CN114221900B - 一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法。本发明针对弹药进入卫星拒止环境后无法将探测得到的探测信息经卫星数据链回传至后方指控中心这一问题，利用弹间数据链，从与其组网的弹药中挑选一个或多个作为中继通信节点，将关键探测信息经弹间数据链发送至所述中继通信节点弹药，然后由该中继通信节点弹药的卫星通信链转发至后方指控中心，从而实现对关键探测信息的弹群协同信息回传。本发明就中继通信节点筛选问题所涉及到的时间约束、空间约束、通信性能约束进行了梳理，给出了中继节点筛选问题所涉及到的约束条件，提高回传质量与速度。

Description

一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法

技术领域

本发明涉及精导弹药协同作战技术领域，具体涉及一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法。

背景技术

随着现代防空反导技术的不断发展，防空反导装备的预警探测范围、电子干扰能力、导弹弹道解算速度等关键装备性能都获得了大幅提升，因此导致单枚导弹的突防概率和毁伤效能都明显降低，传统导弹作战模式已无法满足现代复杂战场环境中作战任务的需求。多枚导弹协同作战可以有效提高导弹在对抗中的作战效能，让不同类型、不同功能的导弹通过弹间数据链进行组网，使各枚导弹执行不同作战任务，在作战中相互协调、相互配合，共同完成目标打击任务，可有效增强导弹打击精度，增加其突防概率，提高毁伤效能。因此，多弹协同作战成为弹道导弹技术发展的一种新趋势。

根据所处作战环节的不同，精导弹药协同作战可以分为射前协同规划、协同突防、协同制导、协同探测和协同毁伤评估五大环节，各个环节先后承接、互相支撑，从而实现对敌方目标的精准打击。根据协同功能目的不同，精导弹药协同作战可以分为发射时间协同规划、弹道轨迹协同规划、体系协同突防、协同制导律设计与优化、打击目标协同探测与目标分配、多目标协同毁伤评估等多个典型协同作战功能。在各个协同作战功能配合的基础上，完成对特定目标或目标群体的精准毁伤。

在导弹协同作战过程中，弹载数据链技术能够直接帮助导弹在通信、指挥、精确制导方面的信息传递和交换，通过导弹发射平台中的数据链舱、弹上数据链、控制面板以及遥控测试设备等，将导弹负责的目标信息、环境信息、相互间的协同信息等进行传递和交换，让导弹在实际战争中能够实现智能协同。弹载数据链在实际的应用中，主要是将导弹和导弹之间的联系用信息化技术连接起来，在不同的导弹之间实现信息的交换。导弹在应用中，能够和发射平台、控制中心之间形成数据交换网络，同时，与其他中继站联系，在不同的导弹之间建立起信息交换网络，实现信息的传输、交换、处理。

弹载数据链在实际的安装中，会形成双向的数据链，这种数据链能够帮助导弹在接收天基卫星和地面控制平台信息的同时，还能够将自身的导弹状态回传，把对敌目标的信息特征和目标出现的毁伤情况报告给作战指控系统，协助参谋人员进行作战任务的分析规划，实现从侦察到毁伤的全流程闭环控制。

弹载数据链根据数据传输路径的不同可以为卫星数据链、地面数据链和弹间数据链等，各个数据链系统的基本组成为数据系统、接口控制处理系统、数据链终端设备和收发设备(天线)等。通常而言，由于收发设备和数据传输距离等因素的影响，弹间数据链的抗干扰能力比其余数据链更强。因此在卫星数据链和地面数据链失效的情况下，导弹可以通过弹间数据链将关键探测信息发送至未处于卫星拒止环境下的其余组网导弹，并将该导弹作为中继通信节点，实现关键探测信息的协同信息回传。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，针对弹药进入卫星拒止环境后无法将探测得到的探测信息经卫星数据链回传至后方指控中心这一问题，筛选合适的某组网弹药作为中继通信节点，通过弹间数据链将关键探测信息发送至该中继通信节点弹药并由该中继通信节点弹药转发至后方指控中心，从而实现对关键探测信息的弹群协同信息回传。

本发明的基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，包括：弹药A与指挥中心的通信链接断开后，弹药A从与其组网的弹药群中选取一个弹药作为中继点，弹药A的信息经弹间数据链传送至中继点，由中继点回传至指控中心。

