[發明專利]一種異構警戒飛行器持續巡邏策略規劃方法

有效

• 申請號: 202011512919.0
• 申請日: 2020-12-20
• 公開（公告）號: CN112734167B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 段曉穩;高曉光;李波
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十研究所
• 主分類號: G06Q10/0631
• 分類號: G06Q10/0631
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

1.一種異構警戒飛行器持續巡邏策略規劃方法，其特征在于包括下述步驟：

[步驟1]探測空間設置和柵格價值計算；

WV的探測空間是三維立體空間，以指定高度為基準，探測空間退化為二維平面空間，后續探測空間均指二維平面空間，以指定邊長的正方形代表柵格，則柵格是探測空間的最小單元；在選定坐標系基礎上，x_min和x_max分別代表沿x軸方向柵格中心的x坐標最小值和x坐標最大值；y_min和y_max分別代表沿y軸方向柵格中心的y坐標最小值和y坐標最大值；探測空間范圍表示為{x_min≤x≤x_max；y_min≤y≤y_max},P_B代表不同WV的起飛基地集合，以V(O′(x,y))代表中心為O′(x,y)的柵格對應的價值，所有擬定探測空間的柵格價值之和

[步驟2]單巡邏周期、起飛時間范圍和所需巡邏周期數計算；

[步驟2.1]單巡邏周期計算；

派出N型共n_E架WV執行任務，第i(0≤iN)型WV共n_i架，WV型號的編號按照探測范圍從大往小的順序，第i型WV表示為集合擬派出WV為WV總架數編號為i的WV對應的以D_T為時間單位的單個巡邏周期其中和分別表示E_i對應的有效航程、安全航程、巡邏速度和進行燃料補給休整環節所耗費的時間；

[步驟2.2]起飛時間范圍計算；

設指揮員需針對多架WV制定警戒時間為t_W的巡邏方案，對應時段為[0,t_W]，對編號為i的WV來說，WV起飛時間的范圍為[t_E(i),t_L(i)]，其中：

[步驟2.3]所需巡邏周期數計算；

各型WV因自身約束需要多個巡邏周期才能覆蓋[0,t_W]，對于編號為i的WV來說，所需巡邏周期數

以和分別代表E_i在第j巡邏周期的起飛時間、巡邏區域中心和巡邏區域偏轉角，則E_i在第j巡邏周期的巡邏策略描述為引入囊括所有n_E架WV的巡邏策略集合將XE表示為二維矩陣

[步驟3]巡邏策略規劃流程設計；

針對兩類WV，分別表示EF和ER，對應架數分別為n_F和n_R，對應巡邏周期分別為T_F和T_R，對應巡邏周期數分別為N_F和N_R，則規劃過程通過兩層EF和ER和多階段(N_F+N_R)實現，且整個規劃過程按照規劃階段索引從小到大的順序逐一完成；

每一矩形區域代表一個待規劃階段，以ID_Cur和ID_Next分別表示當前已規劃階段索引和待規劃階段索引，則規劃階段索引的確定步驟如下：

步驟3.1、設置頂層第一階段的規劃階段索引為0，則ID_Cur＝0，ID_Next＝1，轉步驟2；

步驟3.2、如果所有階段尚未被完全設置，進行此步驟：

(1)選擇待規劃階段，待規劃階段只能從已規劃階段的正下方區域或鄰近右側區域選擇；

(2)遍歷待規劃階段集合，如果其中某一階段對應時間區間的終點被ID_Cur對應規劃階段的時間區間所覆蓋，則該階段為下一規劃階段，置該階段對應規劃階段索引為ID_Next，令ID_Cur＝ID_Next，且ID_Next加1；否則，從集合中挑選下一階段繼續檢驗，如果該階段對應時間區間終點未被ID_Cur對應規劃階段的時間區間所覆蓋，則選擇臨近上層的未被設置的階段為下一規劃階段，令ID_Cur＝ID_Next，且ID_Next加1；轉步驟3.3；

