CN116307426A - 水面舰艇照射器任务规划方法和系统 - Google Patents

水面舰艇照射器任务规划方法和系统 Download PDF

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CN116307426A CN202211090199.2A CN202211090199A CN116307426A CN 116307426 A CN116307426 A CN 116307426A CN 202211090199 A CN202211090199 A CN 202211090199A CN 116307426 A CN116307426 A CN 116307426A
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irradiation
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陆志沣
周金鹏
赖鹏
从光涛
董晨
洪泽华
张明恩
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Abstract

本发明提供了一种水面舰艇照射器任务规划方法和系统，包括：步骤1：输入目标参数、照射器参数及照射状态信息、拦截解算参数信息；步骤2：基于目标参数、武器拦截解算参数以及照射器参数及任务状态信息，构建计算、预测及决策矩阵与向量；步骤3：建立照射器任务规划模型，确定优化变量、优化目标及约束条件；步骤4：采用优化算法求解照射器任务规划模型，得到目标‑照射器‑照射时段的照射任务配对，形成照射器任务序列方案。本发明适用于水面舰艇多照射器任务规划、多目标照射分配、火控发射决策等，可提高照射资源使用效率，提升舰空武器的作战效能。

Description

水面舰艇照射器任务规划方法和系统
技术领域
本发明涉及对空作战传感器任务规划技术领域，具体地，涉及一种水面舰艇照射器任务规划方法和系统。
背景技术
现代水面作战舰艇通常集成多部照射器，能够根据指示信息对来袭目标进行照射，为末端采用半主动制导体制的舰空导弹提供照射制导信号，引导导弹飞向作战目标。照射器任务规划是根据导弹制导需求通过一定方法完成照射任务分配、照射资源调度的过程，是火控决策的重要部分。
区别于相控阵体制照射器，机械式照射器通过在一定机械限幅内转动实现对目标的跟踪照射，在传统照射任务规划模式下，照射器采用接替照射，即半主动导弹的飞行全程均占用照射器，尤其是中远程舰空导弹，其多目标作战能力受到严重制约。目前，基于经济性等多方面考虑，各国作战舰艇仍未完全放弃使用机械式照射器。因此，如何利用现有装备特点、创新装备的应用模式成为提升水面舰艇作战效能的重要途经。在此背景下提出的舰艇照射器分时照射模式，主要针对中远程舰空导弹的飞行末段对目标进行照射，从而释放照射器的占用时间，提高照射资源的利用率，但由于战场形势千变万化，此模式下需要合理地进行照射任务规划以保证舰空武器系统输出稳定的作战效能。
专利文献CN108415452A(申请号：CN201711419530.X)公开了一种中空长航时无人机任务规划系统，包括：任务规划情报数据库、数据引接与发布模块、任务规划模块和地理信息引擎。任务情报数据库存储和管理地理信息数据、任务信息数据、无人机/载荷/链路性能数据、任务区情报数据、无人机系统遥测数据、用户及系统信息数据；数据引接与发布模块接收无人机系统遥测数据、任务信息数据和任务区情报数据，发布指定格式的无人机状态信息和任务报告；任务规划模块获取无人机系统遥测数据、任务信息数据和任务区情报数据，完成威胁空间建模、通信链路使用规划、航路设计与载荷使用规划；地理信息引擎获取地理信息数据、任务区情报数据和无人机系统遥测数据，提供数字地形、综合态势显示和任务数据编辑服务。
目前，对作战舰艇照射器任务规划的研究相对较少，对于传统装备的创新应用模式研究仍处于摸索阶段，目前对舰艇照射器任务规划的研究多集中于导弹全程照射模式下的目标通道分配，针对单舰防空资源利用问题，提出了单舰层面的目标-照射器分配方法，(如，水面舰艇空中目标火力分配模型研究，军事运筹与系统工程，2005年3月，王永春；多通道舰空导弹武器系统单舰防空的目标分配，战术导弹技术，2008年7月；一种基于目标方位的照射器分配算法，计算机与数字工程，2010年第4期，赵建军；舰空导弹综合防空任务规划及资源调度研究，装备理论与装备技术，2019年1月)，针对编队网络化协同作战问题，提出了编队层面的目标-照射器分配方法，(如，发射与制导分离的编队协同防空目标分配决策，2013年2月，姚跃亭；基于二维合同的编队协同防空导弹资源分配研究，火力与指挥控制，陈华东，2014年6月)。上述算法本质上均是面向目标全程照射任务分配方法，未考虑照射任务时序规划，对舰空导弹武器系统的多目标作战能力的提升幅度有限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水面舰艇照射器任务规划方法和系统。
根据本发明提供的水面舰艇照射器任务规划方法，包括：
步骤1：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列；
步骤2：根据输入的基本参数构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量，预测向量包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测空间向量，决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；
步骤3：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，基于构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为多约束下的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；
步骤4：求解混合整数规划问题得到照射器照射任务规划方案，对转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新各照射器任务序列信息，判断任务规划是否结束，若否则返回步骤1继续执行。
优选的，所述步骤1包括：输入的威胁目标为TR＝{TR1,TR2,…,TRm}，m为威胁目标数量，其中待照射分配的目标数量为m′；输入的照射器为IR＝{IR1,IR2,…,IRn}，n为照射器数量；输入的威胁目标参数列表信息包含各威胁目标当前在舰艇地理系位置PTR、速度vTR、雷达截面积RCS值σTR，威胁目标参数列表按照威胁值从大到小排列；拦截武器对目标的拦截解算参数信息包括拦截武器的平均飞行速度vD、对目标的发射时间窗口起始与终止
Figure BDA0003836946560000031
各照射器的空间工作范围信息包括各照射器的起始与终止工作方位角/>
Figure BDA0003836946560000032
及/>
Figure BDA0003836946560000033
高低限角/>
Figure BDA0003836946560000034
及/>
Figure BDA0003836946560000035
最大作用距离/>
Figure BDA0003836946560000036
及典型RCS值σIR、安装高度hIR、导引头开机距离rsk；各照射器的已安排的任务序列信息包括各照射器已经安排的照射任务的开始时间
Figure BDA0003836946560000037
结束时间/>
Figure BDA0003836946560000038
优选的，所述步骤2包括：计算矩阵与向量由步骤1的输入信息赋值确定，包含武器对待分配照射目标的拦截开始及结束发射时间向量
Figure BDA0003836946560000039
与/>
Figure BDA00038369465600000310
照射器工作起始与结束方位角向量/>
Figure BDA00038369465600000311
与/>
Figure BDA00038369465600000312
照射器工作高限角向量/>
Figure BDA00038369465600000313
与低限角向量/>
Figure BDA00038369465600000314
及照射器对目标的最大工作距离矩阵/>
Figure BDA00038369465600000315
计算矩阵与向量构建如下：
Figure BDA00038369465600000316
Figure BDA00038369465600000317
Figure BDA00038369465600000318
Figure BDA00038369465600000319
为n×m′维，式中，/>
Figure BDA00038369465600000320
为照射器IRi对目标TRj的最大照射距离，/>
Figure BDA00038369465600000321
Figure BDA00038369465600000322
为目标TRj飞行高度，/>
Figure BDA00038369465600000323
为照射器IRi的安装高度；
预测向量由步骤1的输入信息推算构建，表征目标的预估信息，包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测开始照射方位角向量
Figure BDA00038369465600000324
与预测结束照射方位角向量/>
Figure BDA00038369465600000325
预测开始照射俯仰角向量/>
Figure BDA00038369465600000326
与预测结束照射俯仰角向量/>
Figure BDA00038369465600000327
预测开始照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600000328
与预测结束照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600000329
预测向量构建如下：
Figure BDA00038369465600000330
其中/>
Figure BDA00038369465600000331
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000041
及结束照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000042
舰艇与目标的距离，x由决策矩阵D确定，/>
Figure BDA0003836946560000043
按下式计算：
Figure BDA0003836946560000044
Figure BDA0003836946560000045
Figure BDA0003836946560000046
Figure BDA0003836946560000047
其中/>
