用WSN建立數(shù)據(jù)鏈的主從彈協(xié)同作戰(zhàn)模型

王　杰, 管恩義, 朱付濤, 胡曉光, 丁祝順, 吳云潔

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院, 北京 100191; 2. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039; 3.飛行器控制一體化技術重點實驗室,北京 100191; 4.虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100191)

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用WSN建立數(shù)據(jù)鏈的主從彈協(xié)同作戰(zhàn)模型

王杰1,2, 管恩義2, 朱付濤1,3,4, 胡曉光1, 丁祝順2, 吳云潔1,3,4

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院, 北京 100191; 2. 北京航天控制儀器研究所, 北京 100039; 3.飛行器控制一體化技術重點實驗室,北京 100191; 4.虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100191)

摘要：結合無線傳感器網絡(wireless sensor network,WSN)技術特點,提出一種用WSN建立數(shù)據(jù)鏈的主從彈協(xié)同編隊制導作戰(zhàn)模型。論文給出了模型的組成,描述了模型中不同WSN節(jié)點的組網方式及網絡拓撲,并描述了WSN網絡建立及實現(xiàn)過程。推導了基于XX型號導彈的領彈-攻擊彈模式協(xié)同編隊制導律,并在此基礎上仿真分析了不同WSN網絡時延對不同期望編隊距離下協(xié)同編隊制導誤差收斂性的影響。仿真結果表明，不同編隊期望距離具有不同的WSN網絡時延容忍度,且期望編隊距離越小,時延容忍度越大;在不同的期望編隊距離下,編隊誤差收斂性都隨著時延的增加而變差;在網絡時延容忍度范圍內,期望編隊距離越大,完成預期編隊隊形的速度越快。對時延容忍范圍的仿真與分析可為實際戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈設計提供一定指導意義。

關鍵詞：多導彈編隊; 無線傳感器網絡; 協(xié)同制導; 協(xié)同作戰(zhàn)模型; 通信時延; 誤差收斂

0引言

隨著信息化戰(zhàn)爭時代的到來,具有打擊能力強、突防和摧毀目標概率高、綜合作戰(zhàn)效能高等優(yōu)點的多導彈協(xié)同作戰(zhàn)成為導彈武器未來發(fā)展的一個重要方向。多導彈協(xié)同作戰(zhàn)組成協(xié)同作戰(zhàn)網,導彈之間進行作戰(zhàn)信息的實時共享,發(fā)揮多導彈群體作戰(zhàn)效能最大化[1-2]。基于信息共享的多武器協(xié)同作戰(zhàn)理念逐漸引起人們重視并成為近年各大研究機構研究熱點。

多導彈協(xié)同作戰(zhàn)的主要問題之一是怎樣建立有效的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈來實現(xiàn)作戰(zhàn)信息實時獲取與共享。傳統(tǒng)的多導彈協(xié)同作戰(zhàn)使用衛(wèi)星中轉或雷達通信建立導彈間數(shù)據(jù)鏈,需要導彈裝配有專用的衛(wèi)星或雷達收發(fā)設備,這將給原本體積、重量、功耗等有嚴格要求的導彈設計帶來一定程度上的壓力;另外彈內參量監(jiān)測設備往往通過有線的方式進行信息傳輸,線纜布設復雜困難,同時不利于監(jiān)測設備的增減和測試。無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)技術具有自組織、動態(tài)化網絡拓撲、易部署、立體空間多方位信息感知、協(xié)同工作、低功耗、高效率等特點,自問世以來,迅速以其突出的優(yōu)勢在軍事、航空航天等領域得到廣泛研究與應用[3-4]。WSN可以用來監(jiān)測飛機座艙的環(huán)境[5-6]、無人機系統(tǒng)的路徑規(guī)劃[7]、行星探測[8]、大型航天器的結構健康監(jiān)測[9-10]等。WSN技術的出現(xiàn)為多導彈協(xié)同作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈的建立開辟了一種新的思路。

本文基于多導彈協(xié)同作戰(zhàn)的需求和WSN的特點提出了一種用WSN來建立數(shù)據(jù)鏈的多導彈協(xié)同編隊作戰(zhàn)模型,導彈通過WSN節(jié)點建立數(shù)據(jù)鏈并組成協(xié)同作戰(zhàn)網,實現(xiàn)作戰(zhàn)信息的實時交互,同時通過WSN節(jié)點實現(xiàn)彈內環(huán)境狀態(tài)(溫濕度、氣壓等)監(jiān)測。鑒于網絡時延對軍用網絡的重要性,在推導的XX型號主從彈模式協(xié)同編隊制導律下,在Simulink中對WSN網絡時延對模型在編隊期望距離為50 m、100 m、150 m下的協(xié)同編隊制導誤差收斂性的影響進行仿真和分析。仿真中通過在領導與從彈指令傳輸線上設置不同延時來模擬WSN的網絡時延,通過期望編隊隊形和實際編隊隊形之間的誤差收斂性來衡量WSN網絡時延對協(xié)同編隊制導的影響。

