CN115903897A - 一种虚实结合的集群仿真对抗系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种虚实结合的集群仿真对抗系统，包括，想定设计模块，用于构建想定中的仿真无人机和仿真目标数量及仿真无人机场景；任务规划模块，用于接收想定设计模块设定参数和接收态势融合模块分析结果完成无人机兵力分配和无人机任务分配；仿真执行对抗模块，用于根据仿真无人机在执行任务时发现的目标信息和各个仿真无人机的毁伤信息等消息融合成新的态势；实体执行模块，用于通过地面控制站对实体无人机执行控制指令；对抗结果展示模块，用于根据仿真执行对抗模块根据虚拟域的对抗执行结果显示输出到屏幕；由于采用了计算机仿真无人机的场景、对抗目标并采用软件算法进行对抗模拟，解决了无人机集群对抗，实现部分场景困难等问题。

Description

一种虚实结合的集群仿真对抗系统

技术领域

本发明属于无人机仿真和计算机领域，特别涉及一种虚实结合的集群仿真对抗系统。

背景技术

轻小型的无人机在作战中隐蔽性好不易被发现，且可以执行探测、打击、毁伤评估等任务，所以在现代战争中无人机已成为重要的作战单元之一，研究无人机集群对抗效果已成为热门话题，但是，实战演练存在成本高、实现部分场景困难等问题，且轻小型无人机因为自身载重、飞行特性限制导致无法装配过多、过重载荷，且采用群体智能、人工智能、无线自组织网络等技术的集群无人机存在研究周期长，成本贵的问题，为解决以上问题，特提出一种虚实结合的集群仿真对抗实现方法，创建真实无人机的虚拟映射模型，通过计算机仿真无人机的传感器、对抗目标并采用软件算法进行对抗研究，用于解决上述问题。

发明内容

本实施例的目的在于提供一种虚实结合的集群仿真对抗系统，用于解决无人机集群对抗，实战演练存在成本高、实现部分场景困难等问题。

一种虚实结合的集群仿真对抗系统，包括：

想定设计模块，用于构建本次想定中的仿真无人机和仿真目标数量及仿真无人机场景；

任务规划模块，用于接收想定设计模块设定参数和接收态势融合模块分析结果完成无人机兵力分配和无人机任务分配及航路规划，划分为不同集群编队，并设定编队信息，为所述集群编队的任务分配建模，执行动态优化，并为“探测->攻击->毁伤->评估”设定问题，建立目标代价函数，并完成所述目标代价函数求解；

任务分析模块，用于分析无人机集群编队飞行线路、任务协同参数，根据设定的航路、编队、任务协同流程生成任务执行队列；

仿真执行对抗模块，用于根据仿真无人机在执行任务时发现的目标信息和各个仿真无人机的毁伤信息等消息融合成新的态势，发送到任务规划模块，所述任务规划模块根据最新态势重新规划任务和航路变更；

实体执行模块，用于通过地面控制站对实体无人机执行控制指令，根据虚拟映射表查找对应实体无人机编号，地址信息，所属空域，无线频点等执行飞行控制指令；

对抗结果展示模块，用于根据仿真执行对抗模块根据虚拟域的对抗执行结果显示输出到屏幕，显示包括仿真无人机位置，仿真目标毁损状态，毁损目标评估结果，地图空域标定。

进一步的，集群仿真对抗系统还包括虚拟域和实体域，所述虚拟域由具备局域网功能服务器组成，所述实体域由具备无线网的地面控制站和无人机组成。

进一步的，目标代价函数求解前，确定所述目标代价函数的决策变量和确定所述目标代价函数的优化目标。

进一步的，决策变量，包括，无人机：v∈V，目标：n∈N，任务：k∈K，执行任务时刻：t,其中V＝{微型无人机、轻小型无人机、中小型无人机}，N＝{建筑设施，武器装备，辐射目标}，K＝{被投放，搜索，攻击，干扰，评估}。

