飛機(jī)編隊(duì)中干擾資源的最優(yōu)配置算法研究

陳美君,毛秀麗,毛秀華,仇雅芳

(中國電子科技集團(tuán)公司51所，上海 201802)

?

飛機(jī)編隊(duì)中干擾資源的最優(yōu)配置算法研究

陳美君,毛秀麗,毛秀華,仇雅芳

(中國電子科技集團(tuán)公司51所，上海 201802)

摘要：由于單架干擾飛機(jī)所具備的能力有限，通常采用多架干擾飛機(jī)形成編隊(duì)的方式，對地面防空雷達(dá)或組網(wǎng)雷達(dá)進(jìn)行干擾。在這種多機(jī)協(xié)同對付多個干擾目標(biāo)的情況下，如何快速地對干擾機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，對干擾目標(biāo)進(jìn)行合理分配，是飛機(jī)協(xié)同的關(guān)鍵問題所在。采用動態(tài)規(guī)劃算法，能很好的解決這一問題，實(shí)時為飛機(jī)編隊(duì)中的資源進(jìn)行最優(yōu)配置，使飛機(jī)編隊(duì)達(dá)到最大的作戰(zhàn)效能。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)編隊(duì)；協(xié)同；動態(tài)規(guī)劃法；干擾資源；干擾效果

0引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由于單架飛機(jī)所具備的干擾能力、偵察能力都存在地域、范圍、手段、精度的差別，在面對復(fù)雜戰(zhàn)場時所體現(xiàn)的能力也有限，為了解決單架飛機(jī)的這種局限性，通常利用多架飛機(jī)形成編隊(duì)進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，把它們各自的偵察信息進(jìn)行融合定位，形成精度更高、范圍更廣、全局一致的戰(zhàn)場態(tài)勢，并利用和調(diào)度每架飛機(jī)上的電子告警、電子干擾、電子支援引導(dǎo)、反輻射攻擊等裝備資源，對目標(biāo)進(jìn)行干擾和防御。通過編隊(duì)飛機(jī)之間的協(xié)同，大幅提高編隊(duì)飛機(jī)的作戰(zhàn)能力[1]。

在編隊(duì)中，由于每架飛機(jī)所處位置不同、配備干擾資源不同、戰(zhàn)術(shù)要求不同、干擾能力不同，再加上敵方雷達(dá)輻射源的位置、威脅等級、抗干擾能力等等因素，如何充分合理地利用干擾機(jī)各自的特性，高效快速地完成作戰(zhàn)任務(wù)，避免出現(xiàn)在多個干擾目標(biāo)的情況下，可能會發(fā)生一些干擾機(jī)干擾同一個目標(biāo)，而其它的目標(biāo)未被干擾到;或者是干擾機(jī)干擾的目標(biāo)不合適，干擾效果不理想、干擾任務(wù)分配響應(yīng)時間太長等等諸多不利的情況。這樣就需要對干擾資源進(jìn)行最優(yōu)的管理配置，即對編隊(duì)干擾機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、干擾目標(biāo)合理分配，它是整個飛機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)成敗的關(guān)鍵問題之一[2]。

本文主要是解決飛機(jī)編隊(duì)中多機(jī)協(xié)同干擾資源的最優(yōu)分配問題。通過運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法，為干擾機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和目標(biāo)分配，提高飛機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)能力，讓飛機(jī)編隊(duì)達(dá)到最佳的干擾效果，最大限度地利用飛機(jī)編隊(duì)中的干擾資源。

1動態(tài)規(guī)劃算法

動態(tài)規(guī)劃本身是運(yùn)籌學(xué)的一個分支，它由20世紀(jì)50年代貝爾曼(R.Bellman)等人提出，主要用來解決多階段決策過程問題的一種最優(yōu)化的方法。多階段決策過程就是把要研究的問題分成很多個相互聯(lián)系的階段，每個階段都做出相應(yīng)的解決決策，最終讓整個過程達(dá)到最優(yōu)化。基本思路是：按時間空間的特點(diǎn)將復(fù)雜問題劃分為相互聯(lián)系的幾個階段，并選定系統(tǒng)行進(jìn)方向，然后逆著這個行進(jìn)方向，從終點(diǎn)向始點(diǎn)計(jì)算，依次在每個階段里尋找某種決策，最終使整個過程達(dá)到最優(yōu)，所以這種方法又稱為逆序決策過程。

2編隊(duì)飛機(jī)干擾資源分配依據(jù)

通常，我們對編隊(duì)飛機(jī)中干擾資源進(jìn)行分配時，主要是依據(jù)干擾效益，它由一系列的參數(shù)決定，其中一個最重要的決定性的因素就是干擾效果。在本文中，資源分配的依據(jù)是通過干擾效果評估和干擾效益來展開的，首先用單干擾機(jī)對單目標(biāo)雷達(dá)的干擾效果進(jìn)行多屬性全面的評估，包括編隊(duì)飛機(jī)干擾效果評價(jià)指標(biāo)的選取、干擾效果指標(biāo)隸屬度函數(shù)的確定。最后，在編隊(duì)飛機(jī)干擾效果評估的基礎(chǔ)上，對編隊(duì)飛機(jī)的干擾效益的評估方法進(jìn)行分析[3-5]。