1基于WSN建立數(shù)據(jù)鏈的主從彈式協(xié)同編隊制導作戰(zhàn)模型

多導彈協(xié)同作戰(zhàn)包括多彈齊射攻擊、靜默攻擊、領彈與攻擊彈組合、領彈(主彈)-攻擊彈(從彈)-后續(xù)彈組合幾種模式[11],本文提出的模型是基于領彈與攻擊彈組合的模式所給出,稱為基于WSN建立戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的領彈-攻擊彈(從彈)組合協(xié)同編隊制導作戰(zhàn)模型。模型如圖1所示,每枚導彈裝配兩種共享硬件平臺WSN節(jié)點,一種負責導彈內狀態(tài)參量的監(jiān)測(如溫度、濕度、氣壓等),實時反應導彈的狀態(tài),稱此類節(jié)點為狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點(state monitor node, SMN);另一種節(jié)點負責導彈內SMN監(jiān)測信息的匯聚融合及協(xié)同作戰(zhàn)導彈間的信息實時交互,稱此類節(jié)點為協(xié)同節(jié)點,為了進一步區(qū)分,稱領彈上的協(xié)同節(jié)點為協(xié)同管理節(jié)點(cooperation management node, CMN),稱從彈上的協(xié)同節(jié)點為協(xié)同執(zhí)行節(jié)點(cooperation execution node, CEN),CMN同時負責WSN網絡的建立和維護。領彈上配有衛(wèi)星或雷達系統(tǒng)進行攻擊目標搜索或和地面控制站進行通信。

圖1　基于WSN的主彈-從彈協(xié)同作戰(zhàn)模型

2模型的WSN網絡拓撲及網絡數(shù)據(jù)鏈路建立

在第1節(jié)提出的模型中,為了更好地保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,采用不同網絡應用ID和混合拓撲結構,如圖2所示。單枚導彈上的SMN與CEN按星型拓撲(star topology)結構自組織成網絡,SMN只能與自身的CEN進行通信,通過網絡應用ID來識別彼此間的通信,不同的協(xié)同節(jié)點使用不同的網絡ID;協(xié)同作戰(zhàn)中導彈間的協(xié)同節(jié)點按網狀拓撲(mesh topology)結構進行組網,所有的協(xié)同節(jié)點之間可以相互通信。CMN實時與CEN進行信息交互,獲取攻擊彈的狀態(tài)、位置、姿態(tài)等信息,并根據(jù)相應的協(xié)同算法算出各攻擊彈(從彈)下一步的執(zhí)行動作命令,并通過網絡的無線傳輸協(xié)議發(fā)送給攻擊彈,攻擊彈根據(jù)協(xié)同指令執(zhí)行相關控制,從而實現(xiàn)協(xié)同打擊目標。

圖2　SMN和CEN/CMN網絡拓撲結構

為了便于模型網絡鏈路建立的描述,假設單個WSN節(jié)點的有效通信距離為R,節(jié)點的通信覆蓋區(qū)域為以節(jié)點坐標為中心、有效通信距離R為半徑的球形空間區(qū)域,如圖3所示。并假設模型中WSN節(jié)點與導彈具有相同的位置坐標,當兩個協(xié)同節(jié)點的之間的距離不大于R時,即認為兩枚導彈可建立通信鏈路。假設領彈的坐標為L(x0,y0,z0),其中第i個協(xié)同攻擊彈的坐標F(xi,yi,zi),則領彈與攻擊彈可建立通信需滿足:

(1)

圖3　單個WSN節(jié)點球形覆蓋區(qū)域示意圖

以領彈個數(shù)為1,從彈個數(shù)為2為例,模型建立戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的邏輯實現(xiàn)過程如流程圖4所示。CMN節(jié)點首先進行個域網(personal area network, PAN)的建立,然后等待CEN的請求加入;攻擊彈上的CEN會不停向領彈上的CMN發(fā)起網絡搜索,一旦進入CMN節(jié)點的通信覆蓋范圍,入網請求將被CMN接收并自動組成網絡,攻擊彈即加入領彈形成WSN多導彈協(xié)作網,可以與領彈進行實時通信;同時彈內SMN與相應的CEN按星型拓撲進行組網,進行彈內狀態(tài)信息的監(jiān)測與上報。

