[发明专利]一种异构警戒飞行器持续巡逻策略规划方法

权利要求书

1.一种异构警戒飞行器持续巡逻策略规划方法，其特征在于包括下述步骤：

[步骤1]探测空间设置和栅格价值计算；

WV的探测空间是三维立体空间，以指定高度为基准，探测空间退化为二维平面空间，后续探测空间均指二维平面空间，以指定边长的正方形代表栅格，则栅格是探测空间的最小单元；在选定坐标系基础上，x_min和x_max分别代表沿x轴方向栅格中心的x坐标最小值和x坐标最大值；y_min和y_max分别代表沿y轴方向栅格中心的y坐标最小值和y坐标最大值；探测空间范围表示为{x_min≤x≤x_max；y_min≤y≤y_max},P_B代表不同WV的起飞基地集合，以V(O′(x,y))代表中心为O′(x,y)的栅格对应的价值，所有拟定探测空间的栅格价值之和

[步骤2]单巡逻周期、起飞时间范围和所需巡逻周期数计算；

[步骤2.1]单巡逻周期计算；

派出N型共n_E架WV执行任务，第i(0≤iN)型WV共n_i架，WV型号的编号按照探测范围从大往小的顺序，第i型WV表示为集合拟派出WV为WV总架数编号为i的WV对应的以D_T为时间单位的单个巡逻周期其中和分别表示E_i对应的有效航程、安全航程、巡逻速度和进行燃料补给休整环节所耗费的时间；

[步骤2.2]起飞时间范围计算；

设指挥员需针对多架WV制定警戒时间为t_W的巡逻方案，对应时段为[0,t_W]，对编号为i的WV来说，WV起飞时间的范围为[t_E(i),t_L(i)]，其中：

[步骤2.3]所需巡逻周期数计算；

各型WV因自身约束需要多个巡逻周期才能覆盖[0,t_W]，对于编号为i的WV来说，所需巡逻周期数

以和分别代表E_i在第j巡逻周期的起飞时间、巡逻区域中心和巡逻区域偏转角，则E_i在第j巡逻周期的巡逻策略描述为引入囊括所有n_E架WV的巡逻策略集合将XE表示为二维矩阵

[步骤3]巡逻策略规划流程设计；

针对两类WV，分别表示EF和ER，对应架数分别为n_F和n_R，对应巡逻周期分别为T_F和T_R，对应巡逻周期数分别为N_F和N_R，则规划过程通过两层EF和ER和多阶段(N_F+N_R)实现，且整个规划过程按照规划阶段索引从小到大的顺序逐一完成；

每一矩形区域代表一个待规划阶段，以ID_Cur和ID_Next分别表示当前已规划阶段索引和待规划阶段索引，则规划阶段索引的确定步骤如下：

步骤3.1、设置顶层第一阶段的规划阶段索引为0，则ID_Cur＝0，ID_Next＝1，转步骤2；

步骤3.2、如果所有阶段尚未被完全设置，进行此步骤：

(1)选择待规划阶段，待规划阶段只能从已规划阶段的正下方区域或邻近右侧区域选择；

(2)遍历待规划阶段集合，如果其中某一阶段对应时间区间的终点被ID_Cur对应规划阶段的时间区间所覆盖，则该阶段为下一规划阶段，置该阶段对应规划阶段索引为ID_Next，令ID_Cur＝ID_Next，且ID_Next加1；否则，从集合中挑选下一阶段继续检验，如果该阶段对应时间区间终点未被ID_Cur对应规划阶段的时间区间所覆盖，则选择临近上层的未被设置的阶段为下一规划阶段，令ID_Cur＝ID_Next，且ID_Next加1；转步骤3.3；

