无人机任务规划系统需求分析.pdf

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1、无 人 机本文 2010-12-01 收到，作者分别系解放军电子工程学院硕士生、教授、檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽殦殦殦殦硕士生无人机任务规划系统需求分析戴定川盛怀洁赵域摘要通过对现代战场条件下无人机发展趋势、作战使用特点及无人机任务规划过程的分析，指出了无人机作战使用人员急需智能任务规划工具的支持。介绍了任务规划系统的概念，分析了无人机任务规划系统的需求，为发展无人机任务规划系统提供参考。关键词无人机任务规划系统需求分析引言随着现代信息技术的不断进步

2、和信息化战争的持续发展变革，无人机的作战任务由单一使命向多元任务方向发展，已从最初的以靶机为主发展到以侦察、监视任务为主，同时向目标定位和火力较射、通信中继、电子战、对地攻击、空中预警等多方向发展;无人机的战术运用也由单打独斗向无人机间的编组作战、无人机与有人驾驶固定翼飞机/武装直升机间的混合编组作战方向发展。无人机作战任务的发展和战术运用的变革对任务计划的制定提出了新的需求，对决策的智能化、有效性和实时性要求越来越高。传统的人工/半人工制定无人机任务计划的方法反应时间长，处理能力较弱，不能充分发挥无人机的性能，已难以满足作战需求。作战使用人员急需一种自动化的无人机任务规划工具。1无人机的发展

3、趋势和作战使用特点现代信息化战争中，随着无人机种类的增多和作战性能的增强，无人机的用途越来越广，打击目标越来越多。同时，目标的侦测能力和反制能力也在不断加强。因此，现代无人机作战使用呈现出如下特点。1 1组织协调复杂化未来的信息化战场，各种武器作战平台都以信息为媒介和支撑，无人机系统作战性能的有效发挥势必需要与其它各种参战力量和武器系统平台的有机结合，形成一个相互关联、信息共享的统一体系。无人机的作战方式将侧重于通过与有人机的协同配合以组成混合机队，全力确保战争中的空中优势。在新的作战方式下，既要协调无人机之间的配合，同时更要组织无人机与有人机的作战协同，由此可知未来无人机作战的组织协调将更加

4、复杂1。1 2决策智能化未来无人机作战使用决策中，作战人员需要了解和掌握目标的正确位置和特征、目标的防御能力和生存能力、敌方的防空体系配置、友邻兵力位置和能力、作战地域的气象条件、无人机的数量和性能等海量信息，并基于这些信息进行决策。在现代信息化战场条件下，信息的可变性大，时效性强，因而在熟知战场情况方面具有更大的不确定性。同时作战双方为隐蔽企图，都采取各种欺骗、伪装技术和虚拟现实技术，隐真示假，使情报具有更大的不确定性，因此无人机作战决策中传统的手工方式难以满足需要，必须引入数据库、信息融合、模糊决策、专家系统等具备实时、高效信息处理能力的人工智能辅助决策系统进行信息处理2。1 3任务规划实

5、时化现代战场作战节奏快，情况突发性强，各种远66飞航导弹2011 年第 3 期无 人 机程、高速、高精度武器系统的出现和运用使得无人机系统面临更为严峻的实时威胁，以精确制导武器为例，其传感器能够捕捉到一切可利用的目标信息，经计算机分析鉴别后自主地跟踪攻击目标，在此情况下任务规划的实时性就成为了无人机作战制胜的关键点，通过提升无人机的实时任务规划功能，强化无人机规避各种突发威胁的能力，确保无人机作战任务的完成。2无人机的任务规划过程无人机任务规划是根据无人机所要完成的任务、无人机的数量及任务载荷的不同，对各架无人机进行任务分配并通过航路规划技术制定飞行路线。无人机任务规划的主要目标是依据地形信息

6、和敌方信息，综合考虑无人机性能、到达时间、油耗、威胁及飞行区域等约束条件，为无人机规划出一条或多条从起始点到目标点最优或满意的航路，保证无人机圆满完成飞行任务并安全返回基地3。单架无人机任务规划原理结构简图如图 1 所示4。图 1无人机任务规划原理结构简图根据图 1 的任务规划原理结构简图，针对无人机未来发展趋势与作战使用特点，未来无人机任务规划主要包括下列内容。2 1任务载荷规划任务载荷规划主要针对两种情况，一种是多目标情况下的单架无人机作战，依据无人机自身任务载荷的性能特点，确定任务设备的工作模式;另一种情况是多任务、多目标情况下多架无人机协同作战，主要是基于各无人机载荷及其性能的差异，依