圖4　WSN網絡鏈路建立邏輯流程

3領彈-攻擊彈式協(xié)同編隊制導律

以領彈個數(shù)為1、從彈個數(shù)為2為例進行協(xié)同編隊制導律的推導。在領彈與攻擊彈組合模式的多導彈協(xié)同編隊中,確定2個從彈相對于領彈的位置需要6個自由度,可以用兩個從彈的三維坐標表示,也可以用表征編隊平面的6個自由度表示,分別為編隊平面法線與領彈視線關系(e1,e2)、編隊平面兩兩之間距離(e3,e4,e5)、兩從彈在協(xié)同編隊平面內的實時相對距離(e6)[12]。兩從彈的編隊制導指令用以使這6個自由度的誤差收斂。編隊平面相對于目標的位置如圖5所示[12]。

圖5　主從導彈編隊示意圖

編隊平面的法向量為n,領彈視線向量為q,n、q的表式為n=(A,B,C)、q=(D,E,F),其中A、B、C、D、E、F分別為

(2)

(3)

式中,(xt,yt,zt)為目標的位置,目標可以為固定目標或者機動目標。分別對A、B、C、取二階微分,得到:

(4)

其中

(5)

可以選擇編隊平面法向量與領彈視線向量平行作為編隊平面的期望位置,當A≠0且D≠0時編隊誤差為

(6)

令領彈與兩個從彈的期望距離為l0,兩個從彈間的期望距離為l1,則有

(7)

兩枚從彈相對于領彈的鉛垂面位置e6為

(8)

令e=(e1,e2,e3,e4,e5,e6)T,對兩邊求微分得

(9)

式中

(10)

(11)

(12)

可以看出,G與f的大小與領彈的位移、速度、加速度,兩枚從彈的位移、速度,以及目標的位移、速度、加速度有關。det G≠0,則有

(13)

若要使誤差e收斂,則誤差e應滿足閉環(huán)動力學方程公式

(14)

從彈的加速度指令為

(15)

慣性系中的導彈質心運動方程:

(16)

式中,i=f1或f2;v、θ、σ分別為各導彈的速度、彈道傾角和彈道偏角。對上式微分,得到

u=Muc

(17)

其中

(18)

(19)

detM≠0,于是有

(20)

至此,編隊導彈的制導律推導完成。后文的WSN網絡時延對多導彈協(xié)同編隊制導誤差收斂性的仿真與分析基于此制導律進行。

4WSN網絡時延對主從式多導彈協(xié)同編隊制導影響的仿真與分析

4.1WSN網絡時延

多導彈協(xié)同作戰(zhàn)網間信息實時共享是實現(xiàn)多導彈協(xié)同作戰(zhàn)的基礎,軍用戰(zhàn)術網絡對網絡時延有著更嚴格的要求,必須在規(guī)定的時間內提供快速準確的信息交互,網絡時延能否滿足要求在很大程度上決定了軍事任務執(zhí)行的成敗,如導彈飛行制導、協(xié)同作戰(zhàn)的信息實時交互、雷達的探測信息反饋等。

WSN的網絡時延主要由處理時延、傳輸時延、傳播時延、排隊時延組成。在網絡鏈路的時延中,傳輸時延是相對固定不變的,而處理時延、傳播時延、排隊時延具有一定隨機性,且與固有時延相比其值很小,在隨機時延忽略不計下WSN網絡時延主要為傳輸時延。傳輸時延由數(shù)據(jù)包的長度和鏈路容量決定,假設數(shù)據(jù)包的長度為L,節(jié)點傳輸容量為C,則傳輸時延DTrans=L/C,對于給定的長度的數(shù)據(jù)包,DTrans通常被認為是不變的。

關于WSN網絡時延的測試方法和平均時延值,目前已有大量研究。對于典型的4對1網狀拓撲的軍用戰(zhàn)術網絡,文獻[13]證明其自組網絡的通信時延大概為10～22 ms;文獻[14]測試結果顯示在1～5跳的ZigBee無線通信網絡中通信時延為6～34 ms,且不同功能角色的設備時延不同;文獻[15]也對ZigBee網絡時延進行了測試,在3跳情況下測得時延為3～26 ms,且網絡時延的大小與節(jié)點的資源有一定關系[16]。

