CN116909311A - 一种分布式弹群对海作战打击角决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式弹群对海作战打击角决策方法，涉及对海作战的导弹打击技术领域，包括导弹打击角度决策算法和导弹打击角度冲突自我解除算法，各分布式导弹之间能进行信息交互；导弹打击角度决策算法包括：随机生成四个打击角度，根据导弹当前状态数据、最小转弯半径约束和打击角度，分别计算得到四个Dubins最短距离，从四个Dubins最短距离中选取最短距离所对应的打击角度作为导弹的打击角度；导弹打击角度冲突自我解除算法包括：计算相邻角度间隔，根据相邻角度间隔和安全角度间隔，判断是否存在导弹打击角度冲突，最终得到不会冲突的打击角度。本发明在分布式弹群中实现了每个导弹的自主决策和冲突解除，具备决策算法简洁高效、计算量小的优势。

Description

一种分布式弹群对海作战打击角决策方法

技术领域

本发明涉及对海作战的导弹打击技术领域，具体而言，涉及一种分布式弹群对海作战打击角决策方法。

背景技术

在分布式反舰导弹对海作战的背景下，分布式弹群攻击角协同决策具有极其重要的技术背景和战略意义。现代海上战争环境中，敌方舰船防御系统的威胁日益严峻，对弹群的生存能力和打击效果提出了更高的要求。为了成功打击舰船目标并提高弹群的生存能力，需要在复杂的作战环境中，根据导弹状态和最小转弯半径，有效地规划攻击角度，以避开敌方舰船的强威胁区。

导弹攻击角度决策的重要性体现在几个方面。首先，通过合理选择攻击角度，可以最大程度地提高弹群的生存能力。通过避开敌方舰船的防御火力覆盖范围，减小弹群受到敌方拦截的风险，增加弹群成功突防的机会。其次，攻击角度的决策直接影响着导弹的命中效果。通过精确计算导弹的入射角度和攻击方位，可以提高打击目标的精准度，增加命中的可能性，有效削弱敌方舰船的作战能力。

传统方法通过指挥控制中心利用智能算法如遗传算法、粒子群算法进行集中决策，然后发送指令给弹群。该集中式方法在战场环境中存在时效性差、通信交互压力大等缺点，难以满足动态战场环境作战需求。

发明内容

为使分布式弹群中每个导弹均具有自主决策和冲突解除能力，本发明在于提供一种分布式弹群对海作战打击角决策方法。

为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

一种分布式弹群对海作战打击角决策方法，由各分布式导弹自身执行决策控制算法，各分布式导弹之间能进行包括打击角度信息在内的信息交互，决策控制算法包括以下步骤：

S1、导弹打击角度决策，具体包括以下步骤：

S11、从四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}分别随机生成四个打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，Θ₁为舰船左前方低威胁攻击角区间，Θ₂为舰船右前方低威胁攻击角区间，Θ₃为舰船左后方低威胁攻击角区间，Θ₄为舰船右后方低威胁攻击角区间；

S12、根据四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}对应的导弹当前状态数据、最小转弯半径约束和打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，分别计算得到Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}；

S13、从Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}中选取最短距离所对应的打击角度作为导弹的打击角度θ_h；

S2、导弹打击角度冲突自我解除，具体包括以下步骤：

S21、计算相邻角度间隔Δθ₁＝θ_h-θ_l,Δθ₂＝θ_r-θ_h，其中，θ_l为小于打击角度θ_h的最大角度，θ_r为大于打击角度θ_h的最小角度；

S22、如果Δθ₁＜Δθ_m或Δθ₂＜Δθ_m，则认为存在协同攻击角度冲突，继续执行步骤S23，否则认为不存在角度冲突，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，其中Δθ_m为安全角度间隔；

S23、如果θ_r-θ_l＜2Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝(θ_r-θ_l)/2，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S24；

S24、如果Δθ₁＜Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝θ_l+Δθ_m，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S25；

S25、如果Δθ₂＜Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝θ_r-Δθ_m，退出导弹打击角度冲突自我解除算法。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤S11中，Θ₁＝[θ_e,π/2-θ_p]，Θ₂＝[-θ_e,-π/2+θ_p]，Θ₃＝[π/2+θ_p,π-θ_t]，Θ₄＝[-π+θ_t,-π/2-θ_p]；舰船电子对抗波束在船首正前方，最大摆角θ_e；密集火炮阵布置在舰船中部，防御范围为船侧舷法向，最大扫射角度θ_p；导弹打击角小于侧舷弹开角θ_t，则有被船体弹开的风险，θ_t＜θ_e。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤S12中，导弹当前状态数据包括导弹当前位置坐标、导弹朝向和舰船位置坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)由分布式导弹自身进行决策控制，且决策算法简洁高效，使得导弹能够迅速做出决策，提高整体反应速度，并且计算量相对较小，减轻了系统负荷；