7、据具体的任务目标分配情况，确定每架飞机任务设备的工作模式，合理配置无人机及其任务载荷资源。两种情况下的任务载荷规划其最终目的都是为了实现效能最大化、代价最小化，确保既定作战任务的完成。2 2数据链路规划无人机与地面站之间通过无线数据链路传递信息，多无人机协同作战时，当无人机间的遥控、遥测频率配置不符合电磁兼容标准时，将严重影响无人机作战任务的完成，特别是在复杂电磁环境下，各种有意干扰、无意干扰辐射源多，该问题更为突出。数据链路规划就是在综合分析无人机动力装置、任务载荷的频谱特性以及电磁环境影响的情况下，合理配置数据链信道工作频率(载频、副载频、中频)，调制方式以及码速率等5，避免在电磁兼容方面

8、产生问题。2 3系统保障与应急预案规划在无人机系统中，一般一个地面站可以同时控制若干架无人机，多无人机协同作战时，地面站与无人机如何配比和各种地面站在作战地域内如何部署也成为重要的规划内容。系统保障与应急预案规划是指综合考虑无人机系统本身的约束条件、目标任务需求和应急情况想定，合理设置地面站与无人机的配比关系，科学部署作战地域内的各种无人机地面站，制定突发情况下的无人机作战方案。目前，无人机任务规划系统在时效性、处理速度、处理能力等方面还无法满足信息化战场条件下的作战需要。作战人员急需一种基于计算机的智能化任务规划工具的支持。同时，在发展下一代高性能无人机时，也必须同时对其支援保障设备做出规划

9、，保证有高效实用的先进任务规划工具随同入役，以充分发挥新型无人机的战术技术性能，满足作战使用的需要。3任务规划系统任务规划系统(Mission Planning Systems，MPS)在海湾战争中首次得到广泛应用，为多国部队的胜利做出了很大的贡献。美国战术空军司令部在报告中指出，在海湾战争中，美国空军由于使用 MPS任务支援系统，使精确制导武器在首战中的命中率倍增6。现代先进的任务规划系统利用先进的计算机技76飞航导弹2011 年第 3 期无 人 机图 2美军任务规划系统结构图术，采集作战需要的各种情报，进行大规模分析、制作各种数据库并将其存储在磁盘组件内，供任务规划时调用。利用任务规划系统

10、，可在基层单位用计算机终端制定作战战术和攻击计划，确认需要修正的各种数据，瞬间就可以得到修正。当前在任务规划系统研发上，国外在有人机上研发比较成熟，目前已开发的关于有人作战飞机的任务规划系统项目有美国的战斗机驾驶员助手、旋翼机驾驶员助手、英国的任务管理辅助计划等7。美军典型任务规划系统结构如图 2 所示，该系统主要由威胁数据处理、任务信息数据处理、空中协同数据处理、气象数据处理、威胁级别评估、路径生成和路径优化、路径评估、飞行计划生成、攻击计划生成、机载雷达探测、电子-光学/红外探测、远程电子战作战效能评估、机载电子战作战效能评估、三维建模、非制导武器发射和投掷计算、制导武器的发射和投掷计算、

11、数字地图和图像显示、数据传送装置的写入/读出接口、用户终端和数据库管理总共 20 个主要功能部分组成8。在无人机任务规划系统发展方面，美国、以色列等无人机技术比较发达的国家研究比较早，现已有了部分相对完善的方法，并开发出一些任务规划系统来辅助无人机飞行计划的制定。美国空军研究实验室针对全球鹰无人机和捕食者无人机研制了侦察任务规划系统，有力的增强了无人机的作战能力9。同时随着无人战斗机研发的不断深入，针对多任务、多目标、多架、多军种协同任务规划的系统也正在研究。2002 年 4 月美军研制出陆、海、空三军联合任务计划系统(JMPS)，该系统主要用来制定飞行威胁分析、飞机航路、攻击协调等航空任务规

12、划。当前，美军正对 JMPS 进行升级，希望将任务规划过程的所有要素整合在一起，实现跨军种部门的集中任务规划。任务规划系统主要由两大部分组成，第一是软件系统，第二是硬件系统。软件系统又可分为系统软件和应用软件两大部分，主要有输入输出、数据86飞航导弹2011 年第 3 期无 人 机库、人机交换界面、辅助决策、任务预演和回放系统等组成。硬件系统主要有工作站、高性能微机、数传装置、输入输出设备等组成。可以看出，任务规划系统具有强大的情报采集和信息处理能力，实时高效的决策能力，能够满足作战人员对基于计算机的智能化无人机任务规划工具的要求。在发展下一代高性能无人机和对现役无人机进行改进时，应配套装备相

13、应的专用或通用的无人机任务规划系统。4无人机任务规划系统未来的无人机任务规划系统，既可以是专门研制的硬件装备，也可以是运行于通用指挥控制系统软件环境中的战术应用软件系统。很明显，由于战术应用软件系统价格相对较低、通用性强、升级简便，因而对部队具有更强的吸引力。作为战术应用软件系统的无人机任务规划系统其结构如图 3 所示，通过六个模块的组合，系统运筹、合理规划多批次、多种类的无人机协调配合，科学利用作战资源，完成作战任务，从而获得整体最佳的作战效能。图 3无人机任务规划系统结构框图无人机任务规划系统在无人机武器系统中的应用，既有任务规划系统的共性，又存在适应无人机武器系统需求的特点，结合图 3