Figure BDA0003836946560000048
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000049
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000410
目标相对舰艇的方位角，/>
Figure BDA00038369465600000411
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600000412
Figure BDA00038369465600000413
其中/>
Figure BDA00038369465600000414
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000415
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000416
目标相对舰船的俯仰角，/>
Figure BDA00038369465600000417
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600000418
决策矩阵与向量通过输入信息构建，作为任务规划的输出，包含待照射分配目标的分配决策矩阵D′、拦截发射时间向量TLch，全部威胁目标的分配决策矩阵D、照射开始与结束时间矩阵
Figure BDA00038369465600000419
与/>
Figure BDA00038369465600000420
决策矩阵与向量构建如下：
Figure BDA00038369465600000421
为待分配决策矩阵，n×m′维；
Figure BDA00038369465600000422
为全部目标分配决策矩阵，n×m维；
式中，dij＝0或1，dij＝1代表照射器IRi被分配对目标TRj进行照射，否则照射器IRi未被分配对目标TRj进行照射；
Figure BDA00038369465600000423
Figure BDA00038369465600000424
为目标TRj被安排拦截发射时间；
Figure BDA0003836946560000051
均为n×m维，每一行按照/>
Figure BDA0003836946560000052
由小到大排序，其中1～m′为已分配照射的目标，m′+1～m列为未分配的目标；式中，
Figure BDA0003836946560000053
分别为照射器IRi对目标TRj照射的开始照射时间及结束照射时间，/>
Figure BDA0003836946560000054
且
Figure BDA0003836946560000055
表示，照射器IRi被分配对目标TRj照射，否则IRi未分配对目标TRj照射；/>
Figure BDA0003836946560000056
Figure BDA0003836946560000057
由拦截发射时间计算，取值如下：
Figure BDA0003836946560000058
Figure BDA0003836946560000059
式中，rTR＝||PTR||为当前目标TRj与舰艇平台的距离，t0为当前时刻；选取D′与TLch为优化过程中的主要决策量，获取D′与TLch之后可更新数据得到D和
Figure BDA00038369465600000510
决策变量中整数变量为nm′个，非整数变量为m′个。
优选的，所述步骤3包括：构造的照射器任务规划模型为带约束的混合整数规划模型，包括约束条件、优化目标、优化变量；
其中，约束条件包括照射空间约束及照射时间约束两类；
(1)照射空间约束：
1)在照射时段
Figure BDA00038369465600000511
内，目标处在照射器的工作方位角范围内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600000512
Figure BDA00038369465600000513
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
2)在照射时段
Figure BDA00038369465600000514
内，目标处在照射器的工作俯仰角范围内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600000515
Figure BDA00038369465600000516
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
3)在照射时段
Figure BDA0003836946560000061
内，目标处在照射器的作用距离范围内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000062
Figure BDA0003836946560000063
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，I1n为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
(2)照射时间约束：
1)每个目标每次只能分配一部照射器进行照射，该约束表示为：
I1n·D′-I1m′≤01m′
式中，I1n、I1m′为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
2)单部照射器同时只能照射一个目标，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000064
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘；
函数
Figure BDA0003836946560000065
用于计算由/>
Figure BDA0003836946560000066
与/>
Figure BDA0003836946560000067
任意行对应元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内各非零时段元素/>
Figure BDA0003836946560000068
与Ci内所有时段元素交叉的次数qij，该行元素间的最大交叉次数/>
Figure BDA0003836946560000069
遍历各行，输出计算结果向量
Figure BDA00038369465600000610
I1n为元素全为1的向量，01n为n维零向量；
3)选择的武器发射时间在发射窗口内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600000611
Figure BDA00038369465600000612
4)照射器前后照射任务之间留有准备时间，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600000613
式中，函数
Figure BDA00038369465600000614
用于计算由/>
Figure BDA00038369465600000615
与/>
Figure BDA00038369465600000616
任意行中对应位置的元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内元素按照开始照射时间由小到大排序，对于Ci内非零时段元素个数为li，对于任意非零时段元素/>
Figure BDA00038369465600000617
Ci内所有元素中，开始时间/>
Figure BDA00038369465600000618
与Cij的结束时间/>
Figure BDA00038369465600000619
差值大于Δt的时段元素个数q′ij，Δt为照射准备时间，函数计算输出的结果为：
Figure BDA0003836946560000071
I′nm′为n×m′维矩阵，各行为[0 … 0 li-1 li-2 … 0]m′；
任务规划模型的优化目标表示为：
Figure BDA0003836946560000072
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，算子//代表两个同维矩阵或向量相同位置的非零元素相除，优化目标为尽可能多的目标被安排照射，且照射时间尽可能早，以保证武器系统尽早有效拦截目标；
照射器任务规划模型的优化变量表示为：
全局优化变量为：
Figure BDA0003836946560000073
其中，单目标-照射器-照射时段配对表示为：
Figure BDA0003836946560000074
多约束下的照射器任务规划模型表示如下：
Figure BDA0003836946560000075
优选的，所述的步骤4包括：利用遗传算法对混合整数规划模型进行求解，得到分配决策矩阵D′、D、TLch及优化变量
Figure BDA0003836946560000076
并以此推算并更新/>
Figure BDA0003836946560000077
与/>
Figure BDA0003836946560000078
得到本次计算的照射任务规划结果，即各照射器的任务序列，并作为输入进入下一轮任务规划。
根据本发明提供的水面舰艇照射器任务规划系统，包括：
模块M1：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列；
模块M2：根据输入的基本参数构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量，预测向量包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测空间向量，决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；
模块M3：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，基于构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为多约束下的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；
模块M4：求解混合整数规划问题得到照射器照射任务规划方案，对转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新各照射器任务序列信息，判断任务规划是否结束，若否则返回模块M1继续执行。
优选的，所述模块M1包括：输入的威胁目标为TR＝{TR1,TR2,…,TRm}，m为威胁目标数量，其中待照射分配的目标数量为m′；输入的照射器为IR＝{IR1,IR2,…,IRn}，n为照射器数量；输入的威胁目标参数列表信息包含各威胁目标当前在舰艇地理系位置PTR、速度vTR、雷达截面积RCS值σTR，威胁目标参数列表按照威胁值从大到小排列；拦截武器对目标的拦截解算参数信息包括拦截武器的平均飞行速度vD、对目标的发射时间窗口起始与终止
