2021年多无人机协同任务规划A题.doc

全国硕士数学建模竞赛A题多无人机协同任务计划无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)是一个含有自主飞行和独立实施任务能力新型作战平台,不仅能够实施军事侦察、监视、搜索、目标指向等非攻击性任务,而且还能够实施对地攻击和目标轰炸等作战任务。伴随无人机技术快速发展,越来越多无人机将应用在未来战场。某无人机作战部队现配属有P01~P07等7个无人机基地,各基地均配置一定数量FY系列无人机(各基地具体坐标、配置无人机类型及数量见附件1,位置示意图见附件2)。其中FY-1型无人机关键担任目标侦察和目标指示,FY-2型无人机关键担任通信中继,FY-3型无人机用于对地攻击。FY-1型无人机巡航飞行速度为200km/h,最长巡航时间为10h,巡航飞行高度为1500m;FY-2型、FY-3型无人机巡航飞行速度为300km/h,最长巡航时间为8h,巡航飞行高度为5000m。受燃料限制,无人机在飞行过程中尽可能降低转弯、爬升、俯冲等机动动作,通常来说,机动时消耗燃料是巡航2~4倍。最小转弯半径70m。FY-1型无人机可加载S-1、S-2、S-3三种载荷。其中载荷S-1系成像传感器,采取广域搜索模式对目标进行成像,传感器成像带宽为2km(附件3对成像传感器工作原理提供了一个很简练说明,对性能参数进行了部分限定,若干简化亦有利于本赛题讨论);载荷S-2系光学传感器,为达成一定目标识别精度,,可瞬时完成拍照任务;载荷S-3系目标指示器,为制导炸弹提供目标指示时要求距被攻击目标距离不超出15km。因为多种技术条件限制,该系列无人机每次只能加载S-1、S-2、S-3三种载荷中一个。为确保侦察效果,对每一个目标需安排S-1、S-2两种不一样载荷各自最少侦察一次,两种不一样载荷对同一目标侦察间隔时间不超出4小时。为确保实施侦察任务无人机和地面控制中心联络,需安排专门FY-2型无人机担任通信中继任务,通信中继无人机和实施侦察任务无人机通信距离限定在50km范围内。通信中继无人机正常工作状态下可随时保持和地面控制中心通信。FY-3型无人机可携带6枚D-1或D-2两种型号炸弹。其中D-1炸弹系某种类型“灵巧”炸弹,采取抛投方法对地攻击,即投放后炸弹以飞机投弹时速度作抛物运动,当炸弹靠近目标后,可主动寻攻击待打击目标,所以炸弹落点在目标中心100m范围内可视为有效击中目标。D-2型炸弹在激光制导模式下对地面目标进行攻击,其飞行速度为200m/s,飞行方向总是指向目标。攻击同一目标D-2型炸弹在整个飞行过程中需一架FY-1型无人机加载载荷S-3进行全程引导,直到命中目标。因为一些技术上限制,携带D-2型炸弹无人机在投掷炸弹时要求距目标10km~30km,而且要求各制导炸弹发射点到目标点连线大地投影不交叉(以确保弹道不交叉)。为达成一定毁伤效果,对每个目标(包含雷达站和远程搜索雷达)需成功投掷10枚D-1型炸弹,而对同一目标投掷2枚D-2型炸弹即可达成相同毁伤效果。多架该型无人机在同时实施任务时可根据一定编队飞行,但空中飞行时两机相距要求200m以上。因为基地后勤技术保障限制,同一基地两架无人机起飞时间间隔和降落回收时间间隔要求在3分钟以上。无人机实施完任务后需返回原基地。依据任务要求,需完成侦察和打击目标有A01~A10等10个目标群,每个目标群包含数量不等地面目标,每个目标群均配属有雷达站(目标和各目标群配署雷达位置示意图见附件2,具体坐标参数见附件4),各目标群配属雷达对FY型无人机有效探测距离为70km。请你们团体结合实际建立模型,研究下列问题:(1)一旦有侦察无人机进入防御方某一目标群配属雷达探测范围,防御方10个目标群配属雷达均开机对空警戒和搜索目标,并会采取对应对策,包含发射导弹对无人机进行摧毁等,所以侦察无人机滞留防御方雷达探测范围内时间越长,被其摧毁可能性就越大。现需为FY-1型无人机完成10个目标群(共68个目标)侦察任务拟制最好路线和无人机调度策略(包含每架无人机起飞基地、加载载荷、起飞时间、航迹和侦察目标),以确保侦察无人机滞留防御方雷达有效探测范围内时间总和最小。(2)FY-1型无人机对目标进行侦察时,须将侦察信息实时经过FY-2型无人机传回地面控制中心。鉴于50km通信距离限制,需安排多架FY-2型无人机升空,以确保空中飞行侦察无人机随时和FY-2型无人机通信。FY-2型无人机可同时和多架在其有效通信范围侦察无人机通信并转发信息。为完成问题(1)侦察任务,最少安排多少架次FY-2型通信中继无人机。(3)全部FY-1型无人机现已完成侦察任务并返回基地,均可加载载荷S-3用于为制导炸弹提供目标指示。现要求在7个小时内(从第一架攻击无人机进入防御方雷达探测范围内起,到轰炸完最终一个目标止)