Optimal Route of Military Aircraft in Multi-Stage Surveillance, Reconnaissance and Target Acquisition Missions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-10-22
Department
Major/Subject
Nina Gunell
Mcode
SCI3055
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
81 + 8
Series
Abstract
This thesis introduces a new approach to support the route planning of surveillance, reconnaissance and target acquisition missions. In such missions, a specific task is performed at multiple target points using a military aircraft such as an airplane, a helicopter or an unmanned aerial vehicle. The approach consists of a network optimization based problem formulation and a novel two-phased solution procedure. The problem formulation contains a detailed description of a complex battlefield combined with mission requirements related to flight altitude, radio communication, sensors of the aircraft and task sequence order, i.e., the order of target points in which tasks should be executed. The optimization problem involves five objective costs: distance travelled, fuel consumption, task reliability, and exposure to surface-to-air and air-to-air threats. The task reliability cost represents the uncertainty of success for an individual task, when the task is not conducted at an optimal distance or a target point is not observed at optimal angles from the aircraft. In Phase 1 of the solution procedure, the task sequence order is determined by utilizing the results of a simplified two-dimensional routing problem. In Phase 2, the multi-objective network optimization problem is solved with a modified A* algorithm using the task sequence order obtained in Phase 1. The two-phased solution procedure makes the approach applicable for missions including a large number of target points. According to the author's knowledge, this kind of procedure has not been used before in the context of military aircraft route planning. Three example missions are analysed in order to demonstrate the full range of features of the approach to aid the proactive route planning of surveillance, reconnaissance and target acquisition missions executed with different type of flight vehicles. The resulting three-dimensional flight routes are optimal, realistic, comprehensible, and acquired in reasonable time. In addition to the three mission types presented in this thesis, the new approach can also be used for many other types of missions, e.g., A/G weapon launches at multiple target points. Overall, the new approach supports the route planning of multi-stage military air missions in a more versatile way compared to current route planning practices.Detta diplomarbete introducerar en ny metod för att stödja ruttplaneringen av militära uppdrag relaterade till övervakning, rekognosering och målsökning. I dessa uppdrag utförs en specifik uppgift vid flera olika målpunkter med hjälp av ett militärt flygfordon, såsom ett flygplan, en helikopter eller ett obemannat flygfordon. Metoden består av formuleringen av ett ruttoptimeringsproblem, samt en tvåfasig lösningsmetod. Formuleringen av ruttoptimeringsproblemet består av en detaljerad beskrivning av ett mångfacetterat slagfält, med krav relaterade till flyghöjd, radiokommunikation, flygplanets sensorer, samt ordningen uppgifterna utförs i. Problemet innehåller fem optimeringskriterier: avstånd, bränsleförbrukning, uppgiftssäkerhet och exponering för hot från mark-till-luft och luft-till-luft vapensystem. Kriteriet för uppgiftssäkerhet representerar målsättningen att utföra varje uppgift på ett optimalt avstånd, samt att målpunkten syns i optimala vinklar från flygplanet. I den första fasen av lösningsmetoden bestäms ordningen uppgifterna utförs i genom att utnyttja resultatet från ett förenklat ruttoptimeringsproblem. I den andra fasen löses det urspungliga ruttoptimeringsproblemet med en modifierad A * -algoritm genom att utnyttja uppgiftsordningen som bestämts i den första fasen. Den tvåfasiga lösningsmetoden möjliggör att metoden kan tillämpas på uppdrag som innehåller ett stort antal målpunkter. Enligt skribentens kännedom har denna typ av metod inte använts tidigare i samband med planering av militära flygrutter. Tre militära uppdrag analyseras för att demonstrera metodens användbarhet i syftet att underlätta ruttplaneringen av övervaknings-, rekognoserings- och målsökningssuppdrag, utfört med olika typers flygfordon. De tredimensionella flygrutterna är optimala, realistiska och uträknade i rimlig tid. Metoden som presenteras i detta diplomarbete kan även användas till många andra typers uppdrag, t.ex. uppdrag med målet att avfyra luft-till-mark vapen på flera målpunkter. Denna nya metoden stödjer proaktiv ruttplanering av militära flyguppdrag innehållande flera målpunkter på ett mer mångsidigt sätt jämfört med nuvarande ruttplaneringsmetoder.Description
Supervisor
Virtanen, KaiThesis advisor
Puustinen, HeikkiKeywords
military aircraft routing, mixed integer linear programming, multi-objective network optimization, general travelling salesman problem