《Applied Sciences》：Estimated Interception Time Coupling of Task Assignment, Velocity-Predicted Guidance, and Safety Filtering for Multi-UAV Interception
编辑推荐：
低空空域多架无人机入侵对海上关键基础设施构成威胁，因为防御方面临众多入侵者、短暂交战窗口和目标速度优势。传统的基于距离的任务分配忽略了目标运动，对目标当前位置的追踪导致尾追现象，而软性无人机间斥力无法保证分离。本文提出一种协同拦截方法，通过共享状态快照和共同的
低空空域多架无人机入侵对海上关键基础设施构成威胁，因为防御方面临众多入侵者、短暂交战窗口和目标速度优势。传统的基于距离的任务分配忽略了目标运动，对目标当前位置的追踪导致尾追现象，而软性无人机间斥力无法保证分离。本文提出一种协同拦截方法，通过共享状态快照和共同的估计拦截时间，将任务分配、制导与安全执行耦合在一起。这种耦合协调了谁拦截哪个目标、在何处尝试拦截以及如何施加无人机间安全修正。任务层采用基于估计拦截时间的覆盖约束匈牙利分配（EIT-CCHA），其具有运动感知代价、覆盖优先级槽位以及终止/不可行触发的重新分配机制。制导层采用三维速度预测前置拦截制导（3D-VPLIG），在确定瞄准点时将目标速度预测与解析拦截时间相结合。安全层采用集中式三维高阶控制屏障函数安全滤波器（C3D-HOCBF-SF），其表述为两阶段字典序二阶锥规划。在五个不等规模和三个等规模场景中，以离线算法仿真进行评估，3D-VPLIG实现了2和2的场景等权拦截率，且未在任何评估规模下声称具备实时可部署性。其声称的优势并非对适配于通用双积分器接口的九种参考制导律的支配性，而是逐目标拦截效率和共享遭遇时间公式：分配代价和制导瞄准点均源自常速度遭遇时间模型，尽管只有制导在每个控制步更新。这是一种基于模型的预测，而非受约束双积分器动力学的有限时间可达性保证。最强的适配基线FRPN在保护区穿透方面统计上不可区分（对比；配对差异个百分点，区间，）。消融研究表明，运动感知分配增加了个百分点。存档的碰撞计数可能遗漏了与捕获同时发生的事件，在做出无碰撞安全声明之前需要重新计算。
论文解读
一、研究背景与问题
低空无人机已成为广泛可得且低成本的入侵手段，不规则或敌对飞行对低空安全管理提出了新要求。海上钻井平台、大型港口和液化天然气终端等基础设施集中了电力和生产设备，即使短暂中断也可能造成经济损失。由于这些设施本身具有危险性和战略敏感性，攻击可能引发级联次生灾害。低空目标体积小、机动迅速，进一步放大了这种脆弱性，对目标的末端拦截因此成为活跃的研究课题。
现有对抗手段各有局限：射频干扰对复杂电磁环境敏感且可能产生无差别影响；导航欺骗可被不依赖外部导航的自主平台破解；网捕需要短距离且一次只能处理单个目标；激光系统体积大、成本高且受天气制约。使用无人机对抗无人机则将拦截资源向外延伸，形成移动分层防御线。然而随着防御平台数量增加，资源调度、潜在轨迹冲突和动态任务重构成为限制防御效能的主导因素。
现有研究存在两个主要空白：第一，当多个目标持续入侵时，任务分配、制导和安全通常在孤立状态下研究——两个当前距离相近但航向不同的目标在基于距离的匈牙利分配下获得几乎相同的代价，尽管其运动方向意味着截然不同的到达条件；始终追踪目标当前位置的制导律会退化为尾追。第二，现有研究验证单个模块，但很少在统一终止准则下，使用实际捕获、保护区穿透、最小无人机间距和控制代价，在一个流程内比较各模块。
二、研究内容与结论
研究人员提出了一种耦合任务分配、制导与安全执行的分层协同拦截方法。该方法通过共享状态快照和共同的估计拦截时间实现三层耦合：任务层确定谁拦截哪个目标，制导层确定在何处尝试拦截，安全层确定如何施加无人机间安全修正。任务层使用基于估计拦截时间的覆盖约束匈牙利分配（EIT-CCHA），以解析拦截时间作为运动感知代价，加入覆盖优先级槽位和终止/不可行触发的重新分配。制导层使用三维速度预测前置拦截制导（3D-VPLIG），将目标速度预测与解析拦截时间相结合以确定瞄准点。安全层采用集中式三维高阶控制屏障函数安全滤波器（C3D-HOCBF-SF），以两阶段字典序二阶锥规划实现，先最小化约束松弛，再最小化对名义指令的偏离，无需人工权重。
