法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-28
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明涉及导弹武器系统运用领域，具体是一种反舰导弹多航路规划方法。
背景技术
飞行器航路规划(PathPlanning)是指在特定约束条件下，寻找从初始点到目标点，并且满足某种特定指标的最优飞行轨迹。航路规划基本分为四类方法：人工势场方法；基于数学的规划方法，包括非线性规划算法与动态规划算法；基于图形学的方法，包括A*算法、Voronoi图法、快速扩展随机树；智能优化算法，包括遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法和蚁群算法进行算法等。
目前国外在航路规划方面的许多应用都是基于A*搜索算法来实现的。A*搜索算法是一种启发式最优搜索方法，在每一次迭代中选择搜索空间中启发函数值最小的节点进行扩展，从起始节点出发，不断地寻找有希望以最小代价通向目标点的节点，并优先扩展这些能够使启发函数值最小的节点，从而形成一个节点集，于是集合内特定一些节点的有序连接即为所求的最优航路。启发函数是由起始点到当前节点的实际代价函数值与从当前节点到目标点的估计代价函数值加权计算得到的，其计算依赖于启发信息。
A*搜索算法的代价函数为f(x)＝a·g(x)+b·h(x)，g(x)表示从起始位置到当前位置x的真实代价；h(x)表示从当前位置到目标点的预计代价；a和b代表对真实代价和预计代价的加权系数，一般取值为1。A*搜索的每一步扩展都将选择最小的f(x)的节点插入可能的路径链表中。可以证明，只要从x到目标点的真实代价总大于或者等于预计代价，A*搜索就能找到一条最优的路径。
由于A*搜索算法中，每一个新产生的节点都代表了几乎无穷条可能的路径，因此，它也将占用大量的运算空间和时间，同时，现有的A*搜索算法航路规划一般针对二维地图、单航路、寻找最短路径，对三维地图、多角度、多航路之间规避规划研究较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种反舰导弹多航路规划方法，包括以下步骤：
1)建立航路起始基准单位矢量模型，从而计算航路起始基准单位矢量；
建立航路起始基准单位矢量模型的步骤包括：
1.1)建立仿真坐标系oxyz和航路点坐标系OXYZ；其中，原点o为观测舰搜索雷达位置；ox轴指向北，oz轴垂直向上；oy轴组成右手系；O为航路点，OZ垂直向上，OX指向北，OY垂直于OXZ；
1.2)记参考攻击方向单位矢量为
1.3)建立航路起始基准单位矢量模型，从而计算正、负攻击角的航路起始基准单位矢量；
航路起始基准单位矢量模型如下所示：
式中，θ
2)建立水平边界矢量模型，从而计算水平边界矢量；
水平边界矢量模型如下所示：
式中，θ
4)建立垂直边界矢量模型，从而计算垂直边界矢量；
优选的，垂直边界矢量模型如下所示：
式中，θ
优选的，垂直边界矢量模型如下所示：
式中，θ
优选的，垂直边界矢量模型如下所示：
式中，θ
5)根据水平边界矢量、垂直边界矢量，计算可能子节点矢量；所述可能子节点包括当前航路节点之后下一个可能的航路点；
计算可能子节点矢量，步骤包括：
5.1)计算初始子节点矢量
式中，
5.2)计算子节点矢量
5.3)单位化子节点矢量
式中，
5.4)计算第(i-1)*5+j个可能子节点矢量
式中，h为步长；l+1＝(i-1)*5+j；
6)对可能子节点矢量进行筛选，得到筛选后的可能子节点矢量表；
对可能子节点矢量进行筛选的步骤包括：
6.1)记待筛选的可能子节点矢量为
式中，(x
6.2)计算