4.2仿真與結果分析

仿真中的導彈為一種軸對稱雙錐體外形、彈身尾部裝有四片×字布局空氣舵的模型,網絡拓撲如圖2所示,包括1個領彈和2個從彈。領彈與2個從彈從海拔46 km處分離,3枚導彈在仿真開始后,2枚從彈施加一定時間的偏航過載,使3枚導彈在空間中拉開一定的距離。在俯沖開始之后進行協(xié)同編隊制導,使得編隊收斂到預定的隊形。在編隊開始之前,3枚導彈的俯仰指令保持一致。為了滿足編隊平面法線與領彈視線關系,協(xié)同編隊時間應選在末制導階段,即領彈拉平階段末開始進行編隊,設定從彈編隊交班時間為38～48 s。48 s后,從彈的制導指令完全由編隊飛行導引律給出。

在Matlab的Simulink仿真模型中,領導與從彈通過指令傳輸線實現(xiàn)協(xié)同編隊制導指令實時傳輸,在指令數(shù)據(jù)包長度不變的前提下WSN網絡時延可近似用傳輸時延表示。仿真中通過在領導與從彈指令傳輸線上設置延時來模擬WSN的網絡時延,通過期望編隊隊形和實際編隊隊形之間的誤差收斂性來衡量WSN網絡時延對協(xié)同編隊制導的影響。本文提出模型的領彈與從彈開始協(xié)同制導時的距離(50～100 m)小于文獻[13]中網絡拓撲的距離,因此在下文的仿真中取10 ms為時延影響仿真的起始值,分析在第3節(jié)推導的多導彈協(xié)同編隊制導律下10～80 ms網絡時延對導彈在50 m、100 m、150 m期望編隊距離(編隊完成時各導彈間的距離)下的編隊誤差收斂性的影響。仿真中設計預期的編隊隊形為正三角形,即編隊完成時各導彈間的期望距離相同。

4.2.1無網絡時延下協(xié)同編隊的仿真分析

仿真中假設領彈與兩個從彈的期望距離都為l0m,兩個從彈間的期望距離為l1m,對不同網絡時延對協(xié)同編隊誤差收斂性的影響進行仿真分析。誤差e=[e1,e2,e3,e4,e5,e6]應滿足閉環(huán)動力學方程:

(21)

這樣,誤差向量可以分解為6個二階系統(tǒng)

(22)

k1=1.5,k2=1等價于ξ=0.75,ωn=1,期望距離為50m時的欠阻尼系統(tǒng)的編隊收斂過程如圖6所示。

圖6　欠阻尼系統(tǒng)主從式編隊飛行

k1=4,k2=1等價于ξ=2,ωn=1,過阻尼系統(tǒng)的編隊收斂過程如圖7所示。

圖7　過阻尼系統(tǒng)主從式編隊飛行

從圖6和圖7可以看出,當指令傳輸無時延時多導彈協(xié)同編隊誤差能夠很好收斂,能夠按預期的隊形實現(xiàn)編隊。編隊期望距離為100 m、150 m時的欠阻尼和過阻尼系統(tǒng)過程與50 m的基本一致,在此不再給出收斂過程仿真結果。

4.2.2帶有通信時延的編隊仿真結果與分析

圖8～圖10是期望編隊距離為50m時的仿真結果。其中,圖8是網絡時延為10ms時的編隊收斂過程,可以看出編隊誤差能夠很好的收斂;圖9為編隊誤差為60ms時的仿真結果,此時編隊誤差已經開始發(fā)散,從彈1未能實現(xiàn)預期的編隊距離;圖10是時延為70ms時的仿真結果,此時編隊結果已經完全發(fā)散,不能按預期完成編隊。仿真結果表明期望距離為50m時的網絡時延容忍度在50～60ms之間,在容忍度范圍內完成預期編隊隊形的所需時間為48.5s。

圖8　時延為10 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=50 m)

圖9　時延為60 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=50 m)

圖10　時延為70 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=50 m)

用同樣的方法仿真分析了網絡時延對期望距離為100m時的協(xié)同編隊制導誤差收斂性的影響,圖11～圖13分別是時延為10ms、50ms、60ms下仿真結果,50ms時開始發(fā)散,60ms時編隊失敗。期望編隊距離為100m時的時延容忍度在40～50ms之間,較50ms時的小,但完成預期編隊隊形的速度較快,大約為47.5s。

圖11　時延為10 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=100 m)