Figure BDA0003836946560000081
各照射器的空间工作范围信息包括各照射器的起始与终止工作方位角/>
Figure BDA0003836946560000082
及/>
Figure BDA0003836946560000083
高低限角/>
Figure BDA0003836946560000084
及/>
Figure BDA0003836946560000085
最大作用距离/>
Figure BDA0003836946560000086
及典型RCS值σIR、安装高度hIR、导引头开机距离rsk；各照射器的已安排的任务序列信息包括各照射器已经安排的照射任务的开始时间
Figure BDA0003836946560000087
结束时间/>
Figure BDA0003836946560000088
优选的，所述模块M2包括：计算矩阵与向量由模块M1的输入信息赋值确定，包含武器对待分配照射目标的拦截开始及结束发射时间向量
Figure BDA0003836946560000089
与/>
Figure BDA00038369465600000810
照射器工作起始与结束方位角向量/>
Figure BDA00038369465600000811
与/>
Figure BDA00038369465600000812
照射器工作高限角向量/>
Figure BDA00038369465600000813
与低限角向量/>
Figure BDA00038369465600000814
及照射器对目标的最大工作距离矩阵/>
Figure BDA00038369465600000815
计算矩阵与向量构建如下：
Figure BDA00038369465600000816
Figure BDA00038369465600000817
Figure BDA0003836946560000091
Figure BDA0003836946560000092
为n×m′维，式中，/>
Figure BDA0003836946560000093
为照射器IRi对目标TRj的最大照射距离，/>
Figure BDA0003836946560000094
Figure BDA0003836946560000095
为目标TRj飞行高度，/>
Figure BDA0003836946560000096
为照射器IRi的安装高度；
预测向量由模块M1的输入信息推算构建，表征目标的预估信息，包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测开始照射方位角向量
Figure BDA0003836946560000097
与预测结束照射方位角向量/>
Figure BDA0003836946560000098
预测开始照射俯仰角向量/>
Figure BDA0003836946560000099
与预测结束照射俯仰角向量/>
Figure BDA00038369465600000910
预测开始照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600000911
与预测结束照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600000912
预测向量构建如下：
Figure BDA00038369465600000913
其中/>
Figure BDA00038369465600000914
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000915
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000916
舰艇与目标的距离，x由决策矩阵D确定，/>
Figure BDA00038369465600000917
按下式计算：
Figure BDA00038369465600000918
Figure BDA00038369465600000919
Figure BDA00038369465600000920
Figure BDA00038369465600000921
其中/>
Figure BDA00038369465600000922
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000923
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000924
目标相对舰艇的方位角，/>
Figure BDA00038369465600000925
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600000926
Figure BDA00038369465600000927
其中/>
Figure BDA00038369465600000928
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000929
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600000930
目标相对舰船的俯仰角，/>
Figure BDA00038369465600000931
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600000932
决策矩阵与向量通过输入信息构建，作为任务规划的输出，包含待照射分配目标的分配决策矩阵D′、拦截发射时间向量TLch，全部威胁目标的分配决策矩阵D、照射开始与结束时间矩阵
Figure BDA0003836946560000101
与/>
Figure BDA0003836946560000102
决策矩阵与向量构建如下：
Figure BDA0003836946560000103
为待分配决策矩阵，n×m′维；
Figure BDA0003836946560000104
为全部目标分配决策矩阵，n×m维；
式中，dij＝0或1，dij＝1代表照射器IRi被分配对目标TRj进行照射，否则照射器IRi未被分配对目标TRj进行照射；
Figure BDA0003836946560000105
Figure BDA0003836946560000106
为目标TRj被安排拦截发射时间；
Figure BDA0003836946560000107
均为n×m维，每一行按照/>
Figure BDA0003836946560000108
由小到大排序，其中1～m′为已分配照射的目标，m′+1～m列为未分配的目标；式中，
Figure BDA0003836946560000109
分别为照射器IRi对目标TRj照射的开始照射时间及结束照射时间，/>
Figure BDA00038369465600001010
且
Figure BDA00038369465600001011
表示，照射器IRi被分配对目标TRj照射，否则IRi未分配对目标TRj照射；/>
Figure BDA00038369465600001012
Figure BDA00038369465600001013
由拦截发射时间计算，取值如下：
Figure BDA00038369465600001014
Figure BDA00038369465600001015
式中，rTR＝||PTR||为当前目标TRj与舰艇平台的距离，t0为当前时刻；选取D′与TLch为优化过程中的主要决策量，获取D′与TLch之后可更新数据得到D和
Figure BDA0003836946560000111
决策变量中整数变量为nm′个，非整数变量为m′个。
优选的，所述模块M3包括：构造的照射器任务规划模型为带约束的混合整数规划模型，包括约束条件、优化目标、优化变量；
其中，约束条件包括照射空间约束及照射时间约束两类；
(1)照射空间约束：
1)在照射时段
Figure BDA0003836946560000112
内，目标处在照射器的工作方位角范围内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000113
Figure BDA0003836946560000114
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
2)在照射时段
Figure BDA0003836946560000115
内，目标处在照射器的工作俯仰角范围内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000116
Figure BDA0003836946560000117
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
3)在照射时段
Figure BDA0003836946560000118
内，目标处在照射器的作用距离范围内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000119
Figure BDA00038369465600001110
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，I1n为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
(2)照射时间约束：
1)每个目标每次只能分配一部照射器进行照射，该约束表示为：
I1n·D′-I1m′≤01m′
式中，I1n、I1m′为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
2)单部照射器同时只能照射一个目标，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600001111
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘；
函数
Figure BDA00038369465600001112
用于计算由/>
Figure BDA00038369465600001113
与/>
Figure BDA00038369465600001114
任意行对应元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内各非零时段元素/>
Figure BDA0003836946560000121
与Ci内所有时段元素交叉的次数qij，该行元素间的最大交叉次数/>
Figure BDA0003836946560000122
遍历各行，输出计算结果向量
Figure BDA0003836946560000123
I1n为元素全为1的向量，01n为n维零向量；