6.3)在两个节点之间增加n分点，得到n分点中对应第m个节点矢量
式中，0＜m≤n；
6.4)将满足
7)建立寻优模型，并将筛选后的可能子节点矢量表输入到寻优模型中，得到最优子节点矢量
寻优模型如下所示：
式中，
8)判断最优子节点矢量
迭代结束条件包括条件一和条件二；最优子节点矢量满足条件一或条件二，则迭代结束；
条件一：
条件二：
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明与现有技术相比的优点在于：1)由参考攻击方向单位矢量得到正、负攻击角的航路起始基准单位矢量，实现单平台对单目标的多航路规划；2)给出了基准单位矢量旋转得到水平边界矢量、垂直边界矢量的三种方式，由边界矢量扩展得到可能子节点矢量的方式，提供了父节点向子节点扩展的工程实用新方法，特征是在父节点迅速调整航向快速转向子节点，不同于在父节点绕曲率中心逐渐转向子节点的扩展方式；3)将防空威胁区规避问题转化为地形规避问题，通过筛选低于地形表高度子节点的方式，给出了一种不同于基于检测相邻航路点连线与地形或威胁区域多边形的任意边相交的地形和威胁区规避新方法；4)采用基于点在平面任意多边形以内的检测方法，解决水平航路规避问题，规避效果更好。
附图说明
图1为水平边界矢量模型图；图2为垂直边界矢量模型方法1；图3为垂直边界矢量模型方法2；图4为垂直边界矢量模型方法3；图5为可能子节点矢量模型图；图6为改进A*搜索算法的反舰导弹航路规划方法流程图；图7为步长为6时使用方法1的航路规划结果；图8为步长为6时使用方法1的航路规划结果俯视图；图9为步长为8时使用方法1的航路规划结果；图10为步长为8时使用方法1的航路规划结果俯视图；
图11为步长为10时使用方法1的航路规划结果；图12为步长为10时使用方法1的航路规划结果俯视图；图13为步长为11时使用方法2的航路规划结果；图14为步长为11时使用方法2的航路规划结果俯视图；图15为步长为12时使用方法2的航路规划结果；图16为步长为12时使用方法2的航路规划结果俯视图；图17为步长为13时使用方法2的航路规划结果；图18为步长13时使用方法2的航路规划结果俯视图；图19为步长6时使用方法3的航路规划结果；图20为步长6时使用方法3的航路规划结果俯视图；
图21为步长8时使用方法3的航路规划结果；图22为步长8时使用方法3的航路规划结果俯视图；图23为步长10时使用方法3的航路规划结果；图24为步长10时使用方法3的航路规划结果俯视图；图25为方法1的2航路规划结果；图26为方法1的2航路规划结果俯视图；图27为方法1的3航路规划结果；图28为方法1的3航路规划结果俯视图；图29为方法1的4航路规划结果；图30为方法1的4航路规划结果俯视图；
图31为方法1的5航路规划结果；图32为方法1的5航路规划结果俯视图；图33为方法2的2航路规划结果；图34为方法2的2航路规划结果俯视图；图35为方法2的3航路规划结果；图36为方法2的3航路规划结果俯视图；图37为方法2的4航路规划结果；图38为方法2的4航路规划结果俯视图；图39为方法2的5航路规划结果；图40为方法2的5航路规划结果俯视图；
图41为方法3的2航路规划结果；图42为方法3的2航路规划结果俯视图；图43为方法3的3航路规划结果；图44为方法3的3航路规划结果俯视图；图45为方法3的4航路规划结果；图46为方法3的4航路规划结果俯视图；图47为方法3的5航路规划结果；图48为方法3的5航路规划结果俯视图；
图49(a)为方法1多航路规划I；图49(b)为方法1多航路规划II；图49(c)为方法1多航路规划III；图49(d)为方法1多航路规划IV；
