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1、第2 5 卷第4 期航天电子对抗1引言无人机任务规划系统研究及发展*胡中华，赵敏(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京2 1 0 0 1 6)摘要：无人机任务规划系统是指根据所要完成的任务、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。首先介绍了无人机任务规划系统的基本功能及组成结构。然后，详细分析了任务规划系统的建模技术及其优化算法的研究现状。最后指出了讨论了无人机任务规划存在的问题，并阐述了无人机任务规划系统的发展趋势。关键词：无人机；任务规划；航路规划；优化算法中图分类号：V 2 7 9文献标识码：AR e s e a r c ha n dd e
2、v e l o p m e n to fU A Vm i s s i o np l a n n i n gs y s t e mH UZ h o n g h u a Z h a oM i n(C o l l e g eo fA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s，N a n j i n g2 1 0 0 1 6，J i a n g s u，C h i n a)A b s t r a c
3、 t：A c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tm i s s i o n，l o a d sa n dn u m b e ro fU A Vs w a r m。m i s s i o np l a n n i n gs y s t e md i s t r i b u t e sm i s s i o n sa n dd e e i d e st h ef l i g h tp a t hf o rt h e mb yr o u t ep l a n n i n g F i r s t l y，t h eb a s i cf u n c t i o
4、n sa n ds t r u c t u r eo ft h eU A Vm i s s i o np l a n n i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d S u b s e q u e n t l y，m o d e l i n gm e a n s，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n di t ss t a t u si nd e t a i lf o rt h em i s s i o np l a n n i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d F i n
5、a l l y，t h ep r o b l e m so fU A Vm i s s i o np l a n n i n ga r ed i s c u s s e da n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d sa r ed e s c r i b e d K e yw o r d s：U A V：m i s s i o np l a n n i n g；r o u t ep l a n n i n g：o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m无人机任务规划的目的是根据无人机性能载荷及作战任务的不同对无人机进行
6、合理的分配，以保证完成任务的时间并且总的油耗代价及威胁代价最小。从时间上来说，任务规划可分为预先规划和实时规划。预先规划是在无人机执行任务前，由地面控制站制定的，主要是综合任务要求、地形环境和无人机任务载荷等因素，预先进行规划。实时规划是在无人机飞行过程中，根据实际的飞行情况和环境及战场出现的新威胁分布对先前规划进行修改，因此又叫重规划。从层次功能上来说，任务规划可包含航路规划、任务载荷规划、数据链路规划和系统保障与应急预案规划等。目前无人机任务规划研究的重点是任务分配优化及航路基金项目：航空科学基金(2 0 0 8 Z D 5 2 0 4 7)收稿日期：2 0 0 9 0 4 1 3 2 0
7、 0 9 一二0 6 1 2 修回。作者简介：胡中华(1 9 8 1 一)，男，博士研究生，研究方向为群体智能算法、无人机航迹规划。规划。无人机任务规划实现无人机种类及数量等资源的实时、动态合理调配，以便提高无人机侦察、决策、打击、评估的时效性。2 任务规划的基本功能及组成2 1 任务规划的基本功能无人机任务规划系统是根据所要完成的任务、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，在飞行过程中，可以控制无人机任务载荷，以便完成侦察、攻击、评估等任务。无人机任务规划的主要功能包括 1 ：(1)任务分配功能，通过任务规划系统，在多任务、多目标及多无人机之间