进一步的，优化目标，包括，无人机完成任务后的整体效能最大值和无人机完成任务总飞行时间最短值。

进一步的，标代价函数为，

其中

为完成v无人机从i飞至n完成k的路径威胁损耗，

为完成任务K的收益，J为求解结果。

进一步的，目标代价函数求解前，还包括确定约束条件，其中所述约束条件为每个目标和每个任务只能完成一次，并且每个无人机只能执行1次攻击任务。

进一步的，任务分配为随机树搜索方法。

进一步的，仿真执行对抗模块，还包括，所述虚拟域和实体域之间通信由有线局域网实现。

进一步的，动态优化为求解混合整数非线性规划(MINLP)的优化。

本发明提供一种虚实结合的集群仿真对抗系统，采用了计算机仿真无人机的场景、对抗目标并采用软件算法进行对抗模拟，解决了无人机集群对抗，实现部分场景困难等问题。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1:为本申请实施例提供的虚实结合的集群仿真对抗系统的第一实施例步骤图。

图2:为本申请实施例提供的虚实结合的集群仿真对抗系统的第二实施例步骤图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

本发明系统框架图，见图1，分为虚拟域部分和实体域部分，虚拟域由具备局域网功能服务器组成，实体域由具备无线网的地面控制站和无人机组成。虚拟域和实体域通信采用有线局域网方案，实体域部分的地面控制站和实体无人机通信采用无线网方案，虚拟域通过计算机仿真无人机，仿真对抗目标，仿真地理信息并在显示屏显示无人机对抗结果。

P1100：想定设计模块，用于构建本次想定中的仿真无人机和仿真目标数量，仿真目标坐标及仿真无人机初始位置，载弹数量，攻击参数等。

P1200：任务规划模块，用于接收想定设计模块设定参数和接收态势融合模块分析结果完成无人机兵力分配，无人机任务分配及航路规划。划分为不同集群编队，并设定编队信息，构建仿真无人机和实体无人机之间的映射关系表，针对每个集群编队的任务分配建模，为“探测->攻击->毁伤->评估”设定问题，建立优化的目标代价函数，在相关约束下，动态求解混合整数非线性规划(MINLP)优化，最后根据任务优化结果生成规避威胁任务航线。

本实施例中任务分配所建立的优化目标代价函数在相关约束下，动态求解混合整数非线性规划(MINLP)的优化为：

确定目标代价函数的决策变量：无人机：v∈V{微型无人机、轻小型无人机、中小型无人机}，目标：n∈N{建筑设施，武器装备，辐射目标}，任务：k∈K{被投放，搜索，攻击，干扰，评估}，执行任务时刻：t。

表1MILP决策变量

确定目标代价函数的优化目标：

无人机完成任务后的整体效能最大值(完成任务最多，损耗最小)；

无人机完成任务总飞行时间最短值。

执行目标优化函数：

其中

分别为完成v无人机从i飞至n完成k的路径威胁损耗以及完成任务K的收益，J为求解结果。

约束条件为：

对于每个目标，每个任务只能被完成一次；

每个无人机只能执行至多1次的攻击任务。

本实施中，高维MINLP无法实时求解，即使使用启发式算法也会出现不能满足所有约束的情况。因此将上述问题拆分成任务分配(0-1规划部分)、时序优化(连续变量部分)两部分分步求解，虽然达不到最优，但可以保证在限定时间内得到满足约束的较优解。

任务分配采用随机树搜索方法，使其可以严格满足任务序列约束、无人机载荷能力约束、航程约束。在优化时间极短的情况下，随机树搜索优化效果可以满足需求。

任务分配完成后，继续对分配结果进行时序优化，在满足时序约束的情况下优化最小化作战时间。

本实施例中目标代价函数实现采用C语言实现，可以保证数据计算的及时性。

P1300：任务分析模块，用于分析无人机集群编队飞行线路、任务协同参数，包括仿真无人机飞行线路和实体无人机飞行线路。根据设定的航路、编队、任务协同流程生成任务执行队列。

P1400：仿真执行对抗模块，用于根据仿真无人机在执行任务时发现的目标信息和各个仿真无人机的毁伤信息等消息融合成新的态势，反馈到任务规划模块，任务规划模块根据最新态势重新规划任务和航路变更。本模块同时具备在虚拟域控制集群飞行、执行任务。根据设定航路、编队、任务流控制仿真无人机按编队信息飞行并在相应航路点执行任务，并通过局域网发送控制指令到地面站控制实体无人机飞行，实体无人机在任务航路点处执行任务动作，同时通过地面控制站接收实体无人机位置信息更新数据，并根据实题无人机位置信息进行修正仿真无人机在虚拟域的位置信息，本模块中存在发送到虚拟域的仿真无人机指令和发送到实体无人机指令，二者指令目标不同，区分二者发送目标的方式，本实施例采用映射表方式，在内存中建立一张映射表，包括从虚拟域发出的含有指令数据的数据包和集结点位置数据等，指令数据包包含毁伤指令信息、打击任务指令等，指令在转发前由地面控制站在数据前面增加两个字段{目标地址，标志位}，标志位用于区分指令数据和位置数据，目标地址用于告知地面站当前数据发送给哪架真实无人机。