图50(a)为方法1多航路规划俯视图I；图50(b)为方法1多航路规划俯视图II；图50(c)为方法1多航路规划俯视图III；图50(d)为方法1多航路规划俯视图IV；
图51(a)为方法2多航路规划I；图51(b)为方法2多航路规划II；图51(c)为方法2多航路规划III；图51(d)为方法2多航路规划IV；
图52(a)为方法2多航路规划俯视图I；图52(b)为方法2多航路规划俯视图II；图52(c)为方法2多航路规划俯视图III；图52(d)为方法2多航路规划俯视图IV；
图53(a)为方法3多航路规划I；图53(b)为方法3多航路规划II；图53(c)为方法3多航路规划III；图53(d)为方法3多航路规划IV；
图54(a)为方法3多航路规划俯视图I；图54(b)为方法3多航路规划俯视图II；图54(c)为方法3多航路规划俯视图III；图54(d)为方法3多航路规划俯视图IV；
图55为反舰导弹多航路规划流程图。
本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种反舰导弹多航路规划方法，包括以下步骤：
1)建立航路起始基准单位矢量模型，从而计算航路起始基准单位矢量；
建立航路起始基准单位矢量模型的步骤包括：
1.1)建立仿真坐标系oxyz和航路点坐标系OXYZ；其中，原点o为观测舰搜索雷达位置；ox轴指向北，oz轴垂直向上；oy轴组成右手系；O为航路点，OZ垂直向上，OX指向北，OY垂直于OXZ；
1.2)记参考攻击方向单位矢量为
1.3)建立航路起始基准单位矢量模型，从而计算正、负攻击角的航路起始基准单位矢量
航路起始基准单位矢量模型如下所示：
式中，θ
2)建立水平边界矢量模型，从而计算水平边界矢量；
水平边界矢量模型如下所示：
式中，θ
4)建立垂直边界矢量模型，从而计算垂直边界矢量；垂直边界矢量模型包括以下三种：
第一种垂直边界矢量模型：
式中，θ
第二种垂直边界矢量模型如下所示：
式中，θ
第三种垂直边界矢量模型如下所示：
式中，θ
5)根据水平边界矢量、垂直边界矢量，计算可能子节点矢量；所述可能子节点包括当前航路节点之后下一个可能的航路点；
计算可能子节点矢量，步骤包括：
5.1)计算初始子节点矢量
式中，
5.2)计算子节点矢量
5.3)单位化子节点矢量
式中，
5.4)计算第(i-1)*5+j个可能子节点矢量
式中，h为步长；l+1＝(i-1)*5+j；
6)对可能子节点矢量进行筛选，得到筛选后的可能子节点矢量表；
对可能子节点矢量进行筛选的步骤包括：
6.1)记待筛选的可能子节点矢量为
式中，(x
6.2)计算
6.3)在两个节点之间增加n分点，得到n分点中对应第m个节点坐标
式中，0＜m≤n；
6.4)将满足
7)建立寻优模型，并将筛选后的可能子节点矢量表输入到寻优模型中，得到最优子节点矢量
寻优模型如下所示：
式中，
8)判断最优子节点矢量
迭代结束条件包括条件一和条件二；最优子节点矢量满足条件一或条件二，则迭代结束；
条件一：
条件二：
条件一是始点起始规划迭代结束的条件，条件二是终点起始规划迭代结束的条件。
实施例2：
一种反舰导弹多航路规划方法，主要包括以下内容：
在建立坐标系时只考虑导弹质心运动，不考虑绕质心的转动。建立仿真坐标系oxyz，o取观测舰搜索雷达位置，ox轴指向北，oz轴垂直向上；oy轴组成右手系，仿真坐标系视作惯性坐标系。
设航路点坐标系OXYZ(与仿真坐标系是平移关系)，用于求取各航路点的节点矢量、位移。O为航路点，OZ垂直向上，OX指向北，OY垂直于OXZ，符合右手定则。矢量数字地图网格数据存储在三个m×n型矩阵datax(m,n)、datay(m,n)和dataz(m,n)。其中，矩阵datax(m,n)为n个m维相同元素的列向量，存储n列空间矢量的纵坐标；矩阵datay(m,n)为m个n维相同元素的行向量，存储m行空间矢量的横坐标；矩阵dataz(m,n)存储第m行n列空间矢量的高。则矢量数字地图上网格(i,j)对应的实际地理坐标为[i,j,k]＝(datax(i,j),datay(i,j),dataz(i,j))。