圖12　時延為50 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=100 m)

圖13　時延為60 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=100 m)

圖14～圖16分別是時延為10ms、40ms、50ms在期望編隊距離為150m下的仿真結果,此時網絡時延容忍度在30ms左右。仿真時延大于50ms后仿真將無法運行到底,不能完成編隊。期望編隊距離為150m時的網絡時延容忍度最小,但其完成預期編隊隊形的速度最快,約為46s。

圖14　時延為10 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=150 m)

圖15 時延為40 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=150 m)

圖16 時延為50 ms時的編隊仿真結果(l0=l1=150 m)

5結論

本文結合WSN技術優(yōu)點和多導彈協(xié)同作戰(zhàn)特點,提出一種用WSN建立數(shù)據(jù)鏈的多導彈協(xié)同編隊制導作戰(zhàn)模型,并以主從彈組合攻擊模式為例給出了模型的實現(xiàn)過程、WSN網絡拓撲及鏈路建立過程。鑒于網絡時延對軍用網絡的重要性,在推導的某型號主從彈協(xié)同編隊制導律下,在Simulink中仿真分析了10～80 ms網絡時延對50 m、100 m、150 m 3種期望編隊距離的協(xié)同編隊制導誤差收斂性的影響。仿真實驗表明本文的二對一主從模式協(xié)同編隊制導律在不同的期望編隊距離下具有不同的時延容忍度,期望編隊距離越小,時延容忍度越大,但完成預期編隊的用時最長;期望編隊距離越大,時延容忍度越小,完成預期編隊隊形的速度越快;在不同的期望編隊距離下,編隊誤差收斂性都隨著時延的增加而變差。對多導彈協(xié)同作戰(zhàn)間通信時延范圍的仿真與分析對實際作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈設計具有一定指導作用。

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王杰(1985-),男,博士研究生,主要研究方向為無線傳感器網絡技術、分布式天線系統(tǒng)。

E-mail:wangjack2006@126.com

管恩義(1981-),男,工程師,博士,主要研究方向為光電子技術及系統(tǒng)。

E-mail:nohobby@126.com

朱付濤(1988-),男,博士研究生,主要研究方向為導彈協(xié)同制導與控制。

E-mail:1759285100@qq.com

胡曉光(1961-),女,教授,博士研究生導師,博士,主要研究方向為高可靠性優(yōu)化測試技術、高壓電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術、輸變電設備在線監(jiān)測技術。

E-mail:xiaoguang@buaa.edu.cn

丁祝順(1974-),男,高級工程師,主要研究方向為載荷穩(wěn)定系統(tǒng)及平臺。

E-mail:wangjack2006@126.com

吳云潔(1969-),女,教授,主要研究方向為智能控制理論、非線性動力學理論、仿真設備。

E-mail:1759285100@qq.com

Leader-follower coordination combat model with WSN-oriented data link

WANG Jie1,2, GUAN En-yi2, ZHU Fu-tao1,3,4, HU Xiao-guang1, DING Zhu-shun2, WU Yun-jie1,3,4

(1.SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China,2.BeijingInstituteofAerospaceControlDevices,Beijing100039,China; 3.ScienceandTechnologyonAircraftControlLaboratory,Beijing100191,China; 4.StateKeyLaboratoryofVirtualRealityTechnologyandSystems,Beijing100191,China)

Abstract:Combining with the technical characteristics of wireless sensor network (WSN), a leader-follower cooperating combat model with WSN-oriented data link is proposed. The block diagram of the proposed model is presented, the network mode and network topology of different WSN nodes are described, and the establishment and implementation process of the WSN is also given. Simulation and analysis are carried out to analyze the influence of different WSN network delay on different expected formation distance of the proposed model under the derivation guidance law of XX missile. Simulation results show that different expected formation distance has different time delay tolerance. The smaller the expected formation distance is, the greater the time delay tolerance will be. The convergence of the formation error becomes worse with the increase of time delay under different desired formation distance. In the time delay tolerance range of network delay, bigger expectation formation distance can complete the expected formation faster. Simulation and analysis of the time delay range has great guiding significance for the design of the actual tactical data link.

Keywords:multi-missiles formation; wireless sensor network (WSN); cooperative guidance; coordination combating model; communication delay; error convergence

收稿日期：2015-07-20；修回日期：2015-12-08；網絡優(yōu)先出版日期：2016-03-07。

基金項目：國家自然科學基金(91216304)資助課題

中圖分類號：TJ 765.3,TB 553

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.14

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