14、的任务规划系统结构框图，可分析得出无人机任务规划系统应具备如下主要功能。4 1信息采集与处理无人机任务规划系统应能够采集作战需要的各种情报，形成数据库，为作战人员提供目标的正确位置和特征、目标防御能力和生存能力、敌方的防空体系和位置、友邻兵力位置和能力、气象条件、无人机装备的数量、性能等信息，并通过信息融合、模糊决策、专家系统等手段对战场信息进行实时、高效的处理，去粗取精、去伪存真，提供可靠的信息保障，供作战人员分析研究并形成决策。4 2辅助决策无人机任务规划系统应能够进行人工智能辅助决策，在作战人员的监控和干预下，依据战场环境信息，通过逻辑判断、模糊判断、专家系统等手段做出正确的无人机攻击决

15、策和攻击方案。如无人机攻击方式、发射数量、频率分配、高度分配、发射顺序、航路点设置等。4 3火控系统无人机任务规划系统还可以包含无人机火控系统的功能，系统根据无人机的目标任务分配，在操作人员的参与下自动或半自动地完成各种软硬杀伤武器的发射前检查和发射控制等任务。对于硬杀伤武器，传统的由操作人员完成攻击瞄准操纵过程会影响无人机的作战效能，因此火控系统着力解决武器的攻击瞄准、发射的自动化或半自动化工作10;对于软杀伤武器，传统的由操作人员控制任务设备工作方式和时间的方法也会影响任务设备的工作效能，火控系统着力解决任务设备工作模式和时间的自动化或半自动化工作。4 4仿真演示无人机任务规划系统应具备仿

16、真演示功能，主要包括飞行仿真演示、武器威胁仿真演示、作战效果演示。在完成无人机作战任务规划后，通过在数字地图上显示飞行路线，仿真飞行过程;在数字地图上演示敌雷达、高炮和导弹等防空武器的威胁程度，使无人机尽可能地规避飞行路线上可能出现的防空武器的威胁;对无人机作战的效果进行预估和判断，并反馈指导决策，形成最优方案。同时，仿真演示功能还可用于记录无人机作战过程，以进行战后分析和总结;在平时的演习训练中，还可提供虚拟现实的训练环境，并对演练结果进行评判。96飞航导弹2011 年第 3 期无 人 机5结束语科学技术的发展使现代无人机的战术技术性能产生了突飞猛进的变化，无人机甚至开始具备相同或超越有人机

17、的应变能力，战场环境的日趋复杂和防御体系的不断完善使无人机的作战使用呈现出新的特点，对无人机支援保障系统提出了更高的要求，任务规划系统研究工作也将面临更多的困难和挑战。在体系对抗环境下，任务规划技术只有与作战武器系统、作战保障系统和复杂战场环境相结合才能构建出实用高效的任务规划系统;在网络中心战的新形式下，任务规划系统与各作战平台和信息平台实现资源共享、统一调度、集中规划是无人机作战效能充分发挥的重要保证。参考文献 1 郑昌文，严平，丁明跃，等 飞行器航迹规划 北京:国防工业出版社，2008 2 马向玲，叶文，范洪达 飞机航路规划决策系统研究与开发 电光与控制，2004(5)3 邢立宁，陈英武

18、 任务规划系统研究综述 火力与指挥控制，2006，31(4)4 魏瑞轩，李学仁 无人机系统及作战使用 北京:国防工业出版社，2009 5 宋祖勋，俞卞章，叶烽 无人机频率配置的兼容性研究 电波科学学报，2001，16(4)6 丁明跃，郑昌文，周成平，等 无人飞行器航迹规划 北京:电子工业出版社，2009 7 栾义春，薛红军，宋笔锋，等 无人作战飞机系统的辅助决策等级实验研究 计算机工程与应用，2009，45(5):222-224 8 刘新艳，黄显林，吴强 国外任务规划系统的发展 火力与指挥控制，2007(6):6-9 9 胡中华，赵敏 无人机任务规划系统研究及发展 航天电子对抗，2009(4)

19、:49-51 10 郭锁凤，申功璋，吴成富，等 先进飞行控制系统 北京:国防工业出版社，檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵2003伊朗大量生产新型反舰导弹目前，伊朗精锐部队最高指挥官称，伊朗正在大量生产新的反舰导弹，导弹可以超过马赫数 3 的飞行速度攻击海上目标。该导弹称卫兵，亦称波斯湾(Persian Gulf)，射程可达 300 km。该指挥官还称，卫兵导弹不易被敌方探测和干扰，而且可以很高的精度攻击目标。卫兵导弹可从舰上发射，并能从高空俯冲攻击敌舰队。导弹装有 650 kg 的爆炸战斗部，并采用固体燃料推进装置。电视录像显示，此次试验是从沙漠上的机动发射架发射。邢娅王蕾07飞航导弹2011 年第 3 期