1.航路起始基准单位矢量模型
已知航路始点
2.水平边界矢量模型
已知航路始点
该基准单位方向矢量绕Z轴转动θ
3.垂直边界矢量模型
已知垂直方向转弯限制角θ
方法1：在水平边界矢量不变的情况下，垂直边界矢量的矢量方向绕Y轴转动θ
弹道比较跳跃，方案简单。该基准单位方向矢量绕Y轴转动θ
方法2：在水平边界矢量不变的情况下，垂直边界矢量在XOZ的投影面内绕着节点转动θ
单位方向矢量在铅垂面的垂直(投影)面内绕节点转动θ
方法3：在水平边界矢量不变的情况下，垂直边界矢量在水平面的投影面内绕节点转动θ
方法3单位方向矢量在水平面的垂直(投影)面内绕节点转动，结果类似方法1，弹道比较跳跃，X、Y轴运动耦合，越障能力强。
4.可能子节点矢量模型
从当前节点为原点，由步长h与垂直方向转弯限制角θ
初始子节点矢量：
子节点矢量：
单位化的子节点方向矢量：
由步长h得第(i-1)*5+j个可能子节点矢量
5.筛选子节点矢量模型
5.1地形规避
筛选地表以上可能子节点矢量模型。设待筛选的可能子节点矢量
依靠双线性插值的方法，求出
把
仅通过可能子节点矢量
(1)取二分点
取n＝2时，可得二分坐标为
由式(10)～式(12)得
(2)取三分点
取n＝3时，可得三分点坐标为
由式(10)～式(12)得
(3)取n分点
可得n分点中对应第m(0＜m≤n)个节点坐标为：
由式(10)～式(12)得
5.2防空威胁区规避
防空威胁区可由雷达探测威胁区、火力抗击区、射击允许区域等组成，因为火力抗击区范围以内为绝对禁飞区域，构建模型时可将防空威胁区等价于火力抗击区来处理。考虑到敌方火力抗击区的移动相对于我方导弹的飞行速度相对静止，故可在对火力抗击区进行简化后，将敌方的防空威胁区与地形威胁区都视为已知固定威胁。由于很难确定敌方防空火力在我方导弹即将进入其威胁区时候的探测角度，出于对导弹飞行的安全隐蔽，将防空威胁区视为以某一原点为中心，半径为r作出威胁区T。其中(x,y)为防空威胁区坐标，r为火力抗击半径，α
已知地图中0≤i≤m，0≤j≤n在数字地图上网格(i,j)点对应的完整坐标为(datax(i,j),datay(i,j),dataz(i,j))，防空威胁区坐标(x,y)对应的完整坐标为(datax(x,y),datay(x,y),dataz(x,y))。若ml为点(i,j)到(x,y)的长度ml＝[(datax(i,j)-datax(x,y))
式(17)分解为式(18)～(20)，设
建立判别矩阵E＝(e
防空威胁区海拔为
5.3水平航路规避
在多航路规划时，一般先规划小攻击角航路再规划大攻击角航路。为避免大攻击角航路与小攻击角航路水平面相交，可为小攻击角航路设置一定宽度的航路管道，在航路管道之外规划大攻击角航路，从而实现水平航路规避。
设已规划的小攻击角航路i的包含k个航路点依次为
对向量
计算象限数向量
其中，&表示逻辑“与”，q
求向量
叉积
求向量
D
求四分角向量
对水平面上任意一个检测点
检测点
检测点
完成检测以后，设置已规划航路管道边界和以内的网格点的高度为地形与防空威胁区高度的最大值。
6.寻优模型
由A*搜索算法的代价函数可得
即
始点起始规划
终点起始规划
取最优子节点矢量
7.迭代模型
始点起始规划
终点起始规划
