本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于角度搜索的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃方法,適用于機載雷達(dá)協(xié)同探測。
背景技術(shù):
偵察監(jiān)視是戰(zhàn)場情報的主要來源,古今中外,軍事家憑借了解敵情,以求“知己知彼,百戰(zhàn)不殆”,創(chuàng)造了許多豐富多彩的戰(zhàn)例。準(zhǔn)確而及時的偵察情報不僅是軍隊?wèi)?zhàn)斗力的“倍增器”,而且是決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素。為了能在現(xiàn)代戰(zhàn)爭特別是在信息化戰(zhàn)爭中立于不敗之地,更需要全面掌握敵情,確保指揮員在瞬息萬變的戰(zhàn)爭中運籌帷幄,駕駛戰(zhàn)局。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下,隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展與進步,推進了軍事偵察情報裝備現(xiàn)代化進程。
機載雷達(dá)與地面雷達(dá)相比,具有較強的低空、超低空探測能力、機動能力和戰(zhàn)場指揮能力,是空軍預(yù)警探測和作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的重要組成部分。機載預(yù)警雷達(dá)可用于空中值勤,執(zhí)行重大活動和重要目標(biāo)的安保任務(wù)或監(jiān)視周邊敵對國軍事行動,維護國家領(lǐng)空、領(lǐng)海、領(lǐng)土主權(quán),以防突然襲擊。
研究表明,由于現(xiàn)代戰(zhàn)場全方位、大縱深的特點,單個機載雷達(dá)常常無法完成對所有目標(biāo)的空中偵察任務(wù),需要多機載雷達(dá)協(xié)同工作,因此,多機載雷達(dá)協(xié)同航路規(guī)劃便顯得愈發(fā)重要了。
航路規(guī)劃是指在特定約束條件下,尋找運動物體從起始點到目標(biāo)點,滿足某種性能指標(biāo)和某些約束的最優(yōu)運動路線、路徑。目前研究較多的航路規(guī)劃算法有動態(tài)規(guī)劃法、粒子群算法、a*算法及其改進算法、遺傳算法以及蟻群算法等。這些航路規(guī)劃算法均有一個限制條件:有固定的起始點和目標(biāo)點。然而對于多機載雷達(dá)執(zhí)行警戒任務(wù)的情況,載機需要在特定的區(qū)域內(nèi)不斷飛行,沒有固定的目標(biāo)點,這就使得目前已有的航路規(guī)劃算法無法使用。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種基于角度搜索的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃方法,能夠有效的解決多機載雷達(dá)協(xié)同執(zhí)行警戒任務(wù)時的航路規(guī)劃問題。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
一種基于角度搜索的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃方法,所述方法包括:
步驟1,設(shè)定多機載雷達(dá)的協(xié)同探測區(qū)域,所述協(xié)同探測區(qū)域內(nèi)有n部載機,每部載機上設(shè)置一個機載雷達(dá),第i部載機的初始位置記為(xi,yi),且i=1,2,...,n,第i部載機的探測范圍為:以第i部載機的當(dāng)前位置(xi,yi)為圓心,以ri為半徑的圓形區(qū)域,ri為第i部載機上的機載雷達(dá)的最大作用距離;將所述n部載機的初始位置信息和初始速度信息分別存儲于位置矩陣p和速度向量v中;
令迭代次數(shù)n=1,搜索步長l=1,i=1;且n=1,...,num,l=1,...,l,i=1,...,n;num為總的迭代次數(shù),l為總的搜索步長,n為載機的總個數(shù);
步驟2,記點e為第i部載機的當(dāng)前位置,第i部載機的速度方向水平向右,點f為第i部載機在δt時間內(nèi)直線飛行所到達(dá)的位置,點e與點f之間的距離記為最小直飛距離,點g為第i部載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向上轉(zhuǎn)彎所達(dá)到的位置,點h為第i部載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向下轉(zhuǎn)彎所達(dá)到的位置,從而得到第i部載機在δt時間內(nèi)所能達(dá)到的所有位置組成的圓弧gh;其中,δt為載機由當(dāng)前節(jié)點飛往下一節(jié)點的路程中所需要的時間。