8、进行合理规划，充分考虑无人机载荷及其性能的不同，合理调配无人机及其载荷资源，实现时间及代价最小化，并完成既定任务。(2)航路规划功能，制定飞机的起飞、降落、接近监测点、侦察监测区域、离开监测点、返航及应急飞行等任务过程的飞行航路，要求使无人机受到的导弹、雷达等的威胁代价及油耗代价最小。万方数据5 0航天电子对抗2 0 0 9 f 4)(3)仿真演示功能，主要包括飞行仿真演示、武器威胁仿真演示、侦察效果演示。能够在数字地图上叠加飞行路线，仿真飞机的飞行过程，检验飞行高度、燃油消耗等飞行指标的可行性；能够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，使飞行器尽可能地规避飞行路线上可能出现
9、的防空武器的威胁；可进行基于数字地图的合成图像计算，显示在不同的巡逻位置及不同的海拔高度上观察到的场景，使操作员能为执行任务选择最佳方案。目前，比较新颖的是采用基于V R G I S(虚拟现实一地理信息系统)技术的三维仿真验证平台的开发。2 2 任务规划系统组成对无人机群而言，无人机任务规划系统的基本功能是根据无人机的性能及任务载荷的不同和地形环境、威胁分布和目标位置等因素，对无人机任务进行预分配及实际执行时的重分配，并规划出无人机飞行航路，实际飞行时可根据需要进行局部重规划。无人机任务规划系统的功能模块框图如图1 所示 2 。图1无人机任务规划系统框图(1)调度、管理、控制台：通过无人机机载
10、载荷及空间数据链路可以实时、动态地监控无人机各模块的执行状态及任务规划的实施情况。负责用改变了的信息调整各模块的决策，并协调各模块的冲突。(2)战场分析：分析战场目标分布及雷达、高炮、导弹等威胁阵地分布，以便航路规划系统据此确定飞行路线，选择、制定飞行方案。(3)航路规划：规划出从起始点到目标点，满足相关限制条件的航迹，实现威胁代价最小化。(4)任务分配：总的作战任务分配给各个无人机单元，充分考虑无人机性能的不同，无人机可以分为无人侦察机、评估机、攻击机。合理选择无人机，有些任务需要多台无人机协同完成。(5)资源数据管理中心：接受、存储和管理与任务规划相关的各类信息，包括战场及战况信息以及任务
11、规划的最终结果及机航路执行结果。(6)战况分析：分析无人机攻击后的战场毁伤情况，以便地面控制中心确定是否执行二次任务分配及航路规划，指挥无人机就地执行作战任务。(7)载荷执行：通过无人机任务指挥系统控制无人机载荷完成相应任务，主要包括武器投放、战场捕捉等。(8)飞行任务指挥系统：具有飞行指挥功能，通过无人机飞行控制指令控制无人机飞行，并可以控制无人机火控系统。3 无人机任务规划的研究现状目前，国内外关于无人机任务分配问题的研究成果主要表现为两个方面：无人机任务分配问题建模和无人机任务分配优化算法。3 1 无人机任务分配建模在无人机任务分配问题建模方面，现阶段的研究成果主要包括：S e c r
12、e s tB R 等建立的多旅行商问题(M T S P)模型 3 、0 R o u r k eK P 等建立的车辆路径问题(V R P)模型 4 、A l i g h a n b a r iM 等建立的混合整数线性规划(M I L P)模型 5 1 等。美国空军研究实验室在无人机任务分配研究中建立了带时间窗的不同能力约束车辆路径问题(C V R P T W)模型，并将其应用于“全球鹰”无人机和“捕食者”无人机的侦察任务规划问题建模。随着无人机能力不断增强，无人机执行任务的复杂程度也随之增强，不同任务之间存在着复杂的时序以及时间约束。对于这一类复杂的任务集合，目前大多数任务分配模型无法对其进行有
13、效的描述。L e m a i r eT 等针对分布式的多U C A V 协同控制，采用基于投标、竞标等市场机制的合同网方法，协调多个U C A V 间的任务，具有通信量少、鲁棒性能好等优点，但各U C A V 对自身收益和代价的评价局限于任务的平衡，没有考虑到自身的战术指标。我国国防科技大学叶媛媛等提出了求解多U C A V 协同任务分配的整数规划方法。通过设计决策变量和灵活地对各种约束条件形式化，建立了多U C A V 任务分配问题的形式化模型 6 3；霍霄华等综合考虑实战中多U C A V 同时攻击同一目标和使用软杀伤武器这两种典型情况对U C A V 执行任务的影响，建立了针对攻击任务的
14、多U C A V 协同任务分配模型7 3；李湘清等针对多U C A V 动态任务规划问题提出了单任务类型动态规划模型，与多任务类型模型相比，单任务类型模型有效地减小了可能解规模，寻优过程计算量小，但该模型在建模时未考虑U C A V 之间类型的差异，对于限制条件的研究较少，同时，单任务类型的模型难以满足实际任务分配需求喁3；西北工业大学张安 万方数据2 0 0 9(4)胡中华，等：无人机任务规划系统研究及发展5 1等依据多人冲突理论建立了U C A V 编队对地攻击协同任务分配的整体价值优势矩阵，由此根据决策变量与约束条件构建了任务分配问题的数学模型 9 。3 2 任务分配求解算法在任务分配求