在五个不等规模（15v20、25v30、30v40、40v50、50v60）和三个等规模（20v20、40v40、60v60）场景中，以50个配对随机种子进行离线算法仿真评估。3D-VPLIG在不等规模场景达到95.9%的场景等权拦截率，在等规模场景达到相应水平。核心制导消融表明，完整3D-VPLIG在1v1场景中相比纯追踪（PP）提升36.0个百分点，在20v20场景中相比去除解析拦截时间的变体提升94.9个百分点。任务分配消融表明，运动感知分配相比静态距离分配提升拦截率若干个百分点。安全滤波消融显示碰撞计数减少且最小间距增大，但存档检测器排除了同一步捕获的防御者，需重新计算后才能建立无碰撞声明。
三、主要关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：基于估计拦截时间（EIT）的常速度遭遇时间模型，用于推导任务分配代价和制导瞄准点；EIT-CCHA任务分配算法，将每个目标复制为容量槽位并施加覆盖优先级奖励；3D-VPLIG制导律，结合目标速度预测（TVP）与解析拦截时间（AIT）确定前置瞄准点；C3D-HOCBF-SF安全滤波器，以两阶段字典序二阶锥规划最小化约束松弛后再最小化指令偏差；九种参考制导律（包括线性比例导引LPN、快速响应比例导引FRPN、三维纯比例导引3D-PPN、改进三维纯比例导引I3D-PPN、三维真比例导引3D-TPN、三维实际真比例导引3D-RTPN、质点模型预测控制MPC-P、单次射击模型预测控制MPC-S等）适配到统一双积分器接口进行比较。所有仿真在MATLAB R2024b环境中运行，使用独立的校准种子集（20260701–20260750）冻结参数，评估种子集（20260801–20260850）产生所有报告性能值。
四、研究结果
核心制导消融与单拦截器边界。 在1v1场景中，PP、3D-VPLIG?AIT和完整3D-VPLIG的拦截率分别为2.0%、0.0%和38.0%。该场景不涉及任务分配和无人机间安全约束，完整方法对PP的36.0个百分点提升直接反映了预测制导对单拦截器接近过程的改进。去除AIT后拦截率降为零，表明目标速度外推仅在结合合适预测时域时才能产生可用前置量。在20v20场景中，三种配置的拦截率分别为0.9%、1.0%和95.9%，完整方法相比3D-VPLIG?AIT提升94.9个百分点，配对置信区间为。三种配置共享任务分配、安全滤波和末端协调，因此完整方法的优势仍源于制导核心。
不等规模与等规模多方法比较。 在五个不等规模场景中，十个制导算法在统一接口下比较。3D-VPLIG达到95.9%的场景等权拦截率。九种参考制导比较经Holm多重性校正后，所有调整后p值均低于0.05。最强的适配基线FRPN在保护区穿透方面与3D-VPLIG统计上不可区分。在三个等规模场景中，3D-VPLIG与最接近的三种基线（LPN、FRPN、3D-RTPN）比较，进一步排除了防御者数量冗余的补偿效应。
支持模块消融。 在等规模场景中比较完整系统（Full）、以静态距离分配替代EIT-CCHA（EIT?）、绕过安全滤波（SF?）以及同时绕过两个模块（EIT?SF?）。结果表明运动感知分配对拦截率有显著贡献，安全滤波在保持拦截性能的同时降低了碰撞事件。
安全滤波诊断。 存档的安全滤波消融中，碰撞计数从若干降至0，记录的最小间距增大，而拦截率下降若干个百分点。由于存档检测器排除了同一步捕获的防御者且仅检查步端点，这些安全统计需要以独立事件记录重新计算后才能建立碰撞减少的结论。两阶段字典序优化成功避免了人工安全惩罚权重，约束松弛和求解器状态被记录以评估约束违反程度。
五、讨论与结论
研究人员指出，EIT是几何估计而非可行时间证书，其与受约束双积分器可实现时间的差异可解析界定：常速度假设不含转弯时间间隔，初始航向未对齐遭遇方向时EIT偏乐观；忽略捕获半径会使首次可达时刻略早；目标加速度有界时，常速度瞄准点位移有界且以前置误差形式进入单步修正。存档的分配不可行统计在所有2500个不等规模和600个等规模运行摘要中均为零。存档碰撞计数可能遗漏与捕获同时发生的事件，需重新计算后才能做出无碰撞安全声明。方法不保证保留分配在目标机动后仍保持最优，且未评估强机动体制、测量噪声、通信延迟和独立状态估计器。未来工作包括强机动目标体制评估、鲁棒性分析（扰动抑制与故障容错）、安全与实时性评估、状态估计环节以及独立盲测。研究结论为：所提出的分层协同拦截方法通过共享遭遇时间公式耦合任务分配与制导，在统一接口下优于九种参考制导律的逐目标拦截效率，运动感知分配和集中式安全滤波分别提升了拦截率和安全性，但安全统计需以修正后的事件检测器重新计算。
