CN111812628B - 基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,包括确定雷达通信一体化组网系统组成及各路径传播损耗先验信息;分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数;分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型;对关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型进行求解。本发明方法有效降低了雷达通信一体化组网系统的发射功率,达到了提高系统射频隐身性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术,具体涉及一种基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法。
背景技术
雷达通信一体化系统通过共用硬件设备来同时实现雷达目标探测与通信数据传输功能。相比于传统的单一雷达或通信设备,雷达通信一体化系统具有集成化程度高、小型化以及频谱利用效率高等优点。
射频隐身是指目标与无源探测系统之间的对抗。无源探测系统可以根据武器平台上电子设备(系统)辐射的电磁波确定武器的位置(角度和距离)信息。射频隐身是指通过对电子装备射频有源信号进行特征控制,有效避免被敌方无源电子侦察装备截获、分选识别和定位。射频隐身技术是武器平台上的电子设备针对无源探测系统的隐身技术,属于武器平台有源或主动信号特征控制范畴。
然而,现有技术中尚未有基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法。该方法从实际工程应用需求出发,有效降低了雷达通信一体化组网系统的发射功率,提高了系统射频隐身性能。
技术方案:本发明的基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,包括以下步骤:
(1)确定雷达通信一体化组网系统组成及各路径传播损耗先验信息;
(2)分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数;
(3)分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型;
(4)对关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型进行求解。
进一步的,步骤(1)中针对由多个工作于同一频段的雷达通信一体化节点组成的雷达通信一体化组网系统,其中,各雷达通信一体化节点所发射的信号能够同时完成目标探测与通信数据传输功能;另外,根据实际作战环境先验信息,获取第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗以及第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗gij。
进一步的,步骤(2)中构建第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数如下:
其中,Urad,i(Prad,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,ξrad表示预先设定的目标探测性能信干噪比阈值,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,γrad,i表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,表示为:
其中,M表示雷达通信一体化节点的数目,cij表示i个雷达通信一体化节点与及第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,Prad,j表示第j个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示雷达通信一体化节点噪声功率。
进一步的,步骤(2)中构建第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数如下:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,表示为:
进一步的,步骤(3)中根据预先设定的目标探测性能信干噪比阈值ξrad建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型,如下所示:
其中,Urad,i(Prad,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,ξrad表示预先设定的目标探测性能信干噪比阈值,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,γrad,i表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,为第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗。
进一步的,步骤(3)中根据预先设定的通信性能信干噪比阈值ξcom建立关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型,如下所示:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,为第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,M表示雷达通信一体化节点的数目。
进一步的,步骤(4)中对关于目标探测的非合作博弈功率控制模型的求解方法为:
将关于目标探测的非合作博弈功率控制模型中的第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数Urad,i(Prad,i)对Prad,i求一阶偏导数:
其中,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,为第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗,M表示雷达通信一体化节点的数目,gij为第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗,cij表示i个雷达通信一体化节点与及第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,Prad,j表示第j个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示雷达通信一体化节点噪声功率,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限;
其中,k表示迭代次数,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示在第k+1次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率。
进一步的,步骤(4)中对关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型的求解方法为:
将关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型中的第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数Ucom,i(Pcom,i)对Pcom,i求一阶偏导数:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,表示第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗,cij表示i个雷达通信一体化节点与及第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,gij表示第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗,Pcom,j表示第j个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示通信接收机噪声功率,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限;
其中,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的信干噪比,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示在第k次迭代时第j个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示在第k+1次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率。
进一步的,步骤(4)中根据获取的关于目标探测的非合作博弈功率控制模型中第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率迭代表达式,以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型中第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率迭代表达式,选取两个表达式中的最大值作为最优解,即:
其中,表示第i个雷达通信一体化节点在k+1次迭代时的发射功率,max表示求取最大值,表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率迭代表达式,表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率迭代表达式。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明不仅满足了预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值要求,而且有效控制了雷达通信一体化组网系统的射频辐射,从而达到了提高系统射频隐身性能的目的。产生该优点的原因是本发明采用了基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,该方法以最小化各雷达通信一体化节点的发射功率为优化目标,以满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值为约束条件,分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型。通过采用分布式功率迭代算法对模型进行求解,选取在满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值条件下使得各雷达通信一体化节点的发射功率最小的功率值作为最优解,从而有效提高了雷达通信一体化组网系统的射频隐身性能。
(2)本发明方法不仅满足了预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值要求,而且有效控制了雷达通信一体化组网系统的射频辐射,从而达到了提高系统射频隐身性能的目的。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,包括以下步骤:
1、确定雷达通信一体化组网系统组成及各路径传播损耗先验信息;