3)选择的武器发射时间在发射窗口内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000124
Figure BDA0003836946560000125
4)照射器前后照射任务之间留有准备时间，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000126
式中，函数
Figure BDA0003836946560000127
用于计算由/>
Figure BDA0003836946560000128
与/>
Figure BDA0003836946560000129
任意行中对应位置的元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内元素按照开始照射时间由小到大排序，对于Ci内非零时段元素个数为li，对于任意非零时段元素/>
Figure BDA00038369465600001210
Ci内所有元素中，开始时间/>
Figure BDA00038369465600001211
与Cij的结束时间/>
Figure BDA00038369465600001212
差值大于Δt的时段元素个数q′ij，Δt为照射准备时间，函数计算输出的结果为：/>
Figure BDA00038369465600001213
I′nm′为n×m′维矩阵，各行为[0 … 0 li-1 li-2 … 0]m′；
任务规划模型的优化目标表示为：
Figure BDA00038369465600001214
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，算子//代表两个同维矩阵或向量相同位置的非零元素相除，优化目标为尽可能多的目标被安排照射，且照射时间尽可能早，以保证武器系统尽早有效拦截目标；
照射器任务规划模型的优化变量表示为：
全局优化变量为：
Figure BDA00038369465600001215
其中，单目标-照射器-照射时段配对表示为：
Figure BDA00038369465600001216
多约束下的照射器任务规划模型表示如下：
Figure BDA0003836946560000131
优选的，所述的模块M4包括：利用遗传算法对混合整数规划模型进行求解，得到分配决策矩阵D′、D、TLch及优化变量
Figure BDA0003836946560000132
并以此推算并更新/>
Figure BDA0003836946560000133
与/>
Figure BDA0003836946560000134
得到本次计算的照射任务规划结果，即各照射器的任务序列，并作为输入进入下一轮任务规划。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)相比现有传统方法，本发明方法尤其针对舰空导弹的飞行末段进行照射任务规划，可实现机械式照射器分时照射控制，提高照射资源利用率，提升舰空导弹武器系统的多目标作战效能；
(2)本发明建立的照射任务规划模型，根据照射资源状态及目标预估信息合理配置“目标-照射器-照射时段”，以“尽可能多的目标被安排照射，且拦截时间尽可能早”设计优化目标，实现优化选取照射时间、优化多目标同时服务能力，同时可为拦截导弹发射时机选取及发射决策提供辅助参考；
(3)本发明建立的照射任务规划模型，以照射器的已安排任务序列作为一项输入，能够保证本方法可以在一定的动态条件下实施在线任务规划；
(4)相比其他方法，本发明方法建立在考虑实际约束条件的基础上，具备普适性、扩展性及工程可行性，可用于单舰、编队照射器多目标全程照射或分时照射分配场景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的照射器任务规划流程图；
图2是照射制导过程空间关系图；
图3是照射器工作范围示意图；
图4是本发明的照射任务序列示意图。
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。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明的一种水面舰艇照射器任务规划方法，在考虑多种约束的情况下，结合目标参数、武器拦截解算参数以及照射器参数及状态等信息，对威胁目标进行照射分配，并对照射任务时序进行规划，形成照射器任务序列，可实现照射器的分时照射，提高武器系统的多目标能力；在照射规划的过程中，可优化拦截发射时间，实现对目标的尽早拦截，为武器发射决策提供辅助参考；规划过程以照射器已规划任务序列为输入，具备动态任务规划的能力；具备普适性、扩展性及工程可行性，可用于单舰及编队照射器多目标分配场景。
结合图1，在多种约束的情况下，一种水面舰艇照射器任务规划方法，包括以下几个具体步骤：
步骤一：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列等；
步骤二：根据输入信息构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量；预测向量包括待分配照射目标相对拦截武器的预测空间向量；决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；
步骤三：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，借助步骤二构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为受约束的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；
步骤四：求解混合整数规划问题得到目标照射任务规划方案，对经由步骤三转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新照射器任务序列信息转至步骤一。
本实施例适用于处理同一水面舰艇3部照射器分配照射9个目标的应用场景，设某水面舰艇共有3部照射器IR1、IR2、IR3，9个目标为TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6、TR7、TR8、TR9。结合图1，本发明实施方式的具体说明如下：
步骤一，输入任务规划解算需要的基本参数，n＝3、m＝m′＝9，目标的RCSσTR＝2m2、速度均为300m/s。目标均匀分布从多个方向同时来袭，当前均距离水面舰艇250km；
拦截武器的平均飞行速度vD＝900m/s；对目标TR1～TR9的拦截窗口均为[30,600]。
各照射器的最大作用距离200km，典型探测RCSσIR＝2m2，安装高度hIR＝20m，高限角
Figure BDA0003836946560000151
及低限角/>
Figure BDA0003836946560000152
已安排任务为空。假设照射器IR1起始与终止工作方位角
Figure BDA0003836946560000153
及/>
Figure BDA0003836946560000154
照射器IR2起始与终止工作方位角/>
Figure BDA0003836946560000155
及/>
Figure BDA0003836946560000156
照射器IR3起始与终止工作方位角/>
Figure BDA0003836946560000157
及/>
Figure BDA0003836946560000158
步骤二，根据输入信息构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，
Figure BDA0003836946560000159
Figure BDA00038369465600001510
Figure BDA00038369465600001511
Figure BDA00038369465600001512
Figure BDA00038369465600001513
预测向量
Figure BDA00038369465600001514
均为9维行向量；
决策矩阵D′、D、
Figure BDA00038369465600001515
均为3x9维，决策向量TLch为9维行向量。
步骤三，根据步骤二构建的矩阵及向量，构建带约束的混合整数规划模型，决策变量中整数变量为27个，非整数变量为9个；
步骤四，取
Figure BDA00038369465600001516
利用遗传算法求解步骤三的混合整数规划模型，X为36维行向量，结果为：
Figure BDA0003836946560000161
TLch＝[30.0 52.8 73.7 30.0 52.8 73.7 30.0 52.8 73.7]
进而，
Figure BDA0003836946560000162
Figure BDA0003836946560000163
各照射器形成的照射任务方案序列为：
{(IR1,TR1,[210.0,230.8])，(IR1,TR2,[232.0,253.6])，(IR1,TR3,[255.6,276.4])}
{(IR2,TR4,[210.0,230.8])，(IR2,TR5,[232.0,253.6])，(IR2,TR6,[255.6,276.4])}
{(IR3,TR7,[210.0,230.8])，(IR3,TR8,[232.0,253.6])，(IR3,TR9,[255.6,276.4])}
并以此作为一项输入进入下一轮规划。
根据本发明提供的水面舰艇照射器任务规划系统，包括：模块M1：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列；模块M2：根据输入的基本参数构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量，预测向量包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测空间向量，决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；模块M3：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，基于构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为多约束下的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；模块M4：求解混合整数规划问题得到照射器照射任务规划方案，对转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新各照射器任务序列信息，判断任务规划是否结束，若否则返回模块M1继续执行。
所述模块M1包括：输入的威胁目标为TR＝{TR1,TR2,…,TRm}，m为威胁目标数量，其中待照射分配的目标数量为m′；输入的照射器为IR＝{IR1,IR2,…,IRn}，n为照射器数量；输入的威胁目标参数列表信息包含各威胁目标当前在舰艇地理系位置PTR、速度vTR、雷达截面积RCS值σTR，威胁目标参数列表按照威胁值从大到小排列；拦截武器对目标的拦截解算参数信息包括拦截武器的平均飞行速度vD、对目标的发射时间窗口起始与终止
