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        多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷效能分析

        2013-11-09 01:44:10
        指揮控制與仿真 2013年3期
        關(guān)鍵詞:組群水雷直升機(jī)

        徐 勇

        (海軍裝備部電子部,北京 100841)

        現(xiàn)代化反水雷作戰(zhàn)是海空一體化聯(lián)合作戰(zhàn),復(fù)雜程度逐步提高,專用獵掃雷艦艇、獵掃雷直升機(jī)、作戰(zhàn)艦艇、水下無人航行器(UUV)等多種平臺(tái)實(shí)施聯(lián)合獵掃雷,涉及水下、水面、空中等多種平臺(tái)。本文針對(duì)UUV、航空反水雷直升機(jī)在反水雷作戰(zhàn)中的優(yōu)點(diǎn)[1-2],通過對(duì)搜索水雷概率模型的分析,在水雷威脅探查方案優(yōu)化方法[3-4]基礎(chǔ)上,給出多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷方案優(yōu)化模型,采用分析歸納和仿真計(jì)算手段,對(duì)多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷方案效能進(jìn)行分析,為實(shí)際作戰(zhàn)中多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷方案的制定、優(yōu)化提供決策支持。

        1 UUV組群協(xié)同搜索水雷概率模型[5]

        設(shè)整個(gè)搜索區(qū)域?yàn)镾,一般因無法確定任務(wù)區(qū)中目標(biāo)的分布規(guī)律,可認(rèn)為任務(wù)區(qū)中的目標(biāo)位置分布為無規(guī)則均勻分布,針對(duì)單UUV平臺(tái)而言,若采用平行均勻搜索模式,依隨機(jī)搜索論,對(duì)靜止水雷搜索概率為

        式中,a為搜掃面積;A為搜索區(qū)域的總面積。

        若采用隨機(jī)搜索模式,時(shí)間t內(nèi)的搜索概率為

        式中,w為聲納的作用寬度,v為搜索平臺(tái)的速度。

        在考慮UUV相對(duì)導(dǎo)航定位問題、系統(tǒng)運(yùn)行難易程度的基礎(chǔ)上,本文將UUV組群協(xié)同搜索模式分為:劃分作業(yè)區(qū)并獨(dú)立搜索不同區(qū)域模式和兩UUV并行搜索中間保留一定重疊區(qū)模式。

        2 反水雷直升機(jī)搜索水雷概率模型

        假設(shè)矩形搜索區(qū)域被分割為寬為s,長度為b的n條平行搜索帶,那么搜索區(qū)域的面積A=nsb。假設(shè)反水雷直升機(jī)在每一搜索帶內(nèi)都沿搜索帶中心線進(jìn)行均勻搜索,搜索寬度為wk,wk<s。假定探測聲納對(duì)水雷的識(shí)別概率為p0,則每一搜索帶進(jìn)行n0遍搜索探測聲納對(duì)水雷的識(shí)別概率為

        依隨機(jī)搜索理論,對(duì)指定區(qū)域內(nèi)靜止水雷的搜索概率同式(1)。

        3 UUV組群與反水雷直升機(jī)協(xié)同搜索水雷概率模型

        對(duì)于不同海深的水雷目標(biāo),UUV組群最簡單的協(xié)同模式是同時(shí)布放多個(gè)UUV,分別在不同水深條件下進(jìn)行各自的水平面搜索,完成不同水深目標(biāo)的同時(shí)搜索探測。該方案看似簡單、易操作,但不同UUV間的協(xié)同難控制。此時(shí),利用航空反水雷平臺(tái)的優(yōu)勢,引入反水雷直升機(jī)作業(yè)平臺(tái),與UUV組群協(xié)同完成不同海深作業(yè)區(qū)域水雷搜索任務(wù)。

        UUV組群與反水雷直升機(jī)協(xié)同搜索可以采取反水雷直升機(jī)和UUV組群共同搜索同一區(qū)域的方式,也可以采取劃分區(qū)域搜索的方式。

        當(dāng)采取反水雷直升機(jī)和UUV組群共同搜索同一區(qū)域的方式時(shí),對(duì)水雷的識(shí)別概率為

        式中,pgt為共同搜索識(shí)別水雷概率;pf為反水雷直升機(jī)搜索聲納對(duì)水雷的識(shí)別概率;pc為UUV組群搜索對(duì)水雷的識(shí)別概率。

        當(dāng)反水雷直升機(jī)和UUV組群采取劃分區(qū)域進(jìn)行搜索時(shí),在各自的搜索區(qū)域搜索概率等同于獨(dú)自進(jìn)行搜索的概率。