步驟3,將圓弧gh平分為m段,則在圓弧gh上有個m+1節(jié)點,將所述m+1個節(jié)點作為第i部載機在下一時刻所能達(dá)到的位置,計算第i部載機在下一時刻飛往所述m+1個節(jié)點中的每個節(jié)點時對應(yīng)的飛行代價,并選取飛行代價最小的一個節(jié)點作為第i部載機在下一時刻的位置,并得到第i部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時的位置和速度方向;
步驟4,令i的值加1,并重復(fù)執(zhí)行步驟2和步驟3,直到i=n,得到n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的飛行代價最小的一個節(jié)點,以及每部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時對應(yīng)的位置和速度方向;
步驟5,設(shè)置臨時位置矩陣pcur和臨時速度向量vcur,將步驟4得到的n部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時對應(yīng)的位置和速度方向分別存儲于所述臨時位置矩陣pcur和臨時速度向量vcur中;
步驟6,令迭代次數(shù)n的值加1,并重置i=1,依次重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟5,直到n=num,并將此時步驟5中所述臨時位置矩陣pcur的位置信息存儲于位置矩陣p中,將此時步驟5中所述臨時速度向量vcur的速度方向信息存儲于速度向量v中;
從而所述位置矩陣p中記錄的n部載機的位置信息即為此輪迭代得到的n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的位置,所述速度向量v中記錄的n部載機的速度信息即為此輪迭代得到的n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的速度方向;
步驟7,令搜索步長l的值加1,并重置i=1,迭代次數(shù)n=1,依次重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟6,直到l=l,完成l個搜索步長的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃過程。
本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出的基于角度搜索的多機載雷達(dá)協(xié)同探測的航路規(guī)劃方法,能夠有效的解決多機載雷達(dá)協(xié)同執(zhí)行警戒任務(wù)時的的航路規(guī)劃問題,本發(fā)明的技術(shù)方案是基于飛機的實際飛行方式,能夠保證規(guī)劃出的航路對于載機來說是能夠?qū)嶋H飛行的;機載雷達(dá)在執(zhí)行警戒任務(wù)時要求能夠?qū)崟r覆蓋任務(wù)區(qū)域,然而機載雷達(dá)的載機在轉(zhuǎn)彎時會對機載雷達(dá)的探測性能造成負(fù)面的影響,本發(fā)明技術(shù)方案可以在保證覆蓋率的同時盡量減少載機的轉(zhuǎn)彎,同時兼顧覆蓋率與機載雷達(dá)的轉(zhuǎn)彎次數(shù),在保證實時覆蓋率的情況下為多機載雷達(dá)同時規(guī)劃出合理的航路。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明方法流程圖;
圖2為任務(wù)區(qū)域示意圖;其中點oabc所圍成的矩形區(qū)域為任務(wù)區(qū)域;
圖3為δt時間內(nèi)載機的飛行區(qū)域示意圖;其中點e代表載機當(dāng)前位置,點f代表δt時間內(nèi)載機直線飛行所能到達(dá)的位置,點g代表載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向上轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,點h為載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向下轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,水平的箭頭代表載機在點e處的速度,傾斜的箭頭代表載機在點g處的速度;
