无人机任务规划的基本概念

主要内容•无人机任务规划的基本概念。•无人机任务规划方法。•无人机任务规划的数字地图技术。•无人机地面控制站的基本概念。•无人机地面控制站的分类、配置和转移运输。5.1　无人机任务规划的基本概念由于无人机是无人驾驶的飞行器,所以在飞行前需要事先规划和设定好它的飞行任务和航线。在飞行过程中,地面操纵人员还要随时了解无人机的飞行状态,根据需要操控无人机调整姿态和航线,及时处理飞行中遇到的特殊情况,以保证飞行安全和飞行任务的完成。这就需要配备能够提供任务规划与指挥控制方面相应功能支持的设备或系统,这就是无人机的任务规划与指挥控制系统。5.1.1　任务规划的定义和特点　1.任务规划的定义　　规划是一个综合性的计划,它包括目标、政策、程序、规则、任务分配、要采取的步骤、要使用的资源以及为完成既定行动方针所需的其他因素。任务规划(MissionPlanning,MP)是对工作实施过程、方法的组织和计划。在军事领域,任务规划已逐渐变为一个专有名词,尤其是现代无人化装备的出现,使得任务规划越来越重要。装备作战规划的结果是装备作战行动的实施依据。对有人化装备而言,规划结果主要作为任务承担人员决策的参考;但对无人化装备而言,规划即控制,是装备运行过程中137　　唯一的执行依据,因此,任务规划的输出信息必须满足准确性、完整性和一致性的要求。2.任务规划的特点任务规划具有以下几个特点:(1)制作任务规划时需要具有整体性、全局性的思考和考量。(2)制作任务规划须以准确的数据为基础,运用科学方法进行从整体到细节的设计。(3)任务规划须在实际行动实施之前进行,其结果要作为实际行动的具体指导。5.1.2　任务规划系统的定义和功能　1.任务规划系统的定义　　任务规划系统(MissionPlanningSystem,MPS)是指利用先进的计算机技术采集、存储各种情报信息,进行大规模分析计算,从而辅助制定任务计划的信息系统。任务规划系统的出现和广泛使用是现代意义的任务规划区别于过去所说的作战计划、作战筹划的根本标志。2.任务规划系统的功能作为整个信息化作战系统的一个重要节点,任务规划系统不是一个孤立的封闭系统,它一端与作战指挥系统的任务对接,另一端与作战装备直接交联,如图5-1所示,主要包括信息采集与处理模块、规划作业模块、任务预演评估模块和任务输出模块。图5-1　任务规划系统基本组成结构(1)信息采集与处理模块。任务规划系统需要采集的信息主要包括上级下达的任务信息、指挥控制信息、情报信息(如目标信息、敌作战意图等)和战场环境信息(敌情、我情、地形、气象、电磁)等。对采集的信息要进行加工处理,包括地形和气象信息显示,禁飞区、威胁区及战场态势标绘等。(2)规划作业模块。该模块用于制定装备作战过程的时间、空间和行为准则,通常包括航线规划和机载设备使用规划,以及与其他作战实体的协同和交互规划等。根据任务规划系统所具有的自主化能力大小,通常还包括冲突检测、安全评估、自动的威胁规避和航线生成等分析计算模块,用于辅助人工决策操作。(3)任务预演评估模块。规划效果预演主要包括飞行仿真、载荷作战效果仿真等,评估包括装备本身的效能评估和任务规划的作战行动效能评估两个方面。预演评估的主要作用是对装备作战的效果进行预估和判断,并反馈以指导决策,形成优化规划方案,同时便于指挥员和操作员熟悉作战过程,了解和把握作战关键环节。(4)任务输出模块。任务输出是将规划结果以数据的形式输出给作战装备和其他作战节点。输出的任务规划信息应该是完备、一致和可理解的,能够被其他信息系统正确读取和138　　识别,因此输出的规划信息必须遵循既定的信息格式,满足一定的规范要求。5.1.3　无人机任务规划系统的定义、功能、流程和特点　无人机装备的大量使用是战术级任务规划快速发展的重要推动力之一。因为“机上无人”的特点,无人机对任务规划系统的依赖更加强烈,无论是民用还是军用无人机,其任务规划都是不可或缺的,它是无人机作战的重要环节。1.