步驟3.3、如果所有階段尚未被完全設置，轉步驟3.2；否則，規劃階段索引確定完畢；

[步驟4]規劃階段所對應時間范圍和WV起飛時間范圍；

[步驟4.1]規劃階段所對應時間范圍；

對于編號為i的WV來說，WV的第j階段所對應時間范圍[t_S(i,j),t_E(i,j)]分別通過下式得到：

t_S(i,j)＝T_i·j+t_E(i)；

如果t_W≥(j+1)·T_i+T_E(i)，則t_E(i,j)＝(j+1)·T_i+t_E(i)，否則t_E(i,j)＝t_W；

[步驟4.2]規劃階段所對應WV起飛時間范圍；

令和分別表示E_i在第j-1和j階段的起飛時間，表示是否是時間有效的，則

對于編號為i的WV來說，WV第j階段所對應起飛時間范圍[t_S(i,j),t_E(i,j)]計算方法如下：

當j＝0時：t_S(i,j)＝t_E(i)，t_E(i,j)＝min(t_S(i,j)+T_i,t_L(i))；

當j0時：如果則

否則，

U_A表示所對應巡邏策略已覆蓋t_W；

[步驟5]巡邏策略規劃過程；

[步驟5.1]EF巡邏策略規劃建模；

巡邏策略規劃的目標是求解實現階段預警效果最大化的一組最佳巡邏策略則：

其中t_S(j)和t_E(j)根據步驟4.1得到；

[步驟5.1.1]規劃終止條件；

不設定最大尋優次數，而是認為連續尋優U_I次未得到改進時規劃過程終止，單次尋優改進與否的判斷方法是：

b_Impvd(g)用于描述在第g次規劃中是否得到改進，J(X)_g-1和J(X)_g分別表示第g-1和g次得到的階段預警效果值；

基于n_MF確定U_I的方法如下：

當n_MF＝0時，無需尋優，故無需確定U_I；

當n_MF＝1時，U_I＝G_min；

當n_MF≥2時，則

G_min和G_max分別為設定的U_I的最小值和最大值，G為單架WV對應的單位尋優代數；

[步驟5.1.2]輸入部分

“待規劃EF集合及對應策略”中待規劃WV集合MF根據EF確定，對于第j階段來說，EF中單架WV的E_i是否屬于MF的判斷方法是：

如果t_S(i,j)＝t_E(i,j)＝U_A成立，則E_i不屬于MF；否則，E_i屬于MF；

MF生成完畢之后，作為步驟5.1.3規劃部分的輸入；

[步驟5.1.3]規劃部分；

基于步驟5.1.2確定的MF及對應初始策略，循環進行空間有效性檢驗并計算階段預警效果，滿足規劃終止條件時輸出最佳巡邏策略；

所述步驟5.1.3中，空間有效性檢驗和規劃階段對應的階段預警效果的詳細步驟為：

a)、空間有效性檢驗；

空間有效性檢驗是為了檢驗WV集合中任意兩架WV的巡邏策略是否均滿足航線之間互不干擾，WV集合中任意兩架WV的E_a和E_b在第j階段的巡邏策略分別為和則巡邏航線相互干擾滿足以下兩個條件：

條件1：警戒時間存在交叉；確定巡邏策略對應巡邏區域中心及警戒時間區間，以為例，過程如下所示：

其中表示對應區域中心與坐標系原點之間的距離，和分別表示對應區域覆蓋時間段、起始時刻和終止時刻，表示在第j₂階段內的時間段；

確定和所對應區域中心位置及警戒時間段之后，確定E_a和E_b在第j階段內是否存在警戒時間段交叉：

當j＝0時：

當j≥1時：b(I(E_a,E_b,j))＝b(b₁∪b₂∪b₃∪b₄)

其中

如果b(I(E_a,E_b,j))為假，則和對應警戒時間無交叉，進而對應的巡邏區域不存干擾，不進入條件2進行判斷；否則，警戒時間存在交叉，通過條件2確定和對應巡邏區域是否存在干擾；

條件2巡邏區域存在干擾；

對于E_a和E_b在第j階段的巡邏區域，是否存在干擾的檢驗方法如下：

當j＝0時：

當j≥1時：b_S(I(E_a,E_b,j))＝B₁∪B₂∪B₃∪B₄

其中

用于檢驗和對應區域是否存在干擾，過程如下：

其中D_M＝E_a(l)+E_a(r)+E_b(l)+E_b(r)+S_D

通過b_S(I(E_a,E_b,j))判斷E_a和E_b在第j階段的區域是否存在干擾；如b_S(I(E_a,E_b,j))為1，則存在干擾，和無效，否定該方案；如b_S(I(E_a,E_b,j))為0，則不存在干擾，則和有效；

在條件1和條件2中，對于MF來說：

當n_MF＝0時，無需對該階段進行規劃；

當n_MF＝1時，無需進行空間有效性檢驗，且巡邏策略是有效的；

當n_MF≥2時，對MF中所有WV進行兩兩空間有效性檢驗；如果均有效，則整體巡邏方案有效；否則，整體巡邏方案無效；

如果有效，則需要繼續確定第j階段預警效果；

b)規劃階段對應的階段預警效果；

第j階段對應的階段預警效果確定步驟：

(1)確定第j階段對應時間范圍[t₁,t₂]；

通過式計算，其中t_S(j)和t_E(j)分別根據步驟4.1計算得到；

(2)確定在t₀時刻的預警效果其中表示所有EF型WV在第j階段的巡邏策略集合；計算的思路是：遍歷所有柵格，如果柵格處于任一WV在t₀時刻位置對應的探測范圍之內，則柵格被覆蓋，如柵格被多個WV探測范圍覆蓋，僅計入一次；將所有被覆蓋柵格的價值求和便得到以b_In代表柵格是否被覆蓋，則b_In的確定方法是：以O′(x,y)表示柵格中心位置，P′(x,y)表示WV巡邏位置，R表示WV機載雷達探測半徑，則