较优的，弹药与指挥中心通过卫星数据链实现信息回传。

较优的，选取与弹药A属于同一个组网内的、远离与指挥中心通信拒止环境的、且抗干扰能力强的弹药作为中继点。

较优的，选取导弹A的剩余飞行时长远远大于导弹A接收到中继点回送信息所耗费的时长、中继点的剩余飞行时长大于中继点接收并转发探测信息的时长的中继点。

较优的，选取在弹药A选取中继点时，以及作为中继点成功回传弹药A的信息时，均处于拒止环境外的弹药作为中继点。

较优的，选取与指挥中心通信能力强的弹药作为中继点。

较优的，所述通信能力的评价指标包括：同时通信的信道数、路由跳数、误码率、最大吞吐量、路径损耗、通信速率、端-端时延、接入时延和时延抖动；选取上述评价指标中的一种或多种进行通信能力评价。

较优的，弹药A-中继点-天基卫星之间为正交信道且通过时分多址系统进行传输，且采用放大转发协议；则中继点弹药B的卫星信道的路径损耗F_si为

其中，c为光速；f为载波频率；d_si表示弹药A到中继点弹药B的距离；G_s表示弹药A天线的增益；G_i表示中继点弹药B天线的增益；

遍历与弹药A组网的所有弹药，选择路径损耗最小的节点弹药作为中继点。

较优的，选取被拦截概率低的弹药作为中继点。

较优的，所述被拦截概率由弹药弹道特性、RCS特征决定，包括被探测概率和被毁伤概率。

较优的，采用群智能优化算法或深度学习、强化学习智能算法进行最优解的计算，获得中继点。

较优的，弹药A一次性筛选得到多个中继点，通过增加通信信道数量的方式提升信息回传成功率。

有益效果：

本发明方法可以有效解决弹群内部分导弹节点在卫星拒止环境下的探测信息回传问题，提高弹群在目标探测、毁伤评估等关键作战环节的作战效能。具体如下：

本发明提出了一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，该方法可以用于实现卫星拒止环境下的弹群协同信息回传，适用于打击可形成小范围卫星拒止环境的舰船目标，明确提出了该弹群协同信息回传方法使用的前提条件，并给出了该弹群协同信息回传方法的工作流程；

本发明提出了用于协同信息回传功能的中继通信节点筛选方法，并就中继通信节点筛选问题所涉及到的时间约束、空间约束、通信性能约束进行了梳理，给出了中继节点筛选问题所涉及到的约束条件；该中继通信节点筛选方法可快速、高效筛选得到所需的弹药节点，用于转发前方节点探测信息，从而实现弹群协同信息回传。

附图说明

图1为卫星拒止环境下的弹群协同作战场景。

图2为本发明信息回传方法工作流程图。

图3为通信中继节点的飞行时长约束。

图4为通信中继节点的空间约束，其中(a)为弹群协同信息回传前；(b)为弹群协同信息回传后。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，在卫星拒止环境下，通过对组网内导弹进行筛选并确定中继通信节点，利用弹间根据导弹通信任务需求对其设定时间约束和空间约束，并将通信能力等约束考虑在内，并从而完成对特定任务所需中继通信节点的筛选。

本发明所提出的一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，可以应用的实际作战场景为卫星拒止环境下的弹群协同作战。具体应用场景如图1所示：作为打击目标的大型舰船通常配有电子干扰装备，可在目标附近形成卫星拒止环境，而弹群靠前批次的导弹进入卫星拒止环境后，卫星数据链失效，无法与天基卫星进行通信；而弹群后续批次的导弹尚未进入卫星拒止环境，且抗干扰能力更强的弹间数据链依旧正常工作，可以维持弹群内各个节点的组网通信。

应用本发明所提出的一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法必须满足以下三个前提条件：

一、多枚精导弹药通信组网形成弹群进行协同作战，群内各个导弹节点的位置信息、姿态信息等导弹状态信息实现共享，各个导弹节点时间同步；

二、弹群中部分导弹节点未处于卫星拒止环境，且该部分导弹节点距离进入卫星拒止环境需要较长时间；

三、进入卫星拒止环境的导弹节点的卫星数据链失效或通信信道拥堵，此时，该导弹的弹间数据链通信效率远远高于卫星数据链。

基于以上前提条件，本发明提出的一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，工作流程如图2所示，包括：

步骤1：弹群导弹依次发射并完成组网并通信，实现导弹状态信息共享；

各个导弹根据预先规划的发射点位和发射时间依次发射，在弹道中段完成弹群组网，实现弹群内的信息共享。弹群内各个节点共享的信息主要包括目标位置、各个节点位置和运动状态信息、各个节点的通信状态信息等。

步骤2：某导弹A对目标展开探测，获得目标探测信息；

某导弹A逐渐接近打击目标，到达指定位置后，导弹导引头开机并对打击目标进行探测，获得目标探测信息。当导弹处于弹道末端，即将命中目标时，通常会采集1-2张目标图像传输返回至后方指控中心用于对目标进行毁伤评估或作战效能评估，该信息也可视为目标探测信息。