无人机任务规划和任务规划系统的定义1)无人机任务规划的定义无人机任务规划是指根据无人机需要完成的任务、无人机的数量以及携带任务载荷的类型,为无人机制定飞行路线,并进行任务分配与统筹管理。其主要目标是依据环境信息,综合考虑无人机性能、到达时间、油耗、威胁及空域管制等约束条件,为无人机规划出一条或多条从起始点到目标点最优或次优航迹,并确定载荷的配置、使用及测控数据链路的工作计划,保证无人机圆满完成任务并安全返回基地。从时间上来说,无人机任务规划可分为预先规划和实时规划。预先规划是无人机在执行任务前制定的,主要是综合任务要求、气象环境和已有的情报等因素,制定中长期任务规划。由于飞行环境瞬息万变,难以保证获得的环境信息不发生变化;同时由于任务的不确定性,无人机常常需要临时改变其担负的飞行任务,例如需要执行紧急救援任务,或者需要迅速逃离威胁区域,等等,此时就需要实时任务规划。实时规划是无人机在飞行过程中,根据实际的飞行情况和环境的变化制定出一条可飞航迹,包括对预先规划的修改,以及选择应急的方案等。2)无人机任务规划系统的定义无人机任务规划系统是指利用先进的计算机技术,根据任务需求,从多渠道采集无人机飞行过程需要的各种情报信息,分析战场态势和威胁环境,为任务规划人员制作并提供数字地形、威胁分布、路径评估、油量计算、气象、载荷使用等决策依据,为地面指挥员和操控人员制定无人机出航航线和返航航线,制定作战机群协同作战计划和时间控制节点,确定各类任务载荷的使用时机和方式、武器发射或投掷的时间节点和地点,评估作战效能,以实现作战行动的最佳效果。无人机任务规划系统是一种综合运用所获取的信息资源,以一种理想或近似理想的方法来规划一个任务,从而达到某种目标的系统,是一种可以描述机载任务的信息系统,主要由软件系统和硬件系统两大部分组成。软件系统又可分为系统软件和应用软件两大部分,主要由输入输出、数据库、人机交互界面、辅助决策、任务预演和回放等模块组成,软件部分是任务规划系统的核心。硬件系统主要由工作站、高档计算机、数传装置、高分辨率彩色显示器、宽幅打印机、投影设备等组成,2.无人机任务规划系统的功能无人机地面控制站通常配备专门的任务规划系统,其主要规划功能如下:(1)航迹规划。在无人机避开限制风险区域及耗油最小的原则上指定无人机的起飞、着陆、接近监测点、监测区域、离开监测点、返航及应急飞行等任务过程中的飞行航迹。规划无人机从起始点到目标点的航路,并对规划出的航路进行检验,确保规划的航路可实现性和具备良好的安全性。139　　(2)任务分配规划。根据作战任务和情报信息,合理配置无人机载荷资源,确定载荷设备的工作模式。充分考虑无人机自身性能和携带载荷的类型,在多任务、多目标情况下协调无人机及其载荷资源之间的配合,以最短时间以及最小代价完成既定任务。(3)数据链路规划。根据频率管控要求及战场电磁环境特点,制定不同飞行阶段测控链路的使用策略规划,包括视距或卫通链路的选择、链路工作频段、频点、使用区域、使用时段、功率控制以及控制权交接等。(4)应急处置规划。规划不同任务阶段时的突发情况处置,有针对性地规划应急航路、返航航路、备降机场及应急处置等内容。(5)任务推演与评估。在完成任务规划后,通过任务推演完成对无人机作战效果的预估和判断,并反馈以指导决策,形成最终作战计划。对任务规划结果进行动态推演,能对拟制完成的作战计划进行正确分析,计算达成作战目标的程度,并以形象的方式表达任务规划意图,从而作为辅助决策手段供作战部门和指挥员决策。(6)数据生成加载。能够利用航路规划、载荷规划、链路规划、应急处置规划等内容和结果自动生成任务加载数据,并通过数据加载卡或无线链路加载到无人机相关的功能系统中。3.无人机任务规划流程无人机任务规划的基本流程如图5-2所示。