圖4為搜索節(jié)點示意圖;點e代表載機當(dāng)前位置,點f代表δt時間內(nèi)載機直線飛行所能到達(dá)的位置,點g代表載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向上轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,點h為載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向下轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,弧線gh上的點代表本算法要搜索的節(jié)點,假設(shè)當(dāng)前正在搜索的節(jié)點為點m,載機由點e飛往點m位置的偏轉(zhuǎn)角為αnm,速度的偏轉(zhuǎn)角為
圖5為任務(wù)區(qū)域與載機起始分布圖;其中橫坐標(biāo)表示x軸,單位為km,縱坐標(biāo)表示y軸,單位為km;點oabc所圍成的矩形區(qū)域為任務(wù)區(qū)域;圖中的灰色點代表載機的當(dāng)前位置坐標(biāo);
圖6為各載機的航跡圖,其中橫坐標(biāo)表示x軸,單位為km,縱坐標(biāo)表示y軸,單位為km;
圖7為任務(wù)區(qū)域覆蓋率與搜索步數(shù)的關(guān)系圖,其中橫坐標(biāo)為搜索步數(shù),縱坐標(biāo)為覆蓋率。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒景l(fā)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護的范圍。
本發(fā)明實施例提供一種基于角度搜索的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃方法,參考圖1,所述方法包括:
步驟1,設(shè)定多機載雷達(dá)的協(xié)同探測區(qū)域,所述協(xié)同探測區(qū)域內(nèi)有n部載機,每部載機上設(shè)置一個機載雷達(dá),第i部載機的初始位置記為(xi,yi),且i=1,2,...,n,第i部載機的探測范圍為:以第i部載機的當(dāng)前位置(xi,yi)為圓心,以ri為半徑的圓形區(qū)域,ri為第i部載機上的機載雷達(dá)的最大作用距離;將所述n部載機的初始位置信息和初始速度信息分別存儲于位置矩陣p和速度向量v中。
參考圖2,點oabc所圍成的矩形區(qū)域為需警戒的區(qū)域,即多部機載雷達(dá)的任務(wù)區(qū)(即多機載雷達(dá)的協(xié)同探測區(qū)域),其中點o為坐標(biāo)原點。
ri為第i部載機上的機載雷達(dá)的最大作用距離,其表達(dá)式為:
其中,pt表示雷達(dá)系統(tǒng)峰值功率,g表示天線增益,λ表示電磁波波長,σ表示目標(biāo)散射截面積,k表示波爾茲曼常數(shù),t0表示標(biāo)準(zhǔn)室溫,b表示接收機帶寬,f表示噪聲系數(shù),l表示雷達(dá)自身損耗,(s/n)omin表示最小可檢測門限。
令迭代次數(shù)n=1,搜索步長l=1,i=1;且n=1,...,num,l=1,...,l,i=1,...,n;num為總的迭代次數(shù),l為總的搜索步長,n為載機的總個數(shù);
步驟2,記點e為第i部載機的當(dāng)前位置,第i部載機的速度方向水平向右,點f為第i部載機在δt時間內(nèi)直線飛行所到達(dá)的位置,點e與點f之間的距離記為最小直飛距離,點g為第i部載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向上轉(zhuǎn)彎所達(dá)到的位置,點h為第i部載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向下轉(zhuǎn)彎所達(dá)到的位置,從而得到第i部載機在δt時間內(nèi)所能達(dá)到的所有位置組成的圓弧gh;其中,δt為載機由當(dāng)前節(jié)點飛往下一節(jié)點的路程中所需要的時間,并不是算法執(zhí)行的時間,也不是算法一步執(zhí)行的時間,假設(shè)δt=20s.假設(shè)算法執(zhí)行一步需要1s,算法執(zhí)行一步得出的結(jié)果是20s后載機應(yīng)該飛到哪個節(jié)點,然后載機由當(dāng)前結(jié)點飛到算法執(zhí)行一步得到的那個節(jié)點需要20s的時間。
飛機在進行轉(zhuǎn)彎時,一般是依靠副翼進行差動,使得機身發(fā)生傾斜,從而利用升力的向心分量來進行轉(zhuǎn)彎,在定高定速轉(zhuǎn)彎時垂直于軸向平面內(nèi)的受力方程為:
lcosγ=mg
mvp2/r=lsinγ
式中l(wèi)為升力,γ為機身傾斜角即滾轉(zhuǎn)角,m為機身自重,r為轉(zhuǎn)彎半徑,yp為載機飛行速度,可得:
r=vp2/(g·tanγ)
tanγ在一些文獻中被稱為過載。由上式可見轉(zhuǎn)彎半徑r隨著滾轉(zhuǎn)角γ的增大而減小。由于飛機具有最大過載限制,因此過載達(dá)到最大時,即滾轉(zhuǎn)角最大時,載機的轉(zhuǎn)彎半徑為最小轉(zhuǎn)彎半徑rmin。