步骤3.3、如果所有阶段尚未被完全设置，转步骤3.2；否则，规划阶段索引确定完毕；

[步骤4]规划阶段所对应时间范围和WV起飞时间范围；

[步骤4.1]规划阶段所对应时间范围；

对于编号为i的WV来说，WV的第j阶段所对应时间范围[t_S(i,j),t_E(i,j)]分别通过下式得到：

t_S(i,j)＝T_i·j+t_E(i)；

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

[步骤4.2]规划阶段所对应WV起飞时间范围；

令和分别表示E_i在第j-1和j阶段的起飞时间，表示是否是时间有效的，则

对于编号为i的WV来说，WV第j阶段所对应起飞时间范围[t_S(i,j),t_E(i,j)]计算方法如下：

当j＝0时：t_S(i,j)＝t_E(i)，t_E(i,j)＝min(t_S(i,j)+T_i,t_L(i))；

当j0时：如果则

否则，

U_A表示所对应巡逻策略已覆盖t_W；

[步骤5]巡逻策略规划过程；

[步骤5.1]EF巡逻策略规划建模；

巡逻策略规划的目标是求解实现阶段预警效果最大化的一组最佳巡逻策略则：

其中t_S(j)和t_E(j)根据步骤4.1得到；

[步骤5.1.1]规划终止条件；

不设定最大寻优次数，而是认为连续寻优U_I次未得到改进时规划过程终止，单次寻优改进与否的判断方法是：

b_Impvd(g)用于描述在第g次规划中是否得到改进，J(X)_g-1和J(X)_g分别表示第g-1和g次得到的阶段预警效果值；

基于n_MF确定U_I的方法如下：

当n_MF＝0时，无需寻优，故无需确定U_I；

当n_MF＝1时，U_I＝G_min；

当n_MF≥2时，则

G_min和G_max分别为设定的U_I的最小值和最大值，G为单架WV对应的单位寻优代数；

[步骤5.1.2]输入部分

“待规划EF集合及对应策略”中待规划WV集合MF根据EF确定，对于第j阶段来说，EF中单架WV的E_i是否属于MF的判断方法是：

如果t_S(i,j)＝t_E(i,j)＝U_A成立，则E_i不属于MF；否则，E_i属于MF；

MF生成完毕之后，作为步骤5.1.3规划部分的输入；

[步骤5.1.3]规划部分；

基于步骤5.1.2确定的MF及对应初始策略，循环进行空间有效性检验并计算阶段预警效果，满足规划终止条件时输出最佳巡逻策略；

所述步骤5.1.3中，空间有效性检验和规划阶段对应的阶段预警效果的详细步骤为：

a)、空间有效性检验；

空间有效性检验是为了检验WV集合中任意两架WV的巡逻策略是否均满足航线之间互不干扰，WV集合中任意两架WV的E_a和E_b在第j阶段的巡逻策略分别为和则巡逻航线相互干扰满足以下两个条件：

条件1：警戒时间存在交叉；确定巡逻策略对应巡逻区域中心及警戒时间区间，以为例，过程如下所示：

其中表示对应区域中心与坐标系原点之间的距离，和分别表示对应区域覆盖时间段、起始时刻和终止时刻，表示在第j₂阶段内的时间段；

确定和所对应区域中心位置及警戒时间段之后，确定E_a和E_b在第j阶段内是否存在警戒时间段交叉：

当j＝0时：

当j≥1时：b(I(E_a,E_b,j))＝b(b₁∪b₂∪b₃∪b₄)

其中

如果b(I(E_a,E_b,j))为假，则和对应警戒时间无交叉，进而对应的巡逻区域不存干扰，不进入条件2进行判断；否则，警戒时间存在交叉，通过条件2确定和对应巡逻区域是否存在干扰；

条件2巡逻区域存在干扰；

对于E_a和E_b在第j阶段的巡逻区域，是否存在干扰的检验方法如下：

当j＝0时：

当j≥1时：b_S(I(E_a,E_b,j))＝B₁∪B₂∪B₃∪B₄

其中

用于检验和对应区域是否存在干扰，过程如下：

其中D_M＝E_a(l)+E_a(r)+E_b(l)+E_b(r)+S_D

通过b_S(I(E_a,E_b,j))判断E_a和E_b在第j阶段的区域是否存在干扰；如b_S(I(E_a,E_b,j))为1，则存在干扰，和无效，否定该方案；如b_S(I(E_a,E_b,j))为0，则不存在干扰，则和有效；

在条件1和条件2中，对于MF来说：

当n_MF＝0时，无需对该阶段进行规划；

当n_MF＝1时，无需进行空间有效性检验，且巡逻策略是有效的；

当n_MF≥2时，对MF中所有WV进行两两空间有效性检验；如果均有效，则整体巡逻方案有效；否则，整体巡逻方案无效；

如果有效，则需要继续确定第j阶段预警效果；

b)规划阶段对应的阶段预警效果；

第j阶段对应的阶段预警效果确定步骤：

(1)确定第j阶段对应时间范围[t₁,t₂]；

通过式计算，其中t_S(j)和t_E(j)分别根据步骤4.1计算得到；

(2)确定在t₀时刻的预警效果其中表示所有EF型WV在第j阶段的巡逻策略集合；计算的思路是：遍历所有栅格，如果栅格处于任一WV在t₀时刻位置对应的探测范围之内，则栅格被覆盖，如栅格被多个WV探测范围覆盖，仅计入一次；将所有被覆盖栅格的价值求和便得到以b_In代表栅格是否被覆盖，则b_In的确定方法是：以O′(x,y)表示栅格中心位置，P′(x,y)表示WV巡逻位置，R表示WV机载雷达探测半径，则