Figure BDA0003836946560000171
各照射器的空间工作范围信息包括各照射器的起始与终止工作方位角/>
Figure BDA0003836946560000172
及/>
Figure BDA0003836946560000173
高低限角
Figure BDA0003836946560000174
及/>
Figure BDA0003836946560000175
最大作用距离/>
Figure BDA0003836946560000176
及典型RCS值σIR、安装高度hIR、导引头开机距离rsk；各照射器的已安排的任务序列信息包括各照射器已经安排的照射任务的开始时间/>
Figure BDA0003836946560000177
结束时间/>
Figure BDA0003836946560000178
所述模块M2包括：计算矩阵与向量由模块M1的输入信息赋值确定，包含武器对待分配照射目标的拦截开始及结束发射时间向量
Figure BDA0003836946560000179
与/>
Figure BDA00038369465600001710
照射器工作起始与结束方位角向量/>
Figure BDA00038369465600001711
与/>
Figure BDA00038369465600001712
照射器工作高限角向量/>
Figure BDA00038369465600001713
与低限角向量/>
Figure BDA00038369465600001714
及照射器对目标的最大工作距离矩阵/>
Figure BDA00038369465600001715
计算矩阵与向量构建如下：
Figure BDA00038369465600001716
Figure BDA00038369465600001717
Figure BDA00038369465600001718
Figure BDA00038369465600001719
为n×m′维，式中，/>
Figure BDA00038369465600001720
为照射器IRi对目标TRj的最大照射距离，/>
Figure BDA00038369465600001721
Figure BDA00038369465600001722
为目标TRj飞行高度，/>
Figure BDA00038369465600001723
为照射器IRi的安装高度；
预测向量由模块M1的输入信息推算构建，表征目标的预估信息，包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测开始照射方位角向量
Figure BDA00038369465600001724
与预测结束照射方位角向量/>
Figure BDA00038369465600001725
预测开始照射俯仰角向量/>
Figure BDA00038369465600001726
与预测结束照射俯仰角向量/>
Figure BDA00038369465600001727
预测开始照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600001728
与预测结束照射距离向量/>
Figure BDA00038369465600001729
预测向量构建如下：
Figure BDA00038369465600001730
其中/>
Figure BDA00038369465600001731
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000181
及结束照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000182
舰艇与目标的距离，x由决策矩阵D确定，/>
Figure BDA0003836946560000183
按下式计算：
Figure BDA0003836946560000184
Figure BDA0003836946560000185
Figure BDA0003836946560000186
Figure BDA0003836946560000187
其中/>
Figure BDA0003836946560000188
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA0003836946560000189
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600001810
目标相对舰艇的方位角，/>
Figure BDA00038369465600001811
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600001812
Figure BDA00038369465600001813
其中/>
Figure BDA00038369465600001814
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure BDA00038369465600001815
及结束照射时刻/>
Figure BDA00038369465600001816
目标相对舰船的俯仰角，/>
Figure BDA00038369465600001817
按照下式计算：
Figure BDA00038369465600001818
决策矩阵与向量通过输入信息构建，作为任务规划的输出，包含待照射分配目标的分配决策矩阵D′、拦截发射时间向量TLch，全部威胁目标的分配决策矩阵D、照射开始与结束时间矩阵
Figure BDA00038369465600001819
与/>
Figure BDA00038369465600001820
决策矩阵与向量构建如下：
Figure BDA00038369465600001821
为待分配决策矩阵，n×m′维；
Figure BDA00038369465600001822
为全部目标分配决策矩阵，n×m维；
式中，dij＝0或1，dij＝1代表照射器IRi被分配对目标TRj进行照射，否则照射器IRi未被分配对目标TRj进行照射；
Figure BDA00038369465600001823
Figure BDA00038369465600001824
为目标TRj被安排拦截发射时间；
Figure BDA0003836946560000191
均为n×m维，每一行按照/>
Figure BDA0003836946560000192
由小到大排序，其中1～m′为已分配照射的目标，m′+1～m列为未分配的目标；式中，
Figure BDA0003836946560000193
分别为照射器IRi对目标TRj照射的开始照射时间及结束照射时间，/>
Figure BDA0003836946560000194
且/>
Figure BDA0003836946560000195
表示，照射器IRi被分配对目标TRj照射，否则IRi未分配对目标TRj照射；/>
Figure BDA0003836946560000196
Figure BDA0003836946560000197
由拦截发射时间计算，取值如下：
Figure BDA0003836946560000198
Figure BDA0003836946560000199
式中，rTR＝||PTR||为当前目标TRj与舰艇平台的距离，t0为当前时刻；选取D′与TLch为优化过程中的主要决策量，获取D′与TLch之后可更新数据得到D和
Figure BDA00038369465600001910
决策变量中整数变量为nm′个，非整数变量为m′个。
所述模块M3包括：构造的照射器任务规划模型为带约束的混合整数规划模型，包括约束条件、优化目标、优化变量；
其中，约束条件包括照射空间约束及照射时间约束两类；
(1)照射空间约束：
1)在照射时段
Figure BDA00038369465600001911
内，目标处在照射器的工作方位角范围内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600001912
Figure BDA00038369465600001913
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
2)在照射时段
Figure BDA00038369465600001914
内，目标处在照射器的工作俯仰角范围内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600001915
Figure BDA00038369465600001916
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
3)在照射时段
Figure BDA0003836946560000201
内，目标处在照射器的作用距离范围内，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000202
Figure BDA0003836946560000203
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，I1n为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
(2)照射时间约束：
1)每个目标每次只能分配一部照射器进行照射，该约束表示为：
I1n·D′-I1m′≤01m′
式中，I1n、I1m′为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
2)单部照射器同时只能照射一个目标，该约束表示为：
Figure BDA0003836946560000204
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘；
函数
Figure BDA0003836946560000205
用于计算由/>
Figure BDA0003836946560000206
与/>
Figure BDA0003836946560000207
任意行对应元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内各非零时段元素/>
Figure BDA0003836946560000208
与Ci内所有时段元素交叉的次数qij，该行元素间的最大交叉次数/>
Figure BDA0003836946560000209
遍历各行，输出计算结果向量
Figure BDA00038369465600002010
I1n为元素全为1的向量，01n为n维零向量；
3)选择的武器发射时间在发射窗口内，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600002011
