楊虹，張雅聲，丁文哲

(裝備學(xué)院 a. 研究生管理大隊(duì)； b. 航天裝備系， 北京 101416)

探測臨近空間高聲速目標(biāo)的飛艇組網(wǎng)方法研究*

楊虹a，張雅聲b，丁文哲a

(裝備學(xué)院 a. 研究生管理大隊(duì)； b. 航天裝備系， 北京 101416)

為了提高對臨近空間高聲速目標(biāo)的探測能力，探討了一種飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。提出了基于性能和基于效益的2種組網(wǎng)部署原則，設(shè)計(jì)了飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)量化指標(biāo)，建立了飛艇組網(wǎng)系統(tǒng)部署模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的組網(wǎng)優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)滿足多種性能指標(biāo)要求的飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)的優(yōu)化部署，為臨近空間高超聲速目標(biāo)的探測提供了新的思路。

飛艇；紅外探測系統(tǒng)；臨近空間高聲速目標(biāo)；優(yōu)化組網(wǎng)；組網(wǎng)原則；性能指標(biāo)

0 引言

近年來，臨近空間高超聲速飛行器正成為各國武器研究的熱點(diǎn)[1-3]。其速度快、高機(jī)動的特點(diǎn)也對防御系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。對于如何進(jìn)行飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)部署，提升組網(wǎng)探測系統(tǒng)對臨近空間高超聲速目標(biāo)的探測能力，是目前急需解決的難題。

目前，關(guān)于飛艇紅外系統(tǒng)組網(wǎng)探測方面的研究還比較少，大多數(shù)文獻(xiàn)都集中在對傳統(tǒng)的組網(wǎng)優(yōu)化部署進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]針對環(huán)形、直線、扇形3類部署方式建立了定量評價(jià)指標(biāo)，為分布式傳感器的組網(wǎng)探測提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[5]在充分分析了飛艇對地觀測任務(wù)的特點(diǎn)后，采用加入了混沌優(yōu)化的粒子群算法得到了飛艇組網(wǎng)對地觀測的最優(yōu)方案。文獻(xiàn)[6] 提出了一種基于遺傳算法的臨近空間傳感器動態(tài)組網(wǎng)優(yōu)化部署方法,并給出了遺傳算法的求解步驟；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于改進(jìn)的蛙跳算法的雷達(dá)組網(wǎng)優(yōu)化部署方法。文獻(xiàn)[8]針對臨近空間高超聲速飛行器的特點(diǎn)，研究了地基雷達(dá)的組網(wǎng)部署，并通過對信息素的引導(dǎo)提高了組網(wǎng)優(yōu)化部署的效率。

以上研究對于飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，但飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)具有其獨(dú)特的需求。鑒于此，本文提出了基于性能和基于效益的系統(tǒng)組網(wǎng)原則，并針對飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)時(shí)的覆蓋性、重疊性、跟蹤性、銜接性、資源利用性等特點(diǎn)構(gòu)建了組網(wǎng)模型，最后基于遺傳算法設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的優(yōu)化組網(wǎng)算法，為飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

1 飛艇紅外系統(tǒng)的組網(wǎng)原則

1.1 飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)的優(yōu)勢

臨近空間高超聲速飛行器的飛行高度一般在20～100 km之間，具有體積小，速度快的特點(diǎn)。其自身RCS較小，在飛行過程中會與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，不利于雷達(dá)探測[9-11]。相反，由于其快速飛行時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射特性，使得利用紅外系統(tǒng)對臨近空間高超聲速飛行器進(jìn)行探測受到越來越廣泛的關(guān)注和認(rèn)可[12-15]。

浮空飛艇漂浮在0～20 km的空域范圍，相對低廉的成本與良好的性能使其成為目前世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。相比于目前的天基、空基、地基探測，飛艇紅外探測系統(tǒng)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢：與天基探測方式相比，具有更高的探測精度，可對目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤；與空基探測相比，具有更長的駐留時(shí)間，成本更低；與地基探測相比，可以克服地域及地球曲率的影響，機(jī)動靈活，探測范圍更廣。飛艇紅外組網(wǎng)探測如圖1所示。

圖1 飛艇紅外組網(wǎng)探測示意圖Fig.1 Schematic diagram of airship Infrared detection network

1.2 飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)原則

飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)的組網(wǎng)問題實(shí)際上是多邊形間的覆蓋問題：根據(jù)來襲目標(biāo)的可能發(fā)射區(qū)域以及目標(biāo)威脅區(qū)域，確定探測區(qū)S，考慮重點(diǎn)設(shè)施所在位置，確定重點(diǎn)探測區(qū)Sa。對于不同類型的紅外探測器，設(shè)其在第h高度層的探測范圍為Sih。

定義飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)對探測區(qū)域的覆蓋率α為所有紅外探測器在探測區(qū)內(nèi)的探測面積(重疊區(qū)只考慮一次)與探測區(qū)面積的比值，表示為

(1)

式中：n為飛艇個(gè)數(shù)。

定義飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)對探測區(qū)域的重疊覆蓋率β為所有紅外探測器在探測區(qū)內(nèi)的重疊探測面積(存在2部紅外探測器