3編隊(duì)飛機(jī)干擾效果評價(jià)指標(biāo)的選取

在飛機(jī)編隊(duì)中，不同的飛機(jī)配備不同的干擾措施、具備不同的干擾樣式、采用不同的干擾手段對地面組網(wǎng)防空雷達(dá)實(shí)施干擾，以降低地面防空雷達(dá)的探測能力和跟蹤能力，另一方面地面組網(wǎng)防空雷達(dá)根據(jù)不同的情況，也會采用不同的抗干擾措施、不同的抗干擾手段和抗干擾技術(shù)，可以提高它們對空中重要目標(biāo)的識別、搜索和跟蹤能力。因此對飛機(jī)編隊(duì)的干擾效果進(jìn)行評估時，既要考慮我方干擾飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)因素，也要考慮敵方戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)因素。

通常，影響干擾效果的主要因素為以下4個方面：

(1) 干擾時機(jī)；

(2) 干擾頻率；

(3) 干擾功率；

(4) 干擾樣式。

要保證干擾機(jī)的有效性，必須要使干擾機(jī)在雷達(dá)工作的時間內(nèi)對準(zhǔn)、干擾機(jī)的頻率和雷達(dá)頻率保持一致、干擾機(jī)的功率要能夠壓制雷達(dá)的功率、針對不同體制的雷達(dá)采用不同的干擾樣式，這樣才能進(jìn)行有效干擾。其中干擾機(jī)功率、干擾頻率和干擾時機(jī)這3個方面的評價(jià)可以量化，由專門的解析函數(shù)來計(jì)算，干擾樣式的評價(jià)主要采用專家評審的方法。

綜合上面4個因素的評價(jià)值，最后得出干擾效果的評價(jià)值，采用[0，1]之間的實(shí)數(shù)值，評價(jià)集為:

(1)

u的值越大，說明干擾效果越好;反之，u的值越小，表示干擾效果越差[6-8]。

4動態(tài)規(guī)劃算法流程

在多干擾機(jī)、多目標(biāo)的情況下，首先根據(jù)不同的干擾機(jī)對抗不同雷達(dá)的干擾效果，建立一系列的數(shù)學(xué)模型，通過動態(tài)規(guī)劃的方法來求解這些模型，得到干擾機(jī)最優(yōu)的目標(biāo)分配和任務(wù)規(guī)劃，取得最佳的干擾效果。

假設(shè)飛機(jī)編隊(duì)現(xiàn)有干擾資源為J1，J2,…,Jm,記作J={J1，J2，…，Jm}，敵方雷達(dá)為R1,R2,…,Rn, 記作R={R1,R2，…，Rn}，通過單部干擾機(jī)對雷達(dá)干擾效果的評估，可以計(jì)算出干擾機(jī)Ji對雷達(dá)Rj的干擾效果Eij和干擾效益Uij。這里的干擾效果Eij是通過干擾時機(jī)、干擾樣式、干擾功率的大小、對干擾頻率的瞄準(zhǔn)程度這4個因素的模糊綜合計(jì)算出來的。而干擾效益Uij則是由干擾效果和目標(biāo)雷達(dá)威脅權(quán)重aj相乘的積來決定。

下面是算法的具體流程：

(1) 劃分階段:根據(jù)需要干擾的雷達(dá)目標(biāo)數(shù)量，將決策的問題劃分為n個階段。階段變量用t表示，階段的順序按每部雷達(dá)需要干擾的時間和每部雷達(dá)的威脅等級2個因素綜合考慮。

(2) 狀態(tài)變量St:是干擾資源的集合，它表示把干擾機(jī)分配給第1部雷達(dá)至第t部雷達(dá)。

(3) 決策變量Vt(St):給第t部雷達(dá)分配的干擾資源。而Ut(St,Vt(St))表示對第t部雷達(dá)的干擾效益：

(2)

它用來表示干擾資源Ji分配給第t部雷達(dá)后對其產(chǎn)生的干擾效益的值。

允許決策集合如下：

(3)

其中狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方程和指標(biāo)函數(shù)為:

(4)

(5)

指標(biāo)函數(shù)Ut,0表示把St分配給所有雷達(dá)后得到的總體干擾效益值。

Ut(St,Vt(St))+Ut-1,0(St-1,… ,S0)=Uit+Ut-1,0(St-1,…,S0)=Ut,0(St,Vt,St-1,…,S0)

(6)

它表示所有干擾機(jī)對第1部至第t部雷達(dá)進(jìn)行干擾后的總的干擾效益的值，是在對單部雷達(dá)干擾效益模糊評估后得到的綜合評價(jià)值。它在時間和階段上具有可分離性，并滿足一定的遞推關(guān)系。