/>
Figure BDA00038369465600002012
4)照射器前后照射任务之间留有准备时间，该约束表示为：
Figure BDA00038369465600002013
式中，函数
Figure BDA00038369465600002014
用于计算由/>
Figure BDA00038369465600002015
与/>
Figure BDA00038369465600002016
任意行中对应位置的元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内元素按照开始照射时间由小到大排序，对于Ci内非零时段元素个数为li，对于任意非零时段元素/>
Figure BDA00038369465600002017
Ci内所有元素中，开始时间/>
Figure BDA00038369465600002018
与Cij的结束时间/>
Figure BDA00038369465600002019
差值大于Δt的时段元素个数q′ij，Δt为照射准备时间，函数计算输出的结果为：
Figure BDA0003836946560000211
I′nm′为n×m′维矩阵，各行为[0 … 0 li-1 li-2 … 0]m′；
任务规划模型的优化目标表示为：
Figure BDA0003836946560000212
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，算子//代表两个同维矩阵或向量相同位置的非零元素相除，优化目标为尽可能多的目标被安排照射，且照射时间尽可能早，以保证武器系统尽早有效拦截目标；
照射器任务规划模型的优化变量表示为：
全局优化变量为：
Figure BDA0003836946560000213
其中，单目标-照射器-照射时段配对表示为：
Figure BDA0003836946560000214
多约束下的照射器任务规划模型表示如下：
Figure BDA0003836946560000215
所述的模块M4包括：利用遗传算法对混合整数规划模型进行求解，得到分配决策矩阵D′、D、TLch及优化变量
Figure BDA0003836946560000216
并以此推算并更新/>
Figure BDA0003836946560000217
与/>
Figure BDA0003836946560000218
得到本次计算的照射任务规划结果，即各照射器的任务序列，并作为输入进入下一轮任务规划。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种水面舰艇照射器任务规划方法，其特征在于，包括：
步骤1：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列；
步骤2：根据输入的基本参数构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量，预测向量包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测空间向量，决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；
步骤3：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，基于构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为多约束下的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；
步骤4：求解混合整数规划问题得到照射器照射任务规划方案，对转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新各照射器任务序列信息，判断任务规划是否结束，若否则返回步骤1继续执行。
2.根据权利要求1所述的水面舰艇照射器任务规划方法，其特征在于，所述步骤1包括：输入的威胁目标为TR＝{TR1,TR2,…,TRm}，m为威胁目标数量，其中待照射分配的目标数量为m′；输入的照射器为IR＝{IR1,IR2,…,IRn}，n为照射器数量；输入的威胁目标参数列表信息包含各威胁目标当前在舰艇地理系位置PTR、速度vTR、雷达截面积RCS值σTR，威胁目标参数列表按照威胁值从大到小排列；拦截武器对目标的拦截解算参数信息包括拦截武器的平均飞行速度vD、对目标的发射时间窗口起始与终止
Figure FDA0003836946550000011
各照射器的空间工作范围信息包括各照射器的起始与终止工作方位角/>
Figure FDA0003836946550000012
及/>
Figure FDA0003836946550000013
高低限角/>
Figure FDA0003836946550000014
及/>
Figure FDA0003836946550000015
最大作用距离
Figure FDA0003836946550000016
及典型RCS值σIR、安装高度hIR、导引头开机距离rsk；各照射器的已安排的任务序列信息包括各照射器已经安排的照射任务的开始时间/>
Figure FDA0003836946550000017
结束时间/>
Figure FDA0003836946550000018
3.根据权利要求2所述的水面舰艇照射器任务规划方法，其特征在于，所述步骤2包括：计算矩阵与向量由步骤1的输入信息赋值确定，包含武器对待分配照射目标的拦截开始及结束发射时间向量
Figure FDA0003836946550000019
与/>
Figure FDA00038369465500000110
照射器工作起始与结束方位角向量/>
Figure FDA00038369465500000111
与/>
Figure FDA00038369465500000112
照射器工作高限角向量/>
Figure FDA0003836946550000021
与低限角向量/>
Figure FDA0003836946550000022
及照射器对目标的最大工作距离矩阵/>
Figure FDA0003836946550000023
计算矩阵与向量构建如下：
Figure FDA0003836946550000024
Figure FDA0003836946550000025
Figure FDA0003836946550000026
Figure FDA0003836946550000027
为n×m′维，式中，/>
Figure FDA0003836946550000028
为照射器IRi对目标TRj的最大照射距离，/>
Figure FDA0003836946550000029
Figure FDA00038369465500000210
为目标TRj飞行高度，/>
Figure FDA00038369465500000211
为照射器IRi的安装高度；
预测向量由步骤1的输入信息推算构建，表征目标的预估信息，包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测开始照射方位角向量
Figure FDA00038369465500000212
与预测结束照射方位角向量/>
Figure FDA00038369465500000213
预测开始照射俯仰角向量/>
Figure FDA00038369465500000214
与预测结束照射俯仰角向量/>
Figure FDA00038369465500000215
预测开始照射距离向量/>
Figure FDA00038369465500000216
与预测结束照射距离向量/>
Figure FDA00038369465500000217
预测向量构建如下：
Figure FDA00038369465500000218
其中/>
Figure FDA00038369465500000219
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000220
及结束照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000221
舰艇与目标的距离，x由决策矩阵D确定，/>
Figure FDA00038369465500000222
按下式计算：
Figure FDA00038369465500000223
Figure FDA00038369465500000224
Figure FDA00038369465500000225
Figure FDA00038369465500000226
其中/>
Figure FDA00038369465500000227
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000228
及结束照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000229
目标相对舰艇的方位角，/>
Figure FDA00038369465500000230
按照下式计算：
Figure FDA00038369465500000231
Figure FDA0003836946550000031
其中/>
Figure FDA0003836946550000032
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA0003836946550000033
及结束照射时刻/>
Figure FDA0003836946550000034
目标相对舰船的俯仰角，/>
Figure FDA0003836946550000035
按照下式计算：
Figure FDA0003836946550000036
决策矩阵与向量通过输入信息构建，作为任务规划的输出，包含待照射分配目标的分配决策矩阵D′、拦截发射时间向量TLch，全部威胁目标的分配决策矩阵D、照射开始与结束时间矩阵
Figure FDA0003836946550000037
与/>
Figure FDA0003836946550000038
决策矩阵与向量构建如下：
Figure FDA0003836946550000039
为待分配决策矩阵，n×m′维；
Figure FDA00038369465500000310
为全部目标分配决策矩阵，n×m维；
式中，dij＝0或1，dij＝1代表照射器IRi被分配对目标TRj进行照射，否则照射器IRi未被分配对目标TRj进行照射；
Figure FDA00038369465500000311
Figure FDA00038369465500000312
为目标TRj被安排拦截发射时间；
Figure FDA00038369465500000313
均为n×m维，每一行按照
Figure FDA00038369465500000314
由小到大排序，其中1～m′为已分配照射的目标，m′+1～m列为未分配的目标；式中，