15、解算法方面，目前的研究成果主要有A*算法、遗传算法(G A)和基于合同网(C o n t r a c tN e t)的方法、蚁群算法等。A*算法作为传统优化方法的典型代表，其优化目标是获取问题最优解，且具有完备性，但A*算法作为一种确定性算法，在求解大规模组合优化问题时存在时间、空间复杂性较大的不足，随着问题规模的增大，其求解难度也急剧增加 1 叩；遗传算法作为进化类算法的典型代表，近年来在无人机任务分配问题领域得到了广泛应用，但由于其本质上的随机性，求解过程中存在较多劣质搜索过程，导致其在大规模组合优化问题的求解中效率和精度不高；基于合同网的方法将任务分配看做一个交易过程，将增加或降低的任务
16、计划评估值作为无人机之间任务分配的控制变量，通过无人机的互相协商和任务竞争，在局部最优的基础上追求全局最优，但由于该方法的优化能力建立在不同无人机之间协商和竞争的基础上，当任务分配问题规模较大时，会导致无人机之间协商通信量大大增加，降低问题求解效率 1 1 1。我国国防科技大学苏菲 1 列等采用蚁群算法对无人机协同多任务分配问题(C M T A P)进行了研究。在多子群蚁群算法的基础上，提出了基于分工机制的蚁群算法对C M T A P 进行求解。根据协同多任务分配的特点，设计了基于任务能力评估的问题解构造策略和基于任务代价的状态转移规则。国防科技大学龙涛等E 1 3 对多架无人作战飞机分布式控
17、制中的任务分配与任务协调问题开展了研究，采用合同网实现任务执行过程中的任务分配，通过对合同网进行扩展，在招标和竞标的同时处理任务间的时间约束，设计了一种新的部分全局规划协商机制，能够更有效地对执行相关任务的的任务计划进行协调，通过网建模方法，将两种协商机制模型化为网并分析了协商过程的正确性与协商结果的可行性，仿真实验验证了其有效性。4 发展趋势及展望以上科学工作者所做的许多研究工作，取得了很大的成就，为无人机任务规划系统的工程实用及适应未来现代化信息作战提供了理论支撑。未来任务规划系统将向在线实时规划、任务及航路一体化融合规划等方向发展，主要表现如下：(1)实时在线规划。任务预分配后，随着战场
18、态势的不断变化，相应需要不断对原有任务及航路进行调整和修改。当更改或增加新任务时，从机群全局出发，快速规划出执行任务的新航路网络；当出现突发威胁或原有威胁预估有误时，实时规划出规避威胁的航路；由于作战过程中无人机处于高速飞行状态，因此当遇到新任务或突发威胁时，不可能每次都对所有需要更新的航路进行详细规划，而是需要在实时性与最优性之间进行折衷，通过航路预估算法快速决策任务，并快速提供一系列较优的预估航路，保证任务分配在较短时间内完成。因此，要求算法有较高的效率，满足实时性要求。(2)一体化融合规划。目前的研究比较单一化，各自进行一个方面的研究，没有形成统一的功能，任务规划系统的研究大都是分成很多
19、个点进行，如任务分配技术、航路规划技术、轨迹平滑技术、数据链路技术等。(3)协同作战规划。目前研究侧重于单架无人机多目标的任务调度、载荷分配及航路优化，为提高无人机作战效能，未来要求无人机集群作战、无人机协同组网作战、多架无人机共同完成任务，因此，要求规划后的航路保证无人机同时到达目标空域，以便协同作战。(4)任务载荷及功能更细化。国内外研究中，大多数任务分配模型集中在多机单任务单目标、多机单任务多目标、单机单任务多目标及单机多任务多目标，对于多机多任务多目标研究较少；部分多机多任务多目标的研究也局限于不同目标的多机多任务分配，没有考虑同一作战任务需多架次无人机共同执行的情况。(5)任务重规划
20、。目前的研究仅局限于静态战场的一次任务调度，未根据一次攻击后的战场毁伤评估情况，进行二次任务调度。5结束语随着智能型计算机飞行控制技术的不断进步，无人机已经具备通过智能C 4 I 控制系统自动进行目标搜索、监视、跟踪和武器分配及发射等作战行动的能力，甚至具有相同或超越有人驾驶飞机的应变能力。军事专家预言，在未来信息化战争中，代替士兵们冲锋在第一线的将是伺机出击的无人机群，因此，无人机任务规划系统将扮演着越来越重要的角色。无人机任务规划系统的研究发展，为提高无人机群决策、侦察、攻击、评估的时效性及达到多任务、多目标、协同作战及二次作战的目的，提供了必要的理论保障。参考文献：1 朱剑佑无人机任务规
21、划研究E J 无线电工程，2 0 0 7，3 7(1 2)：5 6 5 8(下转第5 4 页)万方数据5 4航天电子对抗2 0 0 9 f 4)可以看出此天线具有高增益的特点，视轴方向增益高达7 5 d B。4实验测试设计了双圆环形印刷天线的实物，其测试结果如图6 所示。可以看出，该天线在1 3 的带宽内轴比小于3 5 d B，半功率波瓣宽度约为8 0。，视轴方向增益大01 8 0(a)工作频点3 1 G H z 的辐射方向图01 8 0(b)工作频点3 5 G H z 的辐射方向图图6 测试结果于7 5 d B。天线的实测结果与仿真结果一致。5结束语本文设计了一种双圆环形印刷天线。该天线具有