P1500：实体执行模块，用于通过地面控制站对实体无人机执行控制指令，根据虚拟映射表查找对应实体无人机编号，地址信息，所属空域，无线频点等执行飞行控制指令。并根据实体无人机执行指令的结果，通过虚拟映射表查找对应仿真无人机编号，地址信息，发送到仿真执行对抗模块。仿真执行对抗模块根据实体无人机位置信息更新实体域仿真无人机位置信息。

P1600：对抗结果展示模块，用于根据仿真执行对抗模块根据虚拟域的对抗结果显示输出到屏幕，显示包括仿真无人机位置，仿真目标毁损状态，毁损目标评估结果，地图空域标定。

各个模块之间的连接关系见图2。

本发明提供一种虚实结合的集群仿真对抗系统，采用了计算机仿真无人机的场景、对抗目标并采用软件算法进行对抗模拟，解决了无人机集群对抗，实现部分场景困难等问题。

以上所述仅为本申请的实施例，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，包括：

想定设计模块，用于构建本次想定中的仿真无人机数量和仿真目标数量及仿真无人机场景，其中所述无人机场景包括，仿真无人机初始位置，载弹数量，攻击参数等；

任务规划模块，用于接收想定设计模块设定参数和接收态势融合模块分析结果完成无人机兵力分配和无人机任务分配及航路规划，划分为不同集群编队，并设定编队信息，为所述集群编队的任务分配建模，执行动态优化，并为“探测->攻击->毁伤->评估”设定问题，建立目标代价函数，并完成所述目标代价函数求解；

任务分析模块，用于分析无人机集群编队飞行线路、任务协同参数，根据设定的航路、编队、任务协同流程生成任务执行队列；

仿真执行对抗模块，用于根据仿真无人机在执行任务时发现的目标信息和各个仿真无人机的毁伤信息等消息融合成新的态势，发送到任务规划模块，所述任务规划模块根据最新态势重新规划任务和航路变更；

实体执行模块，用于通过地面控制站对实体无人机执行控制指令，根据虚拟映射表查找对应实体无人机编号，地址信息，所属空域，无线频点等执行飞行控制指令；

对抗结果展示模块，用于根据仿真执行对抗模块根据虚拟域的对抗执行结果显示输出到屏幕，显示包括仿真无人机位置，仿真目标毁损状态，毁损目标评估结果，地图空域标定。

2.根据权利要求1所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述集群仿真对抗系统还包括虚拟域和实体域，所述虚拟域由具备局域网功能服务器组成，所述实体域由具备无线网的地面控制站和无人机组成。

3.根据权利要求1所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述目标代价函数求解前，确定所述目标代价函数的决策变量和确定所述目标代价函数的优化目标。

4.根据权利要求3所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述决策变量，包括，无人机：v∈V，目标：n∈N，任务：k∈K，执行任务时刻：t,其中V＝{微型无人机、轻小型无人机、中小型无人机}，N＝{建筑设施，武器装备，辐射目标}，K＝{被投放，搜索，攻击，干扰，评估}。

5.根据权利要求3所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，

所述优化目标，包括，无人机完成任务后的整体效能最大值和无人机完成任务总飞行时间最短值。

6.根据权利要求3所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述标代价函数为，

其中

为完成v无人机从i飞至n完成k的路径威胁损耗，

为完成任务K的收益，J为求解结果。

7.根据权利要求1的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述目标代价函数求解前，还包括确定约束条件，其中所述约束条件为每个目标和每个任务只能完成一次，并且每个无人机只能执行1次攻击任务。

8.根据权利要求1述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述任务分配为随机树搜索方法。

9.根据权利要求2所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述仿真执行对抗模块，还包括，所述虚拟域和实体域之间通信由有线局域网实现。

10.根据权利要求1所述的虚实结合的集群仿真对抗系统，其特征在于，所述动态优化为求解混合整数非线性规划(MINLP)的优化。

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