[发明专利]一种基于RRT*算法的飞行器突防轨迹规划方法

摘要

本发明公开的一种基于RRT*算法的飞行器突防轨迹规划方法，属于飞行器轨迹规划领域。本发明实现方法如下：基于飞行器周向不同姿态下的RCS数据，建立雷达探测概率模型，确定飞行器在突防过程中被雷达探测到的概率；基于Dubins路径建立飞行器突防轨迹规划模型；基于RRT*算法和飞行器突防轨迹规划模型进行突防轨迹规划，即结合RRT*算法的渐进最优性和Dubins路径最短的特点进行突防轨迹规划，能够有效地减小飞行器突防轨迹规划代价，得到飞行器突防轨迹，实现飞行器有效突防。由于Dubins路径无需采用数值积分法求解动力学模型，原理是基于几何方法求解，从而能够提高轨迹规划效率。本发明能够推广适用于飞行器隐身突防轨迹规划，尤其适用于飞机隐身突防轨迹规划。

主权项

1.一种基于RRT*算法的飞行器突防轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1，建立雷达探测概率模型，确定飞行器在突防过程中被雷达探测到的概率；飞行器在突防过程中，被敌方雷达捕获是存在一定概率的，各雷达之间相互独立，飞行器RCS值σ与飞行器相对雷达的方位角θr有关，则飞行器被雷达探测到的概率Pt为其中，c1、c2是雷达参数，与雷达自身性能和设定相关；R为飞行器与雷达之间的距离；在地面坐标系下，定义雷达坐标为(xr,yr)，飞行器位置坐标为(x,y)，则飞行器相对于雷达的方向向量xe为xe＝[x‑xr,y‑yr]T   (2)由地面坐标系到机体坐标系的转移矩阵Sbe为其中，θ为飞行器的航向角。因此，得到在机体坐标系下，飞行器相对于雷达的方向向量xb为xb＝Sbexe   (4)则在机体坐标系下，飞行器相对于雷达的方位角θr为其中，xb,x和xb,y分别为机体坐标系下飞行器相对于雷达的方向向量沿x轴和y轴的分量；对于突防区域中每个雷达而言，雷达通过扫描发现飞行器的概率的下界为Pa，若飞行器突防轨迹中的每一点都满足式(6)，即能够充分保证规划所得轨迹的安全性；其中，Ptj(ti)为ti时刻飞行器被第j个雷达探测到的概率；Paj为第j个雷达探测到飞行器概率的下界；N为雷达个数；t0为初始时刻；tf为终止时刻；步骤2，建立飞行器突防轨迹规划模型，用于步骤3的飞行器突防轨迹规划；将飞行器飞行高度和飞行速度定为常值，问题简化为二维水平轨迹规划问题；Dubins路径是飞行器在定高等速飞行下的简化模型，考虑飞行器转弯角，飞行器从初始状态(xini,yini,θini)到终止状态(xfin,yfin,θfin)的轨迹是由以飞行器最小转弯半径ρ为半径的圆弧和线段组成；对于有末端方向约束的Dubins路径，最短的Dubins路径为D＝{RSL,LSR,RSR,LSL,RLR,LRL}中的一种，R表示沿顺时针方向转弯的圆弧，L表示沿逆时针方向转弯的圆弧，S表示线段；对于无末端方向约束的Dubins路径，最短的Dubins路径为圆弧或一段圆弧和线段的组合，最短的Dubins路径集合为D＝{LS,RL,RS,L}；基于Dubins路径的飞行器动力学方程为其中，x、y分别表示飞行器在地面坐标系下沿x、y轴的坐标；V为飞行器的速度；θ为飞行器的航向角；u为控制量；ρ为最小转弯半径；对于时间ti，飞行器的状态f(ti)由空间位置(xi,yi)和航向角θi组成，通过控制输入量u(ti)改变飞行器的飞行状态；定义突防区域状态空间为X，雷达威胁区域状态空间为Xradar，则安全区域状态空间Xfree为Xfree＝X\Xradar   (8)以最小化飞行时间为目标的代价函数J，如式(9)所示因此，飞行器雷达突防轨迹规划问题描述为，在躲避所有雷达威胁的条件下，找到一条使目标函数值最小的轨迹，如式(10)所示其中，J为代价函数；f0为飞行器初始状态；ff为飞行器最终状态；Xgoal为目标区域状态空间；Xfree为安全区域状态空间；t0为初始时刻；tf为终止时刻；式(10)即为建立的飞行器突防轨迹规划模型；步骤3，基于RRT*算法和步骤2建立的飞行器突防轨迹规划模型进行突防轨迹规划，得到飞行器突防轨迹，实现飞行器有效突防。