(3)確定在[t₁,t₂]內對應的預警效果之和以及對應的均值和方差

基于得到

(4)確定在[t₁,t₂]內對應的階段預警效果

確定巡邏策略時，不僅希望盡量大，也希望盡量均勻，以獲取在各時刻盡量穩定的預警效果，則χ和ξ分別表示指揮員認定的均值和方差在階段預警效果中所占比重；

[步驟5.1.4]輸出部分

第j階段輸出部分的內容分為以下幾類：

a、當n_MF＝0時，表示所對應的巡邏周期均已覆蓋t_W，故均為空；輸出內容包括四部分：①②③④

b、當n_MF＝1時，表示EF中僅存在1架WV在第j-1階段對應巡邏周期未覆蓋t_W，設編號為i，求解輸出內容不僅包括及i，還包括第a類中四項輸出內容；

c、當n_MF≥2時，表示EF中存在至少2架WV在第j-1階段對應巡邏周期未覆蓋t_W，求解這n_MF架WV在第j階段的巡邏策略；輸出內容不僅包括所求解出的n_MF架WV在第j階段的巡邏策略及對應的WV編號，還包括第a類中四項輸出內容；

[步驟5.2]ER巡邏策略規劃建模；

巡邏策略規劃模型通過將步驟5.1模型中替換為得到；

通過輸入部分、規劃部分和輸出部分三部分展開闡述；

[步驟5.2.1]輸入部分；

確定ER中單架WVE_i任一參數項的方法與步驟5.1.2中相同，MR生成完畢之后，作為5.2.2規劃部分的輸入；

[步驟5.2.2]規劃部分；

規劃部分的兩個核心環節分別是空間有效性檢驗和規劃階段對應的階段預警效果；

所述步驟5.2.2中，空間有效性檢驗和規劃階段對應的階段預警效果的步驟為：

a)空間有效性檢驗

空間有效性檢驗針對同型WV以及異型WV展開，假設兩架WVE_c和E_d在第j規劃階段的巡邏方案分別為和結合E_a和E_b，則對于E_c和E_d，航線相互干擾同樣必須滿足兩個條件：

條件1警戒時間存在交叉；進行警戒時間交叉檢驗的兩架WV或者均是ER型，或者分別是固定翼型和ER型；

兩架WV均為ER型時，交叉時間范圍與EF型的確定方法相同；

兩架WV分別為EF和ER型時，假設根據步驟5.1.3計算得到所對應警戒時間段為則為了求解E_a中各規劃階段與的交叉時間段范圍，首先需要確定E_a中的哪些規劃階段可能與存在時間段交叉；由于E_c的巡邏周期明顯短于E_a的巡邏周期，所以至多存在E_a的兩個規劃階段與存在時間段交叉，設這兩個規劃階段的索引分別為P_L和P_U，則

對于這兩個索引的關系，存在兩種情況：

(1)P_U＝P_L，表明E_c的第j階段完全包含于E_a的第P_L(P_U)階段；

(2)P_U＝P_L+1，表明E_c的第j階段一部分包含于E_a的第P_L階段，另一部分包含于E_a的第P_U階段；

至此，便可基于P_L、P_U、j和下式計算與在E_c的第j階段內是否存在警戒時間段交叉：

當j＝0時，P_L＝P_U＝0：

當j≥1時：

其中的計算方法如下：

當P_L＝0時：

當P_L≥1時：

其中：

同理可以得到

條件2巡邏區域存在干擾；

巡邏區域干擾檢驗分為同型和異型兩種情況；

對于兩架WV均為ER型的情況，檢驗方法與步驟5.1.3中相同；

兩架WV分別為EF和ER型時，是否存在干擾的檢驗方法如下：

當j＝0時：

當j≥1時：

其中的計算方法如下：

當P_L＝0時：

當P_L≥1時：

其中：

同理可得

b)規劃階段對應的階段預警效果

對于ER型WV的第j階段來說，對應時間段[t₁,t₂]計算方法見步驟5.1.3；以X_R＝{X_i,n₀≤in₀+n₁}表示所有ER型WV的巡邏策略集合，設所有EF型和ER型WV的策略集合表示為X_A＝X_F∪X_R，則和可通過將步驟5.1.3中替換為得到；

[步驟5.2.3]輸出部分

規劃結束得到之后，從中提取針對ER的巡邏策略其中第j階段輸出部分的內容可通過將步驟5.1.4中n_MF、和EF對應替換為n_MR、和ER得到。