22、小型化、高增益和圆极化的特点，在同尺寸天线中具有较高的增益，因此具有较广阔的工程应用前景。参考文献：1E l k a m c h o u c h iH N a s rM A T h eS-s h a p e dd i p o l ea n t e n n arR 2 0 0 44 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM i c r o w a v ea n dM i l l i m e t e rW a v eT e c h n o l o g yP r o c e e d i n g s，2 0 0 4 1 9 2 2 2 钟玲
23、玲，邱景辉，白文静，等新型超宽带宽波束圆极化天线 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 7，3 9(5)：7 4 2 7 4 4 3 项阳，钱祖平赵守俊，等一种宽带圆极化微带天线阵的设计与制作i-J 电波科学学报，2 0 0 8，2 3(3)：5 6 5 5 7 1 4 克劳斯，等天线(上册)M 章文勋译第3 版北京：电子工业出版社，2 0 0 4 5L iR o n g l i n B a n d w i d t ha n dg a i ni m p r o v e m e n to fac i r c u l a r l yp o l a r i z e dd u a l r h o m b
24、 i el o o pa n t e n n a J I E E EA n t e n n a sa n dw i r e l e s sp r o p a g a t i o nl e t t e r s，2 0 0 6，5(6)：1 2 3 1 2 6 6王新稳，李萍微波技术与天线 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 3 7巴尔，巴希尔微波固态电路设计I-M 郑新，等译北京：电子工业出版社，2 0 0 6 8 刘卫国科学计算与M a t l a b 语言 M 中国铁道出版社，2 0 0 0，-，-，-，-，-，(上接第5 1 页)2 董世友，龙国庆网络环境下的基于A g e n t 的多
25、架无人机的任务规划系统 J 弹箭与制导学报，2 0 0 5，2 5(2)：1 8 9 1 9 1 3S e c r e s tB R T r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e mf o rs u r v e i l l a n c em i s s i o nu s i n gp a r t i e e ls w a r mo p t i m i z a t i o n D O h i o：A i rF o r c eI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y，2 0 0 3 4O R o u r k eK P，
26、B a i l e yT G，H i l lR。e ta 1 D y n a m i cr o u t i n go fu n m a n n e da e r i a lv e h i c l e su s i n gr e a c t i v et a b us e a r c h J M i l i t a r y0 p e r a t i o n sR e s e a r c hJ o u r n a l，2 0 0 1(6)：5 3 0 5A l i g h a n b a r iM T a s ka s s i g n m e n ta l g o r i t h m sf o r
27、t e a m so fU A V si nd y n a m i ce n v i r o n m e n t srD M a s s a c h u s e t t s：M a s s a c h u s e t t sI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y，2 0 0 4 6 叶媛媛，闵春平，朱华勇，等基于整数规划的多U C A V 任务分配问题研究 J 信息与控制，2 0 0 5，3 4(5)：5 4 8 5 5 2 7霍霄华，陈岩，朱华勇，等多U C A V 协同控制中的任务分配模型及算法 J 国防科技学，2 0 0 6，2 8(3)：8 3
28、8 8 8 李湘清，孙秀霞，王栋，等基于遗传算法的U C A V 动态任务分配模型及研究 J J 系统仿真学报，2 0 0 8，2 0(1 6)：4 3 8 74 4 0 3 9张安，史志富，刘海燕基于贝叶斯优化算法的U C A V 编队对地攻击协同任务分t P,E J 电先与控制，2 0 0 9，1 6(1)：1 5 1 0M a cK e n z i eD C C o l l a b o r a t i v et a s k i n go ft i g h t l yc o n s t r a i n e dm u l t i-r o b o tm i s s i o n s C P r
