不会复搜；网格可搜索性表示当前网格是否需要搜索，既对网格与待搜索区域没有重合部分，不进行搜索；网格通道表示当前网格与相邻的网格组成的连通通道，指与当前网格边相邻的网格组成的连通通道，飞机只在网格通道内飞行。
4.根据权利要求3所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：所述连通域网格性能指标公式如下：
式中J(xNext,yNext)为连通域网格性能指标，Snet为网格面积，Sz为总的搜索海域面积，kre为要求的复搜率指标，kR为罚函数系数，一般而言kre>10,为当前网格连通域内某一网格的速度，Δv为当前网格到其连通域网格的速度改变量，△v的模共有三种情况，当|Δv|＝0时，表明进入该连通域网格时，飞机速度不需要变向，对两个网格之间的区域可以完全搜索；当时，表明进入该连通域网格时，飞机速度需要进行直角转弯，对于其当前所在网格会漏搜边角的面积；当|Δv|＝2时，表明进入该连通域网格时，飞机调头(速度矢量反号)，会重复搜索一个网格面积，(xN,yN)为连通域中某个网格的坐标，(xC,yC)为当前网格坐标，xN为连通域网格的x轴坐标，yN为连通域网格的y轴坐标，xC为当前网格的x轴坐标，yC为当前网格的y轴坐标。
5.根据权利要求4所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：判定下一步的连通网格是否存在：若连通域网格属于新晋网格，即在下一步的已有网格中没有与之相同坐标的网格，则将该网格添加到下一步可到达网格的列表中；若连通域网格已经存在于下一步的网格列表之中，则按网格删选原则从列表中删除其中一个性能指标较差的网格，即根据连通域性能指标计算公式计算两者的性能指标，将性能指标大的网格添加到列表内，将性能指标小的网格剔除，如果两者的性能指标相等，则分别从两点进行路径回溯，将回溯指标大的网格添加到列表内，将回溯指标小的网格剔除，如果回溯指标也相同，则将两点同时添加到连通域网格列表之中，重新根据连通域性能指标公式计算连通域网格的性能指标。
6.根据权利要求4所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：整体性能指标公式如下：
式中：
为大型水路两栖飞机海上搜索航路整体性能指标；
u(t)为大型水路两栖飞机网格搜索中的控制矢量；
lf为飞行总航程；
Smiss为漏搜面积；
Sre为复搜面积；
R为约束条件，至少包括飞机的最大航程、飞机的转弯半径及转弯过载；
ki，i＝1,2,3,4，为加权系数。
7.根据权利要求4所述的大型水路两栖飞机海上搜索航路规划方法，其特征在于：将海流和边缘网格不规则因素的影响作为干扰量直接对由整体性能指标函数选择性能指标所确定的最优路径进行修正，得到修正后的最优路径。
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