根據(jù)最小轉(zhuǎn)彎半徑rmin可以計算出載機以最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)一個圓圈所需要的時間為:
假設(shè)該算法的兩次搜索之間的時間間隔為δt,參照圖3,點e為載機當(dāng)前位置,其速度方向如水平箭頭所示,水平向右,點f為載機在δt時間內(nèi)直線飛行所到達(dá)的位置,點e與點f之間的距離稱為最小直飛距離lmin;點g為載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向上轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,同理,點h為載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑向下轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置。根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系,可以證明:
θ=2α
其中,θ為第i部載機沿弧線從點e飛到點g所轉(zhuǎn)過的角度,α為線段ef與線段eg之間的夾角,即位置偏轉(zhuǎn)角,
為簡化模型,我們令eg=ef=eh,即將載機在δt時間內(nèi)所飛出的絕對距離(與點e的距離)近似為相等,由于點g與點h是載機在δt時間內(nèi)以最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎所到達(dá)的位置,所以載機在δt時間內(nèi)以其它半徑轉(zhuǎn)彎所能到達(dá)的位置必在點g與點h之間,所以載機勻速飛行δt時間后所有能到達(dá)的位置均在圓弧gh上。分別用矩陣p和向量v表示多架載機的位置信息和速度方向信息,其中p=[x;y],即矩陣p的第一行記錄各載機的x坐標(biāo),第二行記錄各載機的y坐標(biāo)。
步驟3,將圓弧gh平分為m段,則在圓弧gh上有個m+1節(jié)點,將所述m+1個節(jié)點作為第i部載機在下一時刻所能達(dá)到的位置,計算第i部載機在下一時刻飛往所述m+1個節(jié)點中的每個節(jié)點時對應(yīng)的飛行代價,并選取飛行代價最小的一個節(jié)點作為第i部載機在下一時刻的位置,并得到第i部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時的位置和速度方向。
步驟3具體包括如下子步驟:
(3a)計算第i部載機在下一時刻飛往所述m+1個節(jié)點中的第m個節(jié)點時對應(yīng)的飛行代價f(xnm,ynm),n表示迭代次數(shù),n=1,2,...,num,m表示正在被搜索的節(jié)點,m=1,2,...,m+1,xnm表示當(dāng)前被搜索節(jié)點的x坐標(biāo),ynm表示當(dāng)前被搜索節(jié)點的y坐標(biāo);
(3b)示例性的,參照圖4,記第i部載機由當(dāng)前位置點e飛往第m個節(jié)點的位置偏轉(zhuǎn)角為αnm,速度偏轉(zhuǎn)角為
cm為向量中的第m個值;
(3c)第i部載機由當(dāng)前位置點e飛往第m個節(jié)點后,第i部載機在節(jié)點m處的狀態(tài)信息為:
xnm=xn-1+vp·δt·cos(αnm+vn-1)
ynm=y(tǒng)n-1+vp·δt·sin(αnm+vn-1)
其中,xnm為當(dāng)前正在被搜索節(jié)點的x坐標(biāo),ynm為當(dāng)前正在被搜索節(jié)點的y坐標(biāo),xn-1為載機當(dāng)前位置的x坐標(biāo),yn-1為載機當(dāng)前位置的y坐標(biāo),vp為載機的速度,δt為兩次搜索之間的時間間隔,vnm為載機飛到正在被搜索節(jié)點后速度方向,vn-1為載機當(dāng)前位置的速度方向;
(3d)第i部載機在下一時刻飛往所述m+1個節(jié)點中的第m個節(jié)點時對應(yīng)的飛行代價f(xnm,ynm)表示為:
f(xnm,ynm)=0.999·1/p+0.001·abs(cm/10)
其中,p為第i部載機飛到位置(xnm,ynm)后,所有載機在探測區(qū)域內(nèi)的覆蓋率。p為第i部載機飛到位置(xnm,ynm)后,所有載機在探測區(qū)域內(nèi)的覆蓋率p表示為:
p=所有載機的探測范圍覆蓋面積/協(xié)同探測區(qū)域面積
且計算所有載機的探測范圍覆蓋面積時,第i部載機的探測范圍是以位置(xnm,ynm)為圓心,以機載雷達(dá)的最大作用距離為半徑的圓形范圍,除第i部載機之外的其他所有載機的探測范圍是以位置矩陣p中記錄的對應(yīng)位置為圓心,以機載雷達(dá)的最大作用距離為半徑的圓形范圍。