(3)确定在[t₁,t₂]内对应的预警效果之和以及对应的均值和方差

基于得到

(4)确定在[t₁,t₂]内对应的阶段预警效果

确定巡逻策略时，不仅希望尽量大，也希望尽量均匀，以获取在各时刻尽量稳定的预警效果，则χ和ξ分别表示指挥员认定的均值和方差在阶段预警效果中所占比重；

[步骤5.1.4]输出部分

第j阶段输出部分的内容分为以下几类：

a、当n_MF＝0时，表示所对应的巡逻周期均已覆盖t_W，故均为空；输出内容包括四部分：①②③④

b、当n_MF＝1时，表示EF中仅存在1架WV在第j-1阶段对应巡逻周期未覆盖t_W，设编号为i，求解输出内容不仅包括及i，还包括第a类中四项输出内容；

c、当n_MF≥2时，表示EF中存在至少2架WV在第j-1阶段对应巡逻周期未覆盖t_W，求解这n_MF架WV在第j阶段的巡逻策略；输出内容不仅包括所求解出的n_MF架WV在第j阶段的巡逻策略及对应的WV编号，还包括第a类中四项输出内容；

[步骤5.2]ER巡逻策略规划建模；

巡逻策略规划模型通过将步骤5.1模型中替换为得到；

通过输入部分、规划部分和输出部分三部分展开阐述；

[步骤5.2.1]输入部分；

确定ER中单架WVE_i任一参数项的方法与步骤5.1.2中相同，MR生成完毕之后，作为5.2.2规划部分的输入；

[步骤5.2.2]规划部分；

规划部分的两个核心环节分别是空间有效性检验和规划阶段对应的阶段预警效果；

所述步骤5.2.2中，空间有效性检验和规划阶段对应的阶段预警效果的步骤为：

a)空间有效性检验

空间有效性检验针对同型WV以及异型WV展开，假设两架WVE_c和E_d在第j规划阶段的巡逻方案分别为和结合E_a和E_b，则对于E_c和E_d，航线相互干扰同样必须满足两个条件：

条件1警戒时间存在交叉；进行警戒时间交叉检验的两架WV或者均是ER型，或者分别是固定翼型和ER型；

两架WV均为ER型时，交叉时间范围与EF型的确定方法相同；

两架WV分别为EF和ER型时，假设根据步骤5.1.3计算得到所对应警戒时间段为则为了求解E_a中各规划阶段与的交叉时间段范围，首先需要确定E_a中的哪些规划阶段可能与存在时间段交叉；由于E_c的巡逻周期明显短于E_a的巡逻周期，所以至多存在E_a的两个规划阶段与存在时间段交叉，设这两个规划阶段的索引分别为P_L和P_U，则

对于这两个索引的关系，存在两种情况：

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

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

至此，便可基于P_L、P_U、j和下式计算与在E_c的第j阶段内是否存在警戒时间段交叉：

当j＝0时，P_L＝P_U＝0：

当j≥1时：

其中的计算方法如下：

当P_L＝0时：

当P_L≥1时：

其中：

同理可以得到

条件2巡逻区域存在干扰；

巡逻区域干扰检验分为同型和异型两种情况；

对于两架WV均为ER型的情况，检验方法与步骤5.1.3中相同；

两架WV分别为EF和ER型时，是否存在干扰的检验方法如下：

当j＝0时：

当j≥1时：

其中的计算方法如下：

当P_L＝0时：

当P_L≥1时：

其中：

同理可得

b)规划阶段对应的阶段预警效果

对于ER型WV的第j阶段来说，对应时间段[t₁,t₂]计算方法见步骤5.1.3；以X_R＝{X_i,n₀≤in₀+n₁}表示所有ER型WV的巡逻策略集合，设所有EF型和ER型WV的策略集合表示为X_A＝X_F∪X_R，则和可通过将步骤5.1.3中替换为得到；

[步骤5.2.3]输出部分

规划结束得到之后，从中提取针对ER的巡逻策略其中第j阶段输出部分的内容可通过将步骤5.1.4中n_MF、和EF对应替换为n_MR、和ER得到。