[发明专利]一种基于预演机动规则系统的无人机近距格斗决策方法

权利要求书

1.一种基于预演机动规则系统的无人机近距格斗决策方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一：建立无人机近距格斗规则库

根据分析总结现有的有人作战飞机近距格斗空战战法战术，应用知识工程中知识建立，知识表示的数学方法，建立面向格斗空战的战术规则库，从而给出在不同态势下应该选取的战术机动；空战态势包括了单机的飞行高度、飞行速度，以及我机与敌机的相对几何位置关系和能量对比关系；典型的战术动作包括爬升、俯冲、转弯、盘旋、桶滚；通过建立不同态势下选择战术机动的规则，构成近距格斗规则库；

步骤二：根据飞机的机敏性设计预演机动指令集

首先根据飞机的飞行控制律构型，选定预演机动的控制指令类型组合；然后对飞机的机动性和敏捷性进行测试，得到相应的飞机的机动性和敏捷性测试数据；最后根据不同的战术态势进行分组，在不同组中，根据飞机的机动性和敏捷性测试数据，设计飞机在给定时长可以达到的不同的预演机动指令组合，所有预演机动指令组合构成预演机动集，用于作为后续进行预演机动选择的候选机动；

预演机动指令集包含一系列的机动指令组合[n_z,c,φ_c]，即为飞机在[T₀,T₀+ΔT]时间内采取的机动指令，n_z,c为法向过载指令，φ_c为滚转角指令，ΔT为决策周期；在此基础上，根据我机的飞行状态和敌我双机的相对几何态势，将预演机动指令库分为四类进行设计，分别是：安全高度类、安全速度类、纯追踪类、规避类；具体的指令示例如下：

φ_c＝0

式中，为最大法向过载变化率；

步骤一和步骤二是决策方法的基础，通过步骤一和步骤二建立了规则库和预演机动集；整个决策方法采用固定周期的决策方式，固定周期的典型值为1～3秒，在每一决策时刻节点即固定周期时刻点，进行以下步骤：

步骤三：敌机三维位置和航迹姿态的拟合外推

利用多项式拟合的方法给出敌方在下一决策时刻T₀+ΔT的三维位置预测值和速度矢量预测值；其中，T₀为当前决策时刻，ΔT为决策周期，为敌机的位置外推值，

为敌机的速度矢量预测值，为敌机的航迹倾角外推值，为敌机的航迹偏角外推值；具体的算法如下：

假设敌方飞机的飞行轨迹满足：

x_p(t)＝a_xt²+b_xt+c_x y_p(t)＝a_yt²+b_yt+c_y h_p(t)＝a_ht²+b_ht+c_h

式中，[x_p y_p h_p]^T为敌机的三维位置坐标，t为时间，a_x,b_x,c_x,a_y,b_y,c_y,a_h,b_h,c_h为敌机位置坐标拟合多项式的系数；

利用敌方当前坐标和前两个决策时刻即T₀-ΔT时刻与T₀-2ΔT时刻的坐标信息，求取坐标插值关系式的系数如下：

c_x＝x₀

式中，x₀为敌机当前位置的x轴坐标，x_-1为敌机在前一决策时刻T₀-ΔT位置的x轴坐标，x_-2为敌机在前两个决策时刻T₀-2ΔT位置的x轴坐标；

同理可以求取[a_y,b_y,c_y]和[a_h,b_h,c_h]；

由此，得到敌机的外推坐标为：

敌机的速度外推为：

步骤四：作战双机战术态势特征参数计算

根据我机的三维坐标参数和姿态以及航迹姿态信息，结合敌机的三维位置和航迹姿态信息计算表征战术态势的相关特征参数，包括相对距离R、相对距离变化率相对高度ΔH、进入角λ、偏离角ε，通过计算相关战术态势特征参数，进行后续的算法流程；具体的计算公式如下：

ΔH＝h-h_p

上式中，为敌机相对我机的位置矢量在地面系下的坐标，为敌机相对我机的位置矢量在我机机体轴系下的坐标，为我机相对敌机的位置矢量在敌机机体轴系下的坐标，T_i^b为地面系到我机机体轴系的旋转矩阵，T_i^p为地面系到敌机机体轴系的旋转矩阵；

步骤五：机动混合决策

机动混合决策过程采用两级结构，当前时刻需要进行决策时，首先进行基于规则库的推理，根据步骤四中计算的特征参数，对规则库中的规则进行顺序匹配，直到匹配成功则进入相应的战术机动的执行程序；当所有规则均匹配失败时，则采用预演机动选择算法确定当前决策时刻T₀到下一决策时刻T₀+ΔT的机动指令；具体流程如下：

(1)近距格斗规则推理

步骤一中已经建立相应的近距格斗规则库，在此基础上，根据步骤四中计算的作战双方战术态势特征参数，采用顺序匹配的方法，对规则库中的所有规则进行匹配，一旦匹配成功，则停止匹配并输出该条规则作为决策结果，飞机进入相应的战术机动，否则进入预演机动选择流程；

(2)预演机动选择

在预演机动选择中，首先采用如下的质心运动三自由度模型，对我机在预演机动库中的不同机动指令组合下的下一决策时刻T₀+ΔT的位置和速度矢量进行预测：

式中，各参数的定义为：[x_g,y_g,h_g]^T为飞机的三维位置坐标，V为飞机的速度，μ为飞机的航迹倾角，χ为飞机的航迹偏角，n_x为飞机的切向过载，n_z,k为飞机的法向过载，γ_s为飞机的速度轴滚转角；

由于飞机进行小侧滑飞行，因此在进行解算时，航迹系飞参采用机体系飞参量近似计算是完全合理的，而且结果表明近似精度很高；以当前决策时刻的位置和速度矢量作为初值，通过上述的质心运动三自由度模型进行积分，计算得到在下一决策时刻T₀+ΔT我机的位置矢量和速度矢量其中为我机在下一决策时刻T₀+ΔT的航迹倾角预测值，为我机在下一决策时刻T₀+ΔT的航迹偏角预测值；

结合步骤三所得到的敌机在决策周期下一时刻T₀+ΔT的位置姿态数据，利用表征战术优势的角度优势评价函数，对我机和敌机在决策周期下一时刻T₀+ΔT的相对态势进行评价，并选择角度优势评价函数最大时对应的机动指令组合，作为这一决策时刻的决策输出；采用如下的角度优势评价函数S_A：

所使用的角度优势评价函数S_A越大，表明我方的优势越明显，反之则我方的优势越小；

整个决策方法采用固定周期运行方式，以固定的周期进行机动或机动指令决策，在每一决策时刻执行步骤三～步骤五，即可完成该决策周期的决策任务，如此循环，直至退出本次战斗。