Figure FDA00038369465500000315
分别为照射器IRi对目标TRj照射的开始照射时间及结束照射时间，/>
Figure FDA00038369465500000316
且/>
Figure FDA00038369465500000317
表示，照射器IRi被分配对目标TRj照射，否则IRi未分配对目标TRj照射；/>
Figure FDA00038369465500000318
Figure FDA00038369465500000319
由拦截发射时间计算，取值如下：
Figure FDA0003836946550000041
Figure FDA0003836946550000042
式中，rTR＝||PTR||为当前目标TRj与舰艇平台的距离，t0为当前时刻；选取D′与TLch为优化过程中的主要决策量，获取D′与TLch之后可更新数据得到D和
Figure FDA00038369465500000413
决策变量中整数变量为nm′个，非整数变量为m′个。
4.根据权利要求3所述的水面舰艇照射器任务规划方法，其特征在于，所述步骤3包括：构造的照射器任务规划模型为带约束的混合整数规划模型，包括约束条件、优化目标、优化变量；
其中，约束条件包括照射空间约束及照射时间约束两类；
(1)照射空间约束：
1)在照射时段
Figure FDA0003836946550000044
内，目标处在照射器的工作方位角范围内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000045
Figure FDA0003836946550000046
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
2)在照射时段
Figure FDA0003836946550000047
内，目标处在照射器的工作俯仰角范围内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000048
Figure FDA0003836946550000049
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
3)在照射时段
Figure FDA00038369465500000410
内，目标处在照射器的作用距离范围内，该约束表示为：
Figure FDA00038369465500000411
Figure FDA00038369465500000412
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，I1n为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
(2)照射时间约束：
1)每个目标每次只能分配一部照射器进行照射，该约束表示为：
I1n·D′-I1m′≤01m′
式中，I1n、I1m′为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
2)单部照射器同时只能照射一个目标，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000051
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘；
函数
Figure FDA0003836946550000052
用于计算由/>
Figure FDA0003836946550000053
与/>
Figure FDA0003836946550000054
任意行对应元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内各非零时段元素/>
Figure FDA0003836946550000055
与Ci内所有时段元素交叉的次数qij，该行元素间的最大交叉次数/>
Figure FDA0003836946550000056
遍历各行，输出计算结果向量
Figure FDA0003836946550000057
I1n为元素全为1的向量，01n为n维零向量；
3)选择的武器发射时间在发射窗口内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000058
Figure FDA0003836946550000059
4)照射器前后照射任务之间留有准备时间，该约束表示为：
Figure FDA00038369465500000510
式中，函数
Figure FDA00038369465500000511
用于计算由/>
Figure FDA00038369465500000512
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Figure FDA00038369465500000513
任意行中对应位置的元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内元素按照开始照射时间由小到大排序，对于Ci内非零时段元素个数为li，对于任意非零时段元素/>
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与Cij的结束时间/>
Figure FDA00038369465500000516
差值大于Δt的时段元素个数q′ij，Δt为照射准备时间，函数计算输出的结果为：
Figure FDA00038369465500000517
I′nm′为n×m′维矩阵，各行为[0…0 li-1 li-2…0]m′；
任务规划模型的优化目标表示为：
Figure FDA00038369465500000518
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，算子//代表两个同维矩阵或向量相同位置的非零元素相除，优化目标为尽可能多的目标被安排照射，且照射时间尽可能早，以保证武器系统尽早有效拦截目标；
照射器任务规划模型的优化变量表示为：
全局优化变量为：
Figure FDA0003836946550000061
其中，单目标-照射器-照射时段配对表示为：
Figure FDA0003836946550000062
多约束下的照射器任务规划模型表示如下：
Figure FDA0003836946550000063
5.根据权利要求4所述的水面舰艇照射器任务规划方法，其特征在于，所述的步骤4包括：利用遗传算法对混合整数规划模型进行求解，得到分配决策矩阵D′、D、TLch及优化变量
Figure FDA0003836946550000064
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Figure FDA0003836946550000066
得到本次计算的照射任务规划结果，即各照射器的任务序列，并作为输入进入下一轮任务规划。
6.一种水面舰艇照射器任务规划系统，其特征在于，包括：
模块M1：输入任务规划解算需要的基本参数，包括威胁目标参数列表、拦截武器对目标的拦截参数、各照射器的空间工作范围及已安排的任务序列；
模块M2：根据输入的基本参数构建计算矩阵与向量、预测向量及决策矩阵与向量，计算矩阵与向量包含武器对待分配照射目标的拦截发射时间向量、照射器工作空间矩阵与向量，预测向量包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测空间向量，决策矩阵与向量包含待照射分配目标的分配决策矩阵、照射时间矩阵、武器拦截发射时间向量；
模块M3：构建照射器照射任务规划数学模型，针对待照射任务分配的威胁目标，基于构建的矩阵与向量信息，将多照射器照射任务规划问题转换为多约束下的混合整数规划问题，建立照射任务分配的优化目标及约束条件，构建照射任务规划问题数学模型；
模块M4：求解混合整数规划问题得到照射器照射任务规划方案，对转换而来的混合整数规划问题进行求解，得到优化目标下的照射任务规划结果，即各照射器照射任务序列，更新各照射器任务序列信息，判断任务规划是否结束，若否则返回模块M1继续执行。
7.根据权利要求6所述的水面舰艇照射器任务规划系统，其特征在于，所述模块M1包括：输入的威胁目标为TR＝{TR1,TR2,…,TRm}，m为威胁目标数量，其中待照射分配的目标数量为m′；输入的照射器为IR＝{IR1,IR2,…,IRn}，n为照射器数量；输入的威胁目标参数列表信息包含各威胁目标当前在舰艇地理系位置PTR、速度vTR、雷达截面积RCS值σTR，威胁目标参数列表按照威胁值从大到小排列；拦截武器对目标的拦截解算参数信息包括拦截武器的平均飞行速度vD、对目标的发射时间窗口起始与终止
Figure FDA0003836946550000071
各照射器的空间工作范围信息包括各照射器的起始与终止工作方位角/>
Figure FDA0003836946550000072
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Figure FDA0003836946550000073
高低限角/>
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最大作用距离
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及典型RCS值σIR、安装高度hIR、导引头开机距离rsk；各照射器的已安排的任务序列信息包括各照射器已经安排的照射任务的开始时间/>
Figure FDA0003836946550000077
结束时间/>
Figure FDA0003836946550000078
8.根据权利要求7所述的水面舰艇照射器任务规划系统，其特征在于，所述模块M2包括：计算矩阵与向量由模块M1的输入信息赋值确定，包含武器对待分配照射目标的拦截开始及结束发射时间向量
Figure FDA0003836946550000079
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及照射器对目标的最大工作距离矩阵/>
Figure FDA00038369465500000715
计算矩阵与向量构建如下：
Figure FDA00038369465500000716
Figure FDA00038369465500000717
Figure FDA00038369465500000718
Figure FDA0003836946550000081
为n×m′维，式中，/>
Figure FDA0003836946550000082
为照射器IRi对目标TRj的最大照射距离，/>
Figure FDA0003836946550000083
Figure FDA0003836946550000084
为目标TRj飞行高度，/>
Figure FDA0003836946550000085
为照射器IRi的安装高度；