2)进行打击角度调整时，按照步骤S23、S24或S25在原本打击角度基础上进行小角度调整，更新后的打击角度与原打击角度相比，不存在大角度跳变，不会给控制系统带来额外挑战，通过多次信息交互，可解除整个弹群协同攻击角度冲突；

3)本发明提供了更加分散化、自主化的决策能力，减少了对中心指挥系统的依赖，提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力，每个导弹能够独立完成决策和冲突解除，减少了指挥链路的延迟，更容易实现通信交互，提升了实战应用的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，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发明实施例的技术方案，下面将对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发明的某些实施例，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是舰船威胁区示意图，避开威胁区，就是低威胁攻击角区间；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，舰船受防御系统保护，舰首存在电磁干扰，舰舷两侧有密集火炮，因此导弹打击角要避开强威胁区。此外，导弹与舰船侧舷法向若夹角大小，会被舰船弹开，导致攻击失效。设舰船电子对抗波束范围为船首正前方±θ_e，密集火炮阵防御范围为船侧舷法向±θ_p，导弹打击角与船侧舷小于θ_t有被船体弹开的风险，通常θ_t＜θ_e。以地理正东为x轴，正北为y轴，角度逆时针为正，船当前朝向为θ_s，当以船首的攻击角度为0弧度角，则舰船左前方低威胁攻击角区间为Θ₁＝[θ_e,π/2-θ_p]，舰船右前方低威胁攻击角区间为Θ₂＝[-θ_e,-π/2+θ_p]，舰船左后方低威胁攻击角区间为Θ₃＝[π/2+θ_p,π-θ_t]，舰船右后方低威胁攻击角区间为Θ₄＝[-π+θ_t,-π/2-θ_p]。舰船低威胁攻击角区间可表示为

则导弹打击角θ_h∈Θ满足打击要求。

当舰船被弹群饱和打击时，多弹同时到达舰船弹群之间打击角度之差应大于安全角度间隔Δθ_m。由于分布式弹群缺少统一决策中心，各自独立决策打击角度，当打击角度冲突时，需要解除冲突。

本发明提供一种分布式弹群对海作战打击角决策方法，由各分布式导弹自身执行决策控制算法，各分布式导弹之间能进行包括打击角度信息在内的信息交互，具体方法如下：

S1、导弹打击角度决策，具体包括以下步骤：

S11、从四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}分别随机生成四个打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，即从Θ₁＝[θ_e,π/2-θ_p]中随机选择一个打击角度θ_h1，从Θ₃＝[π/2+θ_p,π-θ_t]中随机选择一个打击角度θ_h2，从Θ₃＝[π/2+θ_p,π-θ_t]中随机选择一个打击角度θ_h3，从Θ₄＝[-π+θ_t,-π/2-θ_p]中随机选择一个打击角度θ_h4；

S12、根据四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}对应的导弹当前状态数据、最小转弯半径约束和打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，分别计算得到Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}，具体为：

根据导弹当前位置坐标(x_M,y_M)、导弹朝向θ_M、最小转弯半径约束R、舰船位置坐标(x_T,y_T)和打击角度θ_h1，生成Dubins轨迹，并获得Dubins最短距离d_h1，计算方法如下：

归一化导弹与舰船的直线距离为

以导弹与舰船连线为0度航向角，则导弹出射角和入射角的相对夹角表示为

其中mod{2π}为与2π求余函数，Dubins曲线分为三段，分别为左转(L)、直线(S)、右转(R)，三种情况按照先后顺序可得Dubins路径集合{LSL,RSR,RSL,LSR,RLR,LRL}，三段路径分别用t,p,q表示。先左转，再直行，最后左转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

先右转，再直行，最后右转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

先左转，再直行，最后右转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

先右转，再直行，最后左转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

先右转，再直行，最后右转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

q_rlr＝α-β-t_rlr+p_rlr{mod2π}

先左转，再右转，最后左转的路径，三段路径的长度和Dubins路径距离分别为

q_lrl＝β(mod2π)-α+2p_lrl{mod2π}

打击角θ_h1所对应的Dubins最短路径为

同理，可获得{d_h2,d_h3,d_h4}；四个Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}的计算条件仅打击角度不同，即打击角度分别为{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，其它的计算条件均相同，即导弹当前位置坐标、导弹朝向、最小转弯半径约束和舰船位置坐标均相同；

S13、从Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}中选取最短距离所对应的打击角度作为导弹的打击角度θ_h，即

S2、导弹打击角度冲突自我解除，具体包括以下步骤：

弹群通过信息交互，可获得执行同一打击任务弹群各自的打击角度，对弹群打击角度进行排序可获得θ_l,θ_r，其中θ_l为小于θ_h的最大角度，θ_r为大于θ_h的最小角度。当θ_l不存在时，θ_l＝-∞；当θ_r不存在时，θ_r＝∞。导弹打击角度冲突自我解除算法如下：