针对由多个工作于同一频段的雷达通信一体化节点组成的雷达通信一体化组网系统,其中,各雷达通信一体化节点所发射的信号可同时完成目标探测与通信数据传输功能;另外,根据实际作战环境先验信息,获取第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗,第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗以及第i个雷达通信一体化节点与及第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗gij。
2、分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数;
构建第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数如下:
式中,Urad,i(Prad,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,ξrad表示预先设定的目标探测性能信干噪比阈值,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,γrad,i表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,可以表示为:
式中,M表示雷达通信一体化节点的数目,cij表示i个雷达通信一体化节点与及第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,Prad,j表示第j个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示雷达通信一体化节点噪声功率。
构建第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数如下:
式中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,可以表示为:
3、分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型:
根据预先设定的目标探测性能信干噪比阈值ξrad与通信性能信干噪比阈值ξcom,分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型,如下所示:
以及
4、对优化模型(5)和优化模型(6)进行求解:
将Urad,i(Prad,i)对Prad,i求一阶偏导数:
式中,k表示迭代次数,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示在第k+1次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率。
将Ucom,i(Pcom,i)对Pcom,i求一阶偏导数:
式中,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的信干噪比,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,表示在第k次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示在第k次迭代时第j个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示在第k+1次迭代时第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率。
最后,选取式(8)和式(10)中的最大值作为最优解,即:
工作原理及工作过程:
本发明首先针对由多个工作于同一频段的雷达通信一体化节点组成的雷达通信一体化组网系统,根据实际作战环境先验信息,获取各雷达通信一体化节点与目标之间、各雷达通信一体化节点与通信接收机之间以及各雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗;然后,分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数;在此基础上,以最小化各雷达通信一体化节点的发射功率为优化目标,以满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值为约束条件,分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型;最后,通过采用分布式功率迭代算法对模型进行求解,选取在满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值条件下使得各雷达通信一体化节点的发射功率最小的功率值作为最优解,即可得到符合约束条件的各雷达通信一体化节点发射功率。
本发明针对由多个工作于同一频段的雷达通信一体化节点组成的雷达通信一体化组网系统,其中,各雷达通信一体化节点所发射的信号可同时完成目标探测与通信数据传输功能;另外,根据实际作战环境先验信息,获取各雷达通信一体化节点与目标之间、各雷达通信一体化节点与通信接收机之间以及各雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗。分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数。且本发明以最小化各雷达通信一体化节点的发射功率为优化目标,以满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值为约束条件,分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型,通过采用分布式功率迭代算法对模型进行求解,选取在满足预先设定的目标探测性能信干噪比阈值与通信性能信干噪比阈值条件下使得各雷达通信一体化节点的发射功率最小的功率值作为最优解。
Claims (5)
1.一种基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)确定雷达通信一体化组网系统组成及各路径传播损耗先验信息;
(2)分别构建关于目标探测和关于通信数据传输的各雷达通信一体化节点效用函数;具体的:
构建第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数如下:
其中,Urad,i(Prad,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,ξrad表示预先设定的目标探测性能信干噪比阈值,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,γrad,i表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,表示为:
其中,M表示雷达通信一体化节点的数目,cij表示第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,gij表示第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗,Prad,j表示第j个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示雷达通信一体化节点噪声功率;
构建第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数如下:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,表示为:
(3)分别建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型;
根据预先设定的目标探测性能信干噪比阈值ξrad建立关于目标探测的非合作博弈功率控制模型,如下所示:
其中,Urad,i(Prad,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,ξrad表示预先设定的目标探测性能信干噪比阈值,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,γrad,i表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的信干噪比,为第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗;
根据预先设定的通信性能信干噪比阈值ξcom建立关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型,如下所示:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,hi c为第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限,M表示雷达通信一体化节点的数目;
(4)对关于目标探测的非合作博弈功率控制模型以及关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型进行求解。
3.根据权利要求1所述的基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,其特征在于,步骤(4)中对关于目标探测的非合作博弈功率控制模型的求解方法为:
将关于目标探测的非合作博弈功率控制模型中的第i个雷达通信一体化节点关于目标探测的效用函数Urad,i(Prad,i)对Prad,i求一阶偏导数:
其中,Prad,i表示第i个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,ai表示第i个雷达通信一体化节点关于目标探测性能的权重,为第i个雷达通信一体化节点与目标之间的路径传播损耗,M表示雷达通信一体化节点的数目,gij为第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的路径传播损耗,cij表示第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,Prad,j表示第j个雷达通信一体化节点用于目标探测的发射功率,表示雷达通信一体化节点噪声功率,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限;
4.根据权利要求1所述的基于非合作博弈的雷达通信一体化组网系统功率控制方法,其特征在于,步骤(4)中对关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型的求解方法为:
将关于通信数据传输的非合作博弈功率控制模型中的第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数Ucom,i(Pcom,i)对Pcom,i求一阶偏导数:
其中,Ucom,i(Pcom,i)表示第i个雷达通信一体化节点关于通信数据传输的效用函数,Pcom,i表示第i个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,bi表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的权重,ξcom表示预先设定的通信性能信干噪比阈值,γcom,i表示第i个雷达通信一体化节点关于通信性能的信干噪比,表示第i个雷达通信一体化节点与通信接收机之间的路径传播损耗,cij表示第i个雷达通信一体化节点与第j个雷达通信一体化节点之间的互相关系数,Pcom,j表示第j个雷达通信一体化节点用于通信数据传输的发射功率,表示通信接收机噪声功率,表示第i个雷达通信一体化节点发射功率的上限;
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