预测向量由模块M1的输入信息推算构建，表征目标的预估信息，包括待分配照射目标相对舰艇平台的预测开始照射方位角向量
Figure FDA0003836946550000086
与预测结束照射方位角向量/>
Figure FDA0003836946550000087
预测开始照射俯仰角向量/>
Figure FDA0003836946550000088
与预测结束照射俯仰角向量/>
Figure FDA0003836946550000089
预测开始照射距离向量/>
Figure FDA00038369465500000810
与预测结束照射距离向量/>
Figure FDA00038369465500000811
预测向量构建如下：
Figure FDA00038369465500000812
其中/>
Figure FDA00038369465500000813
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000814
及结束照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000815
舰艇与目标的距离，x由决策矩阵D确定，/>
Figure FDA00038369465500000816
按下式计算：
Figure FDA00038369465500000817
Figure FDA00038369465500000818
Figure FDA00038369465500000819
Figure FDA00038369465500000820
其中/>
Figure FDA00038369465500000821
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000822
及结束照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000823
目标相对舰艇的方位角，/>
Figure FDA00038369465500000824
按照下式计算：
Figure FDA00038369465500000825
Figure FDA00038369465500000826
其中/>
Figure FDA00038369465500000827
分别为目标TRj开始照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000828
及结束照射时刻/>
Figure FDA00038369465500000829
目标相对舰船的俯仰角，/>
Figure FDA00038369465500000830
按照下式计算：
Figure FDA00038369465500000831
决策矩阵与向量通过输入信息构建，作为任务规划的输出，包含待照射分配目标的分配决策矩阵D′、拦截发射时间向量TLch，全部威胁目标的分配决策矩阵D、照射开始与结束时间矩阵
Figure FDA0003836946550000091
与/>
Figure FDA0003836946550000092
决策矩阵与向量构建如下：
Figure FDA0003836946550000093
为待分配决策矩阵，n×m′维；
Figure FDA0003836946550000094
为全部目标分配决策矩阵，n×m维；
式中，dij＝0或1，dij＝1代表照射器IRi被分配对目标TRj进行照射，否则照射器IRi未被分配对目标TRj进行照射；
Figure FDA0003836946550000095
Figure FDA0003836946550000096
为目标TRj被安排拦截发射时间；
Figure FDA0003836946550000097
均为n×m维，每一行按照
Figure FDA0003836946550000098
由小到大排序，其中1～m′为已分配照射的目标，m′+1～m列为未分配的目标；式中，
Figure FDA0003836946550000099
分别为照射器IRi对目标TRj照射的开始照射时间及结束照射时间，/>
Figure FDA00038369465500000910
且/>
Figure FDA00038369465500000911
表示，照射器IRi被分配对目标TRj照射，否则IRi未分配对目标TRj照射；/>
Figure FDA00038369465500000912
Figure FDA00038369465500000913
由拦截发射时间计算，取值如下：
Figure FDA00038369465500000914
Figure FDA00038369465500000915
式中，rTR＝||PTR||为当前目标TRj与舰艇平台的距离，t0为当前时刻；选取D′与TLch为优化过程中的主要决策量，获取D′与TLch之后可更新数据得到D和
Figure FDA00038369465500000916
决策变量中整数变量为nm′个，非整数变量为m′个。
9.根据权利要求8所述的水面舰艇照射器任务规划系统，其特征在于，所述模块M3包括：构造的照射器任务规划模型为带约束的混合整数规划模型，包括约束条件、优化目标、优化变量；
其中，约束条件包括照射空间约束及照射时间约束两类；
(1)照射空间约束：
1)在照射时段
Figure FDA0003836946550000101
内，目标处在照射器的工作方位角范围内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000102
Figure FDA0003836946550000103
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
2)在照射时段
Figure FDA0003836946550000104
内，目标处在照射器的工作俯仰角范围内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000105
Figure FDA0003836946550000106
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，01m′为m′维零向量；
3)在照射时段
Figure FDA0003836946550000107
内，目标处在照射器的作用距离范围内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000108
Figure FDA0003836946550000109
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，I1n为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
(2)照射时间约束：
1)每个目标每次只能分配一部照射器进行照射，该约束表示为：
I1n·D′-I1m′≤01m′
式中，I1n、I1m′为元素均为1的行向量，01m′为m′维零向量；
2)单部照射器同时只能照射一个目标，该约束表示为：
Figure FDA00038369465500001010
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘；
函数
Figure FDA00038369465500001011
用于计算由/>
Figure FDA00038369465500001012
与/>
Figure FDA00038369465500001013
任意行对应元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内各非零时段元素/>
Figure FDA0003836946550000111
与Ci内所有时段元素交叉的次数qij，该行元素间的最大交叉次数/>
Figure FDA0003836946550000112
遍历各行，输出计算结果向量
Figure FDA0003836946550000113
I1n为元素全为1的向量，01n为n维零向量；
3)选择的武器发射时间在发射窗口内，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000114
Figure FDA0003836946550000115
4)照射器前后照射任务之间留有准备时间，该约束表示为：
Figure FDA0003836946550000116
式中，函数
Figure FDA0003836946550000117
用于计算由/>
Figure FDA0003836946550000118
与/>
Figure FDA0003836946550000119
任意行中对应位置的元素构成的照射任务时段集合为Ci，Ci内元素按照开始照射时间由小到大排序，对于Ci内非零时段元素个数为li，对于任意非零时段元素/>
Figure FDA00038369465500001110
Ci内所有元素中，开始时间/>
Figure FDA00038369465500001111
与Cij的结束时间/>
Figure FDA00038369465500001112
差值大于Δt的时段元素个数q′ij，Δt为照射准备时间，函数计算输出的结果为：
Figure FDA00038369465500001113
I′nm′为n×m′维矩阵，各行为[0…0 li-1 li-2…0]m′；
任务规划模型的优化目标表示为：
Figure FDA00038369465500001114
式中，算子*代表两个同维矩阵或向量相同位置的元素相乘，算子//代表两个同维矩阵或向量相同位置的非零元素相除，优化目标为尽可能多的目标被安排照射，且照射时间尽可能早，以保证武器系统尽早有效拦截目标；
照射器任务规划模型的优化变量表示为：
全局优化变量为：
Figure FDA00038369465500001115
其中，单目标-照射器-照射时段配对表示为：
Figure FDA00038369465500001116
多约束下的照射器任务规划模型表示如下：
Figure FDA0003836946550000121
10.根据权利要求9所述的水面舰艇照射器任务规划系统，其特征在于，所述的模块M4包括：利用遗传算法对混合整数规划模型进行求解，得到分配决策矩阵D′、D、TLch及优化变量
Figure FDA0003836946550000122
并以此推算并更新/>
Figure FDA0003836946550000123
与/>
Figure FDA0003836946550000124
得到本次计算的照射任务规划结果，即各照射器的任务序列，并作为输入进入下一轮任务规划。/>
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117371256A (zh) * 2023-12-07 2024-01-09 中国人民解放军海军航空大学 一种多类型多数量平台部署设置方案规划方法
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