从图5-2可看出,首先通过任务接收与输入组件接收来自上级指挥控制系统发送的作战任务信息;然后,进行相关数据准备,分析作战目标的相关信息,并根据实时情报或存储在数据库中的威胁、气象、地理信息系统(GIS)、空中交通管制等信息,形成约束条件,并实现战场可视化;在此基础上,选择合适的战术(包括队形、作战方式、作战时序等),得到初步的目标和角色分配;在上述条件的基础上,进行航路规划、载荷规划和通信规划。(1)航路规划。包含任务区域内和巡航阶段在内的多机协同航路规划、应急返航/备降航路规划等,并对规划好的航路进行航路冲突检测。(2)载荷规划。包含侦察传感器规划、武器投放规划、电子战载荷规划等。(3)通信规划。包含对视距和超视距链路的使用规划,以及链路的频谱管理等,可能的情况下还需要进行链路的威胁和抗干扰分析。至此,初步的预先任务规划完成,通过任务预演实现对任务的安全性、完成度和效能等方面的综合评估,以确认此任务规划效果的优劣,对不满足要求的部分做出调整,调整后满足要求的,按照标准文件格式直接输出任务规划结果,加载到无人机平台。当上级任务、战场态势发生变化时,要进行实时任务重规划,包括整个任务重规划或航路、链路及载荷的局部重规划。4.无人机任务规划的特点无人机任务规划有以下特点:(1)任务规划输出信息的准确性、完整性、一致性要求高。无人机起飞、飞往任务区域、执行任务、返航等环节虽然可实现“完全自主”,但都是按照任务规划信息的指引完成的,对任务规划数据具有绝对的依赖性,因此任务规划信息的准确性、完整性和一致性对无人机的任务效果及飞行安全将产生直接影响。(2)无人机任务规划系统应具备快速的重规划能力。无人机执行任务过程中,战场环140　　图5-2　无人机任务规划基本流程境复杂多变,很多情况下飞行前预先规划的航路和任务模式将不得不进行修正,以确保其生存和任务成功率。因此,要求无人机任务规划系统具有快速的重规划能力。这种重规划能力是体现无人机系统性能的一项重要指标。重规划对无人机态势感知和决策等方面的要求非常高。在无人机发展的初级阶段,重规划系统可以设置在无人机地面控制站;随着无人机智能水平的不断提升,这种重规划功能将逐步植入飞机平台,并且重规划的时间将越来越短,效果越来越好,以应对复杂多变的战场环境。(3)无人机任务规划系统应与其他航空器任务规划系统的发展协调一致。作战任务的协同需求要求无人机任务规划系统具有一定的通用性和一致性。以美军两个典型无人机型号为例,“捕食者”采用了PFPS(便携式任务规划系统)平台,“全球鹰”采用AFMSS(空军任务支持系统)平台,因此美军无人机采用了与其现有的战术任务规划系统相一致的平台。由于无人机本身通用化发展要求及美军战术任务规划系统被联合作战任务规划系统(JMPS)141　　所取代等多方面因素的共同作用,JMPS是美军无人机任务规划系统发展的趋势。JMPS的设计目的是为各种机型的任务规划系统研发提供统一环境和界面,按照JMPS的设计理念,某型飞机的任务规划系统=通用任务规划环境(MPE)+专用组件(UPC)+硬件设备,其中MPE=数据库+保障信息+JMPS框架+通用组件(CC)。因此,对于无人机任务规划系统而言,就是在通用任务规划环境的基础上开发无人机的专用组件。(4)无人机任务规划的制作人员需要同时具备战术和技术素养。无人机任务规划的实质体现了其作战过程的“两个载体”和“两个约束”。首先,任务规划是作战任务的载体,是将具体作战任务和要求采用信息化的方法转换为无人机可识别和执行的数据结构;其次,任务规划是无人机战术战法的载体,制作任务规划的过程就是将指挥员的作战思想、作战方法赋予无人机的过程。同时,任务规划需要满足两个约束,一是装备约束,即规划的作战过程不能超出无人机装备的实际战术和技术性能限制,确保任务规划的有效性;二是环境和任务约束,制作任务规划时需要综合考虑地形、敌情、气象、电磁等环境信息,以及到达时间、进入方向等具体任务要求,确保任务执行的安全性和可靠性。前者是静态约束,后者是动态约束。要体现无人机任务规划“两个载体”和“两个约束”的要求,对任务规划制作人员而言,既要熟悉无人机作战使用,同时要掌握无人机装备知识,即对战术和技术两方面的素养要