如果式(32)或者式(33)未满足条件，则要重新进行水平边界矢量、垂直边界矢量、可能子节点矢量、筛选子节点矢量、寻优以及迭代这六个步骤直至寻找到最优解完成航路规划。如果式(32)或者式(33)满足条件，则完成航路规划。改进A*搜索算法的反舰导弹航路规划方法流程如图6所示。
实施例2：
一种应用于反舰导弹隐蔽攻击的反舰导弹多航路规划方法，内容包括：
作战想定1：红方侦察机提供的网格位置(行数，列数)目标指示，锁定蓝方舰船海上网格位置(1109,1069)，红方某型导弹护卫舰位于岛礁附近的网格位置(489,449)，以参考攻击方向
反舰导弹参数：θ
数字地图参数：全域为网格(1～1836,1～1676)，岛礁海区为网格(460～918,420～838)，其余部分为海区，网格精度为0.1km，最高海拔1.4488km。
雷达威胁区参数：R
水平、垂直边界矢量分割参数：S＝4,M＝4。
(1)方法1
选择不同的步长会将会对结果产生较大的影响。选择步长h＝6，航路规划得到结果图7与图8。选取步长h＝8得到航路规划结果如图9与图10，选取步长h＝10得到航路规划结果如图11与图12。(单位：km)
(2)方法2
在输入了蓝方舰船位置、红方舰船位置以及各种约束条件(导弹的限制角、步长h＝11)，选择方法2进行航路规划得到结果图13与图14。选择不同的步长会将会对结果产生较大的影响，h≤10均规划不成功。以下选取步长h＝12得到航路规划结果如图15与图16，选取步长h＝13得到航路规划结果如图17与图18。
(3)方法3
在输入了蓝方舰船位置、红方舰船位置以及各种约束条件(导弹的限制角、步长h＝6)，选择方法3进行航路规划得到结果图19与图20。选择不同的步长会将会对结果产生不同的影响以下选取步长h＝8得到航路规划结果如图21与图22，选取步长得到h＝10得到航路规划结果如图23与图24。
实施例3：
一种应用于反舰导弹隐蔽攻击的反舰导弹多航路规划方法，内容包括：
作战想定2：红方侦察机提供目标指示，锁定蓝方舰船海上网格位置(1109,1069)，红方某型导弹护卫舰位于岛礁附近的网格位置(489,449)，齐射2～5枚反舰导弹对蓝方舰船进行打击，在进行航路规划过程中要注意躲避蓝方的雷达威胁区，提高隐蔽性。参数设定同想定1。
(1)方法1
参考攻击方向方位角为
(2)方法2
参考攻击方向方位角为
(3)方法3
参考攻击方向方位角为
实施例4：
一种应用于反舰导弹攻击岛礁目标的反舰导弹多航路规划方法，内容包括：
作战想定3：红方侦察机提供目标指示，锁定蓝方舰船于岛礁附近的网格位置(489,449)，红方舰船位(1509,1469)，分别发射2～5枚不同攻击角的反舰导弹对蓝方舰船进行打击。在进行航路规划过程中要注意躲避蓝方的防空威胁区，提高隐蔽性。参数设定同想定1。
(1)方法1
参考攻击方向方位角为
(2)方法2
参考攻击方向方位角为
(3)方法3
参考攻击方向方位角为
针对反舰导弹不同模式多航路规划进行了仿真对比。不论是反舰导弹航路规划的隐蔽发射规划与攻击岛礁目标规划，方法1都有很强的适用性，水平规划方向能力与垂直方向规划能力都较强，初始段采用越障方式，主要防止穿越障碍问题。方法2偏向于水平方向进行规划，在全程高度变化较小，弹道平滑，隐蔽性较强，但需要避免航路交叉，对攻击角要求较高，如不能满足则会导致无法收敛。方法3则更偏向于垂直方向上的规划，具有很强的避障能力，初始段航路跳跃程度较方法1更大，但对导弹的机动性能要求高。针对反舰导弹隐蔽攻击和攻击岛礁目标多航路规划的对应模式进行了仿真对比。方法1和方法3下，隐蔽攻击时只有初始段航路跳跃，巡航段航路较为平缓，水平航路交叉不明显，而攻击岛礁目标时大部分航路都比较跳跃，只有越障之后小段平缓且水平航路交叉较明显；方法2下，隐蔽攻击时全段航路航向变化较大，而攻击岛礁目标时绕障碍段才发生较大航向变化。