最優(yōu)值函數(shù)Ft(St):

(7)

它表示把St分配給所有雷達(dá)(第1部至第t部雷達(dá))所得到的最大干擾效益值。未分配時，干擾效益為0，滿足邊界條件FO(0)=0。

通過逆向遞推，可以得出各個階段的決策，即可以知道哪架干擾機(jī)分配給哪部雷達(dá)，最后形成一個統(tǒng)一的序貫策略，即:{V1(S1),V2(S2),…,Vn(Sn)}，分別為每部雷達(dá)分配了干擾機(jī)，且使整個飛機(jī)編隊(duì)有最高的作戰(zhàn)效能。

動態(tài)規(guī)劃算法的流程圖如圖1所示。

圖1　動態(tài)規(guī)劃算法流程圖

5具體實(shí)例

下面是通過一個實(shí)例運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法對干擾資源進(jìn)行最優(yōu)配置，表1和表2分別是飛機(jī)編隊(duì)和敵方裝備性能情況表[9]。

表1　編隊(duì)飛機(jī)位置及干擾性能裝備情況表

表2　敵方雷達(dá)位置及工作性能參數(shù)

(1) 計(jì)算干擾效益

通過干擾決策分析,并利用前面分析的干擾效果評估準(zhǔn)則,可以得到編隊(duì)飛機(jī)中單部干擾機(jī)對單部雷達(dá)的干擾效益的值,如表3所示。

(2) 最優(yōu)策略的形成

根據(jù)探測到的敵方雷達(dá)情報(bào)，分析每部雷達(dá)對飛機(jī)編隊(duì)中干擾機(jī)的威脅時間和威脅程度，然后根據(jù)需干擾的時間和威脅程度劃分階段。在此實(shí)例中，我們得到階段數(shù)t=4。處理順序?yàn)镽1，R2，R3，R4，依照上面的動態(tài)規(guī)劃算法流程，在經(jīng)過4個階段

表3　單部干擾機(jī)對單部雷達(dá)的干擾效益值

的動態(tài)優(yōu)化決策后，可以形成一個最優(yōu)策略。U1(S1)=J3,U2(S2)=J4,U3(S3)=J1，U4(S4)=

J2。即編隊(duì)飛機(jī)中干擾資源的最佳分配方案為:干擾機(jī)J1干擾雷達(dá)R3，干擾機(jī)J2干擾雷達(dá)R4，干擾機(jī)J3干擾雷達(dá)R1，干擾機(jī)J4干擾雷達(dá)R2。

6結(jié)束語

由上可知，通過動態(tài)規(guī)劃算法，經(jīng)過幾個階段的循環(huán)，實(shí)時地為編隊(duì)中的每架干擾飛機(jī)分配了不同的作戰(zhàn)目標(biāo)，簡單快捷，在分配目標(biāo)的同時保證了每架干擾機(jī)發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能，不僅能有效干擾每個目標(biāo)，更能從整體上提高整個編隊(duì)的作戰(zhàn)能力。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國慶．雷達(dá)對抗原理[M]．西安：西安電子科技大學(xué)，1999．

[2]霍霄華.多UCAV 動態(tài)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃建模與滾動優(yōu)化方法研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[3]郭小一.多策略雷達(dá)干擾資源分配方法研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[4]任松，司長哲，雷軍.雷達(dá)干擾機(jī)分配的模糊多屬性動態(tài)規(guī)劃模型[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008,3(10):1909-1903.

[5]楊萬海．多傳感器數(shù)據(jù)融合及其應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[6]沈陽，陳永光，李修和.基于0-1規(guī)劃的雷達(dá)干擾資源優(yōu)化分配研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2007,28(5)：528-532.

[7]廖沫，陳宗基.基于滿意決策的多機(jī)協(xié)目標(biāo)分配算法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,33(1)：81-85.

[8]楊敏，張小紅.淺談雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)[J].國防技術(shù)基礎(chǔ),2006(1)：39-41.

[9]李波，高曉光.編隊(duì)空戰(zhàn)中協(xié)同電子干擾的功率分配[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008,30(7)：1298-1300.

Research into The Optimal Allocation Algorithm of Jamming Resource in Aircraft Formation

CHEN Mei-jun,MAO Xiu-li，MAO Xiu-hua,QIU Ya-fang

(The 51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

Abstract:Because of the restricted ability of single jamming-plane，usually the mode that multiple jamming planes form formation is used to jam the ground antiaircraft radar or netting radar.How to distribute the task for jamming plane and to distribute the jamming targets in reason are the keys of plane coordination in the situation that multi-plane cooperates to confront multiple jamming targets.This paper uses dynamic programming algorithm to solve the problem very well,which provides the optimal resource configuration for aircraft formation to get the best fighting efficiency.

Key words:aircraft formation;coordination;dynamic programming method;jamming resource；jamming effect

收稿日期:2016-01-05

中圖分類號：TN972

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0014-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.004