        4 搜索效能模型

        對(duì)多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷效能進(jìn)行分析,其目的是在搜索效能最優(yōu)前提下對(duì)搜索方案進(jìn)行優(yōu)化。搜索效率的對(duì)比主要以搜索時(shí)間為準(zhǔn)則,水下探雷設(shè)備工作效能需從搜索發(fā)現(xiàn)概率(在提高搜索概率的同時(shí)需保證足夠精度的正確識(shí)別概率)和搜索時(shí)間綜合衡量。搜索發(fā)現(xiàn)概率越高、搜索時(shí)間越短定義為搜索效能最大。設(shè)搜索發(fā)現(xiàn)概率為P,搜索整個(gè)雷區(qū)所用時(shí)間為T,則搜索效能為

        搜索方案優(yōu)化本質(zhì)上是在保證足夠精度正確識(shí)別率的情況下,合理確定多平臺(tái)搜索模式、搜索線路間隔或線路數(shù)、搜索次數(shù)、搜索平臺(tái)個(gè)數(shù)等,使任務(wù)執(zhí)行時(shí)間最短,同時(shí)要求總發(fā)現(xiàn)概率滿足設(shè)定指標(biāo)。表現(xiàn)為一個(gè)最優(yōu)化問題,則時(shí)間為目標(biāo)函數(shù),總發(fā)現(xiàn)概率為約束條件,線路間隔、搜索次數(shù)和平臺(tái)個(gè)數(shù)為優(yōu)化變量,即

        其中,T表示任務(wù)完成總時(shí)間,包括在作業(yè)區(qū)內(nèi)的搜索時(shí)間、在作業(yè)區(qū)外的轉(zhuǎn)向時(shí)間兩部分;r為線路數(shù),采用等間隔平行搜索法時(shí),線路數(shù)與線路間隔是等價(jià)的;k為在每條線路上的搜索次數(shù);n為搜索平臺(tái)個(gè)數(shù);P0是事先給定的一個(gè)概率指標(biāo),要求發(fā)現(xiàn)水雷的概率P不低于該指標(biāo)。

        暫不考慮UUV的回轉(zhuǎn)和對(duì)水雷的規(guī)避機(jī)動(dòng),探查區(qū)內(nèi)的總航程取決于r、k、線路長度和線路間隔寬度。如果各線路長度相同,均為L,線路間隔寬度均為B,則搜索整個(gè)雷區(qū)的總航程為

        5 仿真分析

        5.1 仿真條件

        設(shè)搜索區(qū)域面積s1×s2=10km×10km,UUV搭載的側(cè)掃成像聲納對(duì)水雷目標(biāo)的探測距離為dsn=300m,UUV的航速為v=4kn;水雷出現(xiàn)在探測范圍內(nèi)的識(shí)別概率為pr=0.8,若某水雷目標(biāo)同時(shí)出現(xiàn)在2個(gè)UUV的探測范圍內(nèi),則其被正確識(shí)別的概率為0.96。反水雷直升機(jī)所攜帶的側(cè)視聲納作用距離dh=500m,直升機(jī)航速vh=40kn,水雷出現(xiàn)在探測范圍內(nèi)的識(shí)別概率為prh=0.9。lam為覆蓋指數(shù),是UUV連續(xù)2條搜索路線間距離間隔與2dsn的比值,其值越大航路間隔越遠(yuǎn)。laml為重疊指數(shù),指并行搜索的2個(gè)UUV間的重疊程度,定義為重疊區(qū)寬度與dsn的比值,其值越大重疊越嚴(yán)重,2個(gè)UUV間的間距越小。參數(shù)定義見圖1。

        圖1 參數(shù)定義

        5.2 結(jié)果分析

        5.2.1 有效搜索模式確定

        本文假定k=1,以發(fā)現(xiàn)概率最大為指標(biāo),選取有效搜索模式。多數(shù)情況下,因無法確定任務(wù)區(qū)中目標(biāo)的分布規(guī)律,可認(rèn)為任務(wù)區(qū)中的目標(biāo)位置分布為無規(guī)則均勻分布。在已知搜索區(qū)域大小的情況下,采用劃分作業(yè)區(qū)并獨(dú)立搜索不同區(qū)域模式和兩UUV并行搜索中間保留一定重疊區(qū)模式發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1-2所示。

        表1 兩UUV 劃分區(qū)域并獨(dú)立搜索不同區(qū)域模式下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

        表2 兩UUV 并行協(xié)同搜索模式下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

        從表1-2的計(jì)算結(jié)果可看出:

        1)在指定搜索區(qū)域內(nèi),兩UUV劃分區(qū)域并獨(dú)立搜索不同區(qū)域模式下,采用平行均勻搜索模式的發(fā)現(xiàn)概率大于隨機(jī)搜索模式發(fā)現(xiàn)概率,劃分區(qū)域搜索模式下推薦的有效搜索模式為平行均勻搜索模式;

        2)兩UUV劃分區(qū)域并獨(dú)立平行均勻搜索模式略優(yōu)于兩UUV平行協(xié)同搜索模式,發(fā)現(xiàn)概率提高2%~4%。由于單UUV對(duì)水雷目標(biāo)的識(shí)別概率為0.8,兩UUV并行搜索對(duì)共同探測區(qū)域內(nèi)的水雷目標(biāo)的識(shí)別正確率達(dá)到0.96,此種情況下,推薦的有效搜索模式為兩UUV并行協(xié)同搜索模式。

        若單UUV對(duì)水雷目標(biāo)的識(shí)別概率已達(dá)0.9,此時(shí),兩UUV并行搜索對(duì)目標(biāo)的正確識(shí)別概率為0.99,概率的提高并不明顯,此種情況下,從協(xié)同控制的難易程度出發(fā),推薦劃分區(qū)域并獨(dú)立平行均勻搜索為有效模式。

        5.2.2 搜索效能分析

        假定事先給定的概率指標(biāo)P0=0.9,對(duì)于同一海深、同一類型的水雷目標(biāo)而言,根據(jù)聲納識(shí)別概率,確定每一線路進(jìn)行2遍搜索,由于P0已取為0.9,為此,將搜索效能Esearch=P/t最大簡化為搜索總時(shí)間最小。優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

        表3 多UUV不同搜索模式下發(fā)現(xiàn)識(shí)別水雷概率大于0.9時(shí)優(yōu)化結(jié)果

        對(duì)于不同海深的水雷目標(biāo)而言,鑒于不同深度UUV協(xié)同控制難度,引入反水雷直升機(jī)和UUV聯(lián)合完成指定區(qū)域內(nèi)的水雷搜索任務(wù)。采取反水雷直升機(jī)和UUV組群共同搜索同一區(qū)域的方式時(shí),每一線路搜索1遍,對(duì)水雷目標(biāo)的識(shí)別概率達(dá)到0.98;根據(jù)不同海深采用劃分區(qū)域進(jìn)行搜索時(shí),識(shí)別概率等同于獨(dú)自搜索識(shí)別概率,UUV每一線路搜索2遍。當(dāng)反水雷直升機(jī)聲納的工作深度能夠覆蓋不同海深中的水雷目標(biāo)時(shí),UUV組群與反水雷直升機(jī)協(xié)同搜索優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

        表4 UUV組群與反水雷直升機(jī)協(xié)同搜索模式下發(fā)現(xiàn)識(shí)別水雷概率大于0.9時(shí)優(yōu)化結(jié)果

        當(dāng)反水雷直升機(jī)聲納的工作深度不能覆蓋所有深度上的水雷目標(biāo)時(shí),采取分層搜索模式,單架反水雷直升機(jī)搜索線路數(shù)為10,搜索總時(shí)間為1.48h,UUV組群協(xié)同搜索優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

        6 結(jié)束語

        數(shù)值分析結(jié)果表明,在搜索聲納對(duì)水雷識(shí)別正確率的限制下,本文給出的多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷方案優(yōu)化模型,能夠在總發(fā)現(xiàn)概率滿足設(shè)定指標(biāo)的條件下,合理確定出多平臺(tái)有效搜索模式、搜索線路數(shù)、搜索次數(shù)、搜索平臺(tái)個(gè)數(shù)等,使任務(wù)執(zhí)行時(shí)間最短,搜索效能最大。多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷效能分析結(jié)果可為實(shí)際作戰(zhàn)中多平臺(tái)協(xié)同搜索水雷方案的制定、優(yōu)化提供決策支持。

        [1] 龐繼先,周健強(qiáng).水下無人航行器在未來反水雷作戰(zhàn)中的使用[J].海軍學(xué)術(shù)研究,2006(9).

        [2] 楊毅.美國海軍航空反水雷的發(fā)展趨勢[J].海軍世界,2007(2).

        [3] 馬愛民.水雷威脅探查方案優(yōu)化方法[J].海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報(bào),2003(2).

        [4] 張年春.疏通航道反水雷優(yōu)化模型[J].指揮控制與仿真,2013,35(1):55-56.

        [5] 張跟鵬,劉忠,田曉東.基于UUV組群的水下協(xié)同探雷搜索與仿真[J].自動(dòng)測量與控制,2007,26(4).

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