所有載機的坐標(biāo)及探測威力均為已知,考慮到多架載機的探測范圍可能會有重疊,因此所有載機的探測威力覆蓋面積采用統(tǒng)計的方法來計算,具體過程為:將任務(wù)區(qū)域內(nèi)可以被載機探測到的節(jié)點標(biāo)記為1,剩下的節(jié)點標(biāo)記為0,統(tǒng)計任務(wù)區(qū)域內(nèi)節(jié)點被標(biāo)記為1的個數(shù)。與之對應(yīng),任務(wù)面積即為所有節(jié)點的個數(shù)。此處需要注意的是,正在搜索下一節(jié)點的載機的探測范圍是以目前正在計算的節(jié)點(xnm,ynm)為圓心,以該載機探測威力為半徑的圓;其他載機的探測范圍是以其他載機所在位置(xi,yi)(i=1,...,n)為圓心,以載機探測威力ri為半徑的圓;其中若有載機的探測范圍超出任務(wù)區(qū)域,應(yīng)以任務(wù)區(qū)域為邊界,超出任務(wù)區(qū)域的面積不算作載機的探測范圍。
步驟4,令i的值加1,并重復(fù)執(zhí)行步驟2和步驟3,直到i=n,得到n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的飛行代價最小的一個節(jié)點,以及每部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時對應(yīng)的位置和速度方向;
步驟5,設(shè)置臨時位置矩陣pcur和臨時速度向量vcur,將步驟4得到的n部載機下一時刻位于飛行代價最小的一個節(jié)點時對應(yīng)的位置和速度方向分別存儲于所述臨時位置矩陣pcur和臨時速度向量vcur中;
步驟6,令迭代次數(shù)n的值加1,并重置i=1,依次重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟5,直到n=num,并將此時步驟5中所述臨時位置矩陣pcur的位置信息存儲于位置矩陣p中,將此時步驟5中所述臨時速度向量vcur的速度方向信息存儲于速度向量v中;
從而所述位置矩陣p中記錄的n部載機的位置信息即為此輪迭代得到的n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的位置,所述速度向量v中記錄的n部載機的速度信息即為此輪迭代得到的n部載機在下一時刻分別對應(yīng)的速度方向;
步驟7,令搜索步長l的值加1,并重置i=1,迭代次數(shù)n=1,依次重復(fù)執(zhí)行步驟2至步驟6,直到l=l,完成l個搜索步長的多機載雷達(dá)協(xié)同探測航路規(guī)劃過程。
下面結(jié)合仿真實驗對本發(fā)明效果做進一步詳細(xì)說明。
(一)仿真參數(shù)
在本實驗中涉及到的參數(shù)如下:參照圖5,任務(wù)區(qū)域為200km×200km的正方形區(qū)域,點o、a、b、c的坐標(biāo)分別為(0,0)、(0,200)、(200,200)、(200,0),單位為km。載機架數(shù)為6,載機的起始位置按順序分別為(0,40)、(0,100)、(50,0)、(130,0)、(60,200)、(140,200)。各載機的探測威力均為70km。在本實驗中搜索步數(shù)為100步,即步驟6進行100次,各架載機飛行100個節(jié)點。具體的算法參數(shù)如下表所示:
(二)仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析
圖6為各載機的航跡圖,其中橫坐標(biāo)表示x軸,單位為km,縱坐標(biāo)表示y軸,單位為km。圖7為任務(wù)區(qū)域覆蓋率與搜索步數(shù)的關(guān)系圖,其中橫坐標(biāo)為搜索步數(shù),縱坐標(biāo)為覆蓋率。
從圖6可以看出,各載機的航跡在大部分時間內(nèi)都為直線。從圖7可以看出,隨著不斷的搜索,所有載機在任務(wù)區(qū)域內(nèi)的覆蓋率也不斷升高,大概在16步后就已經(jīng)覆蓋了整個任務(wù)區(qū)域,并且之后一直保持接近100%的覆蓋率。因此本發(fā)明方法可以很好地解決區(qū)域覆蓋問題,在鼓勵直線飛行的情況下仍保持良好的覆蓋率。
綜上所述,仿真實驗驗證了本發(fā)明的正確性,有效性和可靠性。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成,前述的程序可以存儲于計算機可讀取存儲介質(zhì)中,該程序在執(zhí)行時,執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟;而前述的存儲介質(zhì)包括:rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
以上所述,僅為本發(fā)明的具體實施方式,但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此,本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。