基于虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法*

謝佑波 朱竹青 周紅波

（海軍指揮學院 南京 210006）

1 引言

隨著科學技術的發展，在未來信息化、智能化戰爭中無人機群將被廣泛用于執行各種作戰任務。無人機群的組網控制能力影響著無人機群的作戰效能發揮，因此開展無人機群自組網連通性問題研究十分重要。針對無人機群自組網連通性低的問題，提出一種基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法，并進行仿真實驗驗證了該算法的可行性。

2 基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法

在受到干擾時，無人機群各成員之間通信連通性下降，從而導致無人機群自組網能力下降。利用改進的虛擬力模型，結合虛擬力作用原理[1]，改進虛擬力算法用于對無人機群自組網連通性進行優化。

2.1 虛擬力原理用于提高無人機自組網連通性的方法

首先，無人機確定與其有通信關系的相鄰無人機，只有這些無人機對其有虛擬力的作用。設無人機Si(xi，yi)的相鄰無人機Sj( )xj，yj集合表示為

其次，無人機逐個接收相鄰無人機的通信信號，同時測出干信比。當無人機測出的干信比大于穩定通信時的干信比，即判斷受到干擾。

再次，無人機逐個計算出與相鄰無人機通信時的等效穩定通信距離，接著計算相鄰無人機對其產生的虛擬力。

然后，無人機求出所受的虛擬力合力，并在虛擬力合力的作用下改變原先運動狀態，進行移動。

最后，無人機測得與相鄰無人機通信時的干信比等于穩定通信時的干信比，就保持原先的運動狀態，進行移動。

2.2 局部極小值問題的解決

局部極小值問題是由虛擬力算法本身的設計引起的，基于改進虛擬力算法的無人機在運動中容易陷入局部極小值問題。戰場環境復雜，無人機在執行任務時很難掌握全局的信息，也沒有固定的目標點，難以構造特殊的勢場函數來引導無人機解決局部極小值問題。這里基于逃離法解決局部極小值問題，使得無人機更好地完成運動調整，提高與相鄰無人機通信鏈路的連通性[2～9]。

1）局部極小值判定。當無人機通過測出的干信比感知相鄰無人機對其有虛擬力作用，如果發現虛擬力合力的方向與自己的速度方向相反或者虛擬力合力為零時，即可認為已經陷入局部極小值[10]。

2）設置虛擬目標點。當無人機判定陷入局部極小值后，在速度方向的周圍產生一個虛擬目標點[11]。無人機在偏離力的作用下改變運動狀態，直到擺脫局部極小值問題，虛擬目標點才消失。設置虛擬目標點后，無人機所受的虛擬力合力大小不會為0，方向也不會與速度的方向相反。

2.3 基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法流程

在以上基礎上，提出基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法如圖1所示。

圖1 基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法流程

3 仿真實現及分析

3.1 仿真環境設置

由于多無人機以相同速度和方向在戰場上運動，無人機之間可以看作是一個相對靜止的狀態，即無人機的初始速度為0。仿真相關參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置表

3.2 仿真實驗及分析

1）海洋環境介質干擾下的仿真實驗。

實驗想定如圖2（a）所示：實線小圓代表著無人機，虛線大圓代表著海洋環境介質干擾區域。五架無人機都在海洋環境介質干擾區域內，無人機群自組網中所有的通信鏈路都受到干擾。仿真結果如圖2所示。

圖2表明在海洋環境介質干擾區域里，隨著優化算法迭代輪數的增加，五架無人機都在不斷地靠攏。這是由于海洋環境介質影響著網絡中的每個無人機，使得它們各自的等效穩定通信距離變短。因此，五架無人機就在虛擬力和吸引力的作用下不斷靠攏，當各自達到等效穩定通信距離，建立起穩定的通信鏈路，就不會改變運動狀態。

圖2 海洋環境介質干擾下無人機運動的變化

圖3（a）表明隨著優化算法迭代輪數的增加，五架無人機都在不斷進行靠攏運動。但是在運動過程中，無人機之間的相對位置關系沒發生很大變化。因此，整個優化過程中無人機群自組網的拓撲結構始終保持相對的穩定。圖3（b）表明隨著優化算法迭代輪數的增加，網絡連通率在不斷的提高。在輪數0到輪數10之間網絡連通率提高的很快，這是由于一開始無人機之間的距離遠大于各自的等效穩定通信距離，相互作用的虛擬力比較大，運動狀態的改變比較快，網絡連通率也就增加的快。到后來虛擬力逐漸減小，運動狀態的改變的慢，網絡連通率的增加趨于平緩。

圖3 海洋環境介質干擾下網絡特征變化

2）信號壓制干擾下的仿真實驗

實驗想定如圖4（a）所示：實線小圓代表著無人機，虛線大圓代表著信號壓制干擾區域。無人機群自組網中的兩架無人機在信號壓制干擾區域內。仿真結果如圖4所示。

圖4 信號壓制干擾下無人機運動的變化

如圖4所示，隨著優化算法迭代輪數的增加，受干擾的兩架無人機不斷地遠離干擾區域，而相鄰無人機也不斷遠離干擾區域。干擾區域內的無人機在吸引力的作用下靠近相鄰無人機，在靠近過程中，由于相鄰無人機的等效通信距離沒變，干擾區域內的無人機又對它們產生斥力的作用，相鄰無人機也往遠離干擾的地方移動。最終兩架受干擾的無人機都脫離信號壓制干擾區域。

圖5（a）表明，隨著優化算法迭代輪數的增加，五架無人機都在不斷的進行運動調整，但在整個運動過程中無人機之間的相對位置關系沒發生大的變化。因此，無人機群自組網的拓撲結構始終保持相對的穩定。圖5（b）表明，隨著優化算法迭代輪數的增加，網絡連通率不斷的提高。然而在輪數30到輪數60之間時，網絡連通率提高的速度放緩。這是由于引力的作用效果和斥力的作用效果不均衡導致的。在輪數0到輪數20之間，主要是被干擾的無人機在引力作用下靠近相鄰無人機，網絡連通率提高的比較快。在輪數30到輪數60之間，主要是相鄰的無人機在斥力的作用下遠離被干擾的無人機，因此，網絡連通率提高的比較緩慢。

圖5 信號壓制干擾下網絡特性變化

仿真實驗結果表明，本算法能夠顯著提高無人機群自組網的連通性。基于同一種優化算法的無人機在遭遇不同干擾時的反應不同，主要由于海洋環境介質干擾對通信鏈路連通性的影響是雙向的，無人機雙方都會受到引力作用。而信號壓制干擾對通信鏈路連通性的影響是單向的，只有一方受到引力作用。通常情況下，敵方信號壓制干擾強度大，干擾范圍小，只要網絡中有無人機沒受到干擾，基于優化算法的無人機都可以脫離干擾區，從而保證無人機群自組網的連通性；而海洋環境介質干擾強度低，但是干擾范圍比較大[12]，無人機可通過運動調整來獲得良好的通信鏈路，從而保證無人機群自組網的連通性。

4 結語

針對無人機群自組網連通性低的問題，提出一種基于改進虛擬力的無人機群自組網連通性優化算法。利用等效穩定通信距離作為虛擬力參量，通過設置虛擬目標點解決局部極小值問題，使得無人機能根據海戰場環境的變化進行快速的運動調整，提高與相鄰無人機通信鏈路的連通性，同時保證網絡拓撲結構的穩定性。仿真結果證明提出的優化算法能夠提高無人機群自組網的連通性。