S21、计算相邻角度间隔Δθ₁＝θ_h-θ_l,Δθ₂＝θ_r-θ_h；

S22、如果Δθ₁＜Δθ_m或Δθ₂＜Δθ_m，则认为存在协同攻击角度冲突，继续执行步骤S23，否则认为不存在角度冲突，退出导弹打击角度冲突自我解除算法；

S23、如果θ_r-θ_l＜2Δθ_m，即相邻导弹协同攻击角小于两倍安全角度间隔，则调整打击角度为θ_h＝(θ_r-θ_l)/2，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S24；

S24、如果Δθ₁＜Δθ_m，即左侧友弹协同攻击角度小于安全攻击间隔，而右侧友弹存在安全余量，则打击角度向右调整，为θ_h＝θ_l+Δθ_m，使打击角度达到协同安全角度间隔，之后退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S25；

S25、如果Δθ₂＜Δθ_m，即右侧友弹协同攻击角度小于安全攻击间隔，而左侧友弹存在安全余量，则打击角度向左调整，为θ_h＝θ_r-Δθ_m，使打击角度达到协同安全角度间隔，之后退出导弹打击角度冲突自我解除算法。

导弹打击角度决策算法和导弹打击角度冲突自我解除算法都由分布式导弹自身进行决策控制，且决策算法简洁，不需要大量的计算优化。按照导弹打击角度冲突自我解除算法进行冲突解除，通过多次信息交互，可解除整个弹群的冲突。导弹打击角度冲突自我解除算法进行打击角度调整时，更新后的打击角度与原打击角度相比，不存在大角度跳变，不会给控制系统带来额外挑战。

本发明通过对舰船的防御布局进行分析，能实现灵活高效的导弹攻击角决策和一致性打击攻击角冲突解除的目标，能够根据敌方舰船的防御布局，按照导弹当前状态和最小转弯半径限制，快速地确定最佳的攻击角度。同时，注重弹群的一致性，确保各个导弹的攻击角度不会发生冲突，从而实现更加协同一致的打击效果。总体而言，本发明能够有效地克服分布式弹群协同对海作战中的在线自主攻击角决策问题，为现代海上战斗提供更加可靠、高效的战术支持，提升作战能力，保障我方在复杂的海战环境中取得优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (3)

1.一种分布式弹群对海作战打击角决策方法，其特征在于，由各分布式导弹自身执行决策控制算法，各分布式导弹之间能进行包括打击角度信息在内的信息交互，决策控制算法包括以下步骤：

S1、导弹打击角度决策，具体包括以下步骤：

S11、从四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}分别随机生成四个打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，Θ₁为舰船左前方低威胁攻击角区间，Θ₂为舰船右前方低威胁攻击角区间，Θ₃为舰船左后方低威胁攻击角区间，Θ₄为舰船右后方低威胁攻击角区间；

S12、根据四个舰船低威胁攻击角区间{Θ₁,Θ₂,Θ₃,Θ₄}对应的导弹当前状态数据、最小转弯半径约束和打击角度{θ_h1,θ_h2,θ_h3,θ_h4}，分别计算得到Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}；

S13、从Dubins最短距离{d_h1,d_h2,d_h3,d_h4}中选取最短距离所对应的打击角度作为导弹的打击角度θ_h；

S2、导弹打击角度冲突自我解除，具体包括以下步骤：

S21、计算相邻角度间隔Δθ₁＝θ_h-θ_l,Δθ₂＝θ_r-θ_h，其中，θ_l为小于打击角度θ_h的最大角度，θ_r为大于打击角度θ_h的最小角度；

S22、如果Δθ₁＜Δθ_m或Δθ₂＜Δθ_m，则认为存在协同攻击角度冲突，继续执行步骤S23，否则认为不存在角度冲突，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，其中Δθ_m为安全角度间隔；

S23、如果θ_r-θ_l＜2Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝(θ_r-θ_l)/2，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S24；

S24、如果Δθ₁＜Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝θ_l+Δθ_m，退出导弹打击角度冲突自我解除算法，否则执行步骤S25；

S25、如果Δθ₂＜Δθ_m，则调整打击角度为θ_h＝θ_r-Δθ_m，退出导弹打击角度冲突自我解除算法。

2.根据权利要求1所述的分布式弹群对海作战打击角决策方法，其特征在于，步骤S11中，Θ₁＝[θ_e,π/2-θ_p]，Θ₂＝[-θ_e,-π/2+θ_p]，Θ₃＝[π/2+θ_p,π-θ_t]，Θ₄＝[-π+θ_t,-π/2-θ_p]；舰船电子对抗波束在船首正前方，最大摆角θ_e；密集火炮阵布置在舰船中部，防御范围为船侧舷法向，最大扫射角度θ_p；θ_t为侧舷弹开角，若导弹打击角小于侧舷弹开角θ_t，则有被船体弹开的风险，造成攻击无效，θ_t＜θ_e。

3.根据权利要求2所述的分布式弹群对海作战打击角决策方法，其特征在于，步骤S12中，导弹当前状态数据包括导弹当前位置坐标、导弹朝向和舰船位置坐标。