步骤3：导弹A判断自身卫星数据链是否失效；若卫星数据链失效，则导弹A在与其组网的弹群内筛选出合适的节点作为中继点；

导弹A获得目标探测信息后，将部分关键信息经卫星数据链回传至后方指控中心，此时导弹A必须先判断自身卫星数据链是否失效。导弹利用卫星数据链通信时会不断发送通信指令来确定是否处于通信状态并判断是否已经接收到相关信息，因此导弹A可在短时间内迅速判断自身卫星数据链是否失效，并且可以获得卫星数据链失效时的自身弹目距离，即获得敌方所构建的卫星拒止环境的范围。之后导弹A调用通信中继节点筛选算法，该算法根据弹群组网通信获得的各个节点位置和运动状态信息、各个节点的通信状态信息对弹群内的各个节点进行筛选，获得最佳的通信中继节点。

下面对通信中继节点筛选方法的工作原理进行具体介绍。通信中继节点筛选方法主要考虑弹群内各个导弹节点的空间位置、通信时间和通信能力等约束条件对通信中继节点导弹进行筛选。

约束条件1：在将探测信息成功发送至通信中继节点导弹B之前，导弹A和导弹必须保持可通信状态，即导弹A的剩余飞行时长必须远远大于导弹A接收到导弹B回送信息所耗费的时长，导弹B的剩余飞行时长必须大于导弹B接收并转发探测信息的时长。

如图3所示，设导弹A调用通信中继节点筛选算法时的剩余飞行时长为t_RA，该时刻导弹B的剩余飞行时长为t_RB；通信中继节点筛选算法运行时长为t_C；在导弹A和导弹B的绝对距离为d_m时，导弹A和导弹B利用弹间数据链通信的端-端时延为t_m1；导弹B利用卫星数据链通信至天基卫星的端-端时延为t_m2；忽略通信过程中导弹间相对位置变化，则导弹A接收到导弹B回送信息所耗费的时长可以视为两倍的端-端时延，即2t_m1。根据约束条件1可得：

t_RA＞＞t_C+2t_m1

t_RB-t_m1>t_C+2t_m1

约束条件2：在将探测信息成功转发前，通信中继节点导弹B不能处于卫星拒止环境下，即导弹B持续飞行相应通信时长后，导弹B的弹目距离仍大于卫星拒止环境范围。

如图4所示，设导弹A调用通信中继节点筛选算法时的弹目相对距离为X_A，此刻到导弹A命中目标前导弹的平均弹目相对速度为V_A，对应的剩余飞行时长为t_RA；同理，导弹B在同一时刻的弹目相对距离为X_B，此刻到导弹B命中目标前的平均弹目相对速度为V_B，对应的剩余飞行时长为t_RB；导弹A在卫星数据链失效时的自身弹目距离为X_D，即敌方所构建的卫星拒止环境可视为一个以打击目标为球心、半径为X_D的半球体。

首先通信中继节点导弹B在导弹A调用通信中继节点筛选算法时必须处于卫星拒止环境外，因此可得：

X_B>X_D

其次通信中继节点导弹B成功转发探测信息时，通信中继节点导弹B必须处于卫星拒止环境外。此时，导弹B飞行时长为(t_C+2t_m1)，则根据其平均弹目相对速度可得：

X_B-(t_C+2t_m1)V_B>X_D

约束条件3：通信中继节点导弹B必须具备将探测信息转发的通信能力，且该节点的通信能力越强越好。具体衡量指标包括同时通信的信道数、路由跳数、误码率、最大吞吐量、路径损耗、通信速率、端-端时延、接入时延、时延抖动等性能指标。弹群组网后，弹间数据链的最大通信容量、最大通信速率等部分参数已经确定，而调用算法时的通信信道数、端-端时延等参数会随弹群内节点位置与通信需求而动态变化，需要根据实时变化情况筛选。

此处以路径损耗作为评价指标对通信中继节点的筛选过程进行举例说明。假设源节点-中继节点-天基卫星之间为正交信道且通过时分多址(time division multipleaccess,TDMA)系统进行传输。基于放大转发(amplify-and-forward,AF)协议进行对该系统进行分析，信息传输过程可表示为源节点导弹A将信号传输给通信中继节点导弹i，则通信中继节点导弹i接收到的信号为y_si，表达式为：

式中：P_S为源节点导弹A的发射功率；x为源节点导弹A的发射信号；n_si为通信中继节点导弹i的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²＝κτB，其中κ为玻尔兹曼常数，B为噪声带宽，τ为噪声温度，