29、o c e e d i n g so ft h eS e c o n dI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nM u l t i R o b o tS y s t e m s，2 0 0 3：3 9 5 0 11A t k i n s o nM L C o n t r a c tn e t sf o rc o n t r o lo fd i s t r i b u t e da g e n t si nu n m a n n e da i rv e h i c l e s R A I A A 一2 0 0 3 6 5 3 2，2 0 0 3 1
30、2苏菲，陈岩，沈林成基于蚁群算法的无人机协同多任务分配 J 航空学报，2 0 0 8，2 9：1 8 4 1 9 1 1 3 龙涛，沈林成，朱华勇面向协同任务的多分布式任务分配与协调技术口 自动化学报，2 0 0 7，3 3(7)：7 3 1 7 3 7 mo邶渤号：珈邶ommo邶珊号：渤邶om 万方数据无人机任务规划系统研究及发展无人机任务规划系统研究及发展作者：胡中华，赵敏，Hu Zhonghua，Zhao Min作者单位：南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016刊名：航天电子对抗英文刊名：AEROSPACE ELECTRONIC WARFARE年，卷(期)：2009,25(4
31、)被引用次数：3次 参考文献(13条)参考文献(13条)1.朱剑佑 无人机任务规划研究期刊论文-无线电工程 2007(12)2.董世友.龙国庆 网络环境下的基于Agent的多架无人机的任务规划系统期刊论文-弹箭与制导学报 2005(02)3.Secrest BR Traveling salesman problem for surveillance mission using partieel swarm optimization20034.ORourke KP.Bailey TG.Hill R Dynamic routing of unmanned aerial vehicles using
32、 reactive tabusearch 2001(06)5.Alighanbari M Task assignment algorithms for teams of UAVs in dynamic environments 20046.叶媛媛.闵春平.朱华勇 基于整数规划的多UCAV任务分配问题研究期刊论文-信息与控制 2005(05)7.霍霄华.陈岩.朱华勇 多UCAV协同控制中的任务分配模型及算法期刊论文-国防科技学 2006(03)8.李湘清.孙秀霞.王栋 基于遗传算法的UCAV动态任务分配模型及研究期刊论文-系统仿真学报 2008(16)9.张安.史志富.刘海燕 基于贝叶斯优化算法
33、的UCAV编队对地攻击协同任务分配期刊论文-电先与控制 2009(01)10.Mac Kenzie DC Collaborative tasking of tightly constrained multi-robot missions 200311.Atkinson ML Contract nets for control of distributed agents in unmanned air vehiclesAIAA-2003-6532 200312.苏菲.陈岩.沈林成 基于蚁群算法的无人机协同多任务分配 200813.龙涛.沈林成.朱华勇 面向协同任务的多分布式任务分配与协调技术期刊
34、论文-自动化学报 2007(07)本文读者也读过(7条)本文读者也读过(7条)1.张昉 无人机任务规划技术研究学位论文20092.朱剑佑.ZHU Jian-you 无人机任务规划研究期刊论文-无线电工程2007,37(12)3.唐金国 美军任务规划系统的现状、发展和关键技术期刊论文-军事运筹与系统工程2003(3)4.高雨青.王国宏.曾安里.戴伟 无人机任务规划系统会议论文-20085.董世友.龙国庆 攻击型无人机任务规划系统浅析期刊论文-机器人技术与应用2004(6)6.高晓静.智勇.陈晓峰 无人机任务规划系统体系设计期刊论文-计算机系统应用2009,18(10)7.宋敏.魏瑞轩.李霞.SONG Min.WEI Rui-xuan.LI Xia 多无人机任务推演系统研究期刊论文-计算机工程2009,35(24)引证文献(3条)引证文献(3条)1.李红亮.曹延杰.宋贵宝 反舰导弹协同任务规划系统研究期刊论文-飞航导弹 2012(9)2.姚新 无人机任务规划方法研究期刊论文-舰船电子工程 2011(9)3.戴定川.盛怀洁.赵域 无人机任务规划系统需求分析期刊论文-飞航导弹 2011(3)本文链接：http:/