表示中继通信节点导弹i的卫星信道的小尺度衰落，其服从阴影莱斯(shadowed-Rician,SR)分布；F_si表示中继点弹药B的卫星信道的路径损耗，表达式为：

式中：c为光速；f为载波频率；d_si表示源节点导弹A到通信中继节点导弹i的距离；G_s表示源节点导弹A天线的增益；G_i表示通信中继节点导弹i天线的增益。遍历与弹药A组网的所有弹药，选择路径损耗最小的节点导弹作为通信中继节点导弹B即可。同理，可根据通信任务需求选择其他性能参数指标作为约束条件。

约束条件4：通信中继节点导弹B的被拦截概率较低，该参数由导弹弹道特性、RCS特征等自身特性决定，通常可分解为被探测概率和被毁伤概率。当导弹型号和当前所处位置确定后，其被拦截概率可以大致确定，通常表示为[0,1]区间内的某一数值。

可根据实际情况选取上述一种或多种约束或其他约束对该作战场景进行深度建模求取最优解，最优解求解时，可利用蚁群算法、粒子群优化算法等群智能优化算法或深度学习、强化学习等智能算法进行最优解的计算，从而得到最佳通信中继节点导弹B。

步骤4，筛选确定作为通信中继节点的导弹B后，导弹A向该节点导弹B发送目标探测信息；

筛选得到通信中继节点的导弹B后，导弹A向该节点导弹B发送目标探测信息。为保证导弹A的探测信息能够成功回传，可以一次性筛选得到多个通信中继节点，通过增加通信信道数量的方式来提升信息回传成功率，避免单一通信中继节点导弹B出现被拦截、被干扰欺骗等情况而无法成功回传导弹A的探测信息。

步骤5：通信中继节点导弹B接收到目标信息后，通过自身的卫星数据链，回传至后方指控中心。

由于之前的通信中继节点筛选算法中充分考虑了通信中继导弹节点所处空间位置的变化情况，因此可以确保通信中继节点导弹B此时未处于卫星拒止环境中。通信中继节点导弹B接收到目标信息后，通过自身的卫星数据链，回传至后方指控中心。至此，弹群协同信息回传功能完全实现。

当然，中继通信节点能否正常接收发送探测信息决定了信息回传的可行性。一旦最优中继通信节点选定，能否将现有探测信息传输至指定节点则主要由收发设备决定，因此在中继通信节点筛选过程中应当尽量将相关约束纳入考虑范围，从而得到最优结果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：弹群精导弹药依次发射并完成组网并通信，实现精导弹药状态信息共享；

步骤2：某精导弹药A逐渐接近打击目标，到达指定位置后，精导弹药A导引头开机并对目标展开探测，获得目标探测信息；

步骤3：精导弹药A判断自身与指挥中心的通信链接是否有效，若有效，通过精导弹药A与指挥中心的通信链接回传至指挥中心；若失效，则精导弹药A从与其组网的弹群中筛选出合适的节点作为中继点；

筛选时，中继点需满足：

(1)精导弹药A的剩余飞行时长远大于精导弹药A接收到中继点回送信息所耗费的时长，中继点的剩余飞行时长大于中继点接收并转发探测信息的时长；

(2)在精导弹药A选取中继点时，以及作为中继点成功回传精导弹药A的信息时，中继点均处于拒止环境外；

(3)通信能力强；所述通信能力的评价指标包括同时通信的通信信道数、路由跳数、误码率、最大吞吐量、路径损耗、通信速率、端-端时延、接入时延和时延抖动；其中，当精导弹药A-中继点-天基卫星之间为正交信道且通过时分多址系统进行传输，且采用放大转发协议，则中继点和天基卫星之间的卫星信道的路径损耗F_si为

其中，c为光速；f为载波频率；d_si表示精导弹药A到中继点的距离；G_s表示精导弹药A天线的增益；G_i表示中继点天线的增益；

遍历与精导弹药A组网的所有精导弹药，选择路径损耗最小的节点作为中继点；

(4)被拦截概率低；被拦截概率由精导弹药弹道特性、RCS特征决定，包括被探测概率和被毁伤概率；

步骤4，精导弹药A的信息经弹间数据链传送至中继点，由中继点通过中继点与指挥中心的通信链接回传至指控中心。

2.如权利要求1所述的基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，其特征在于，所述通信链接为卫星数据链。

3.如权利要求1所述的基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，其特征在于，所述步骤3中，采用群智能优化算法或深度学习、强化学习智能算法进行最优解的计算，筛选出中继点。

4.如权利要求1所述的基于弹间数据链的弹群协同信息回传方法，其特征在于，精导弹药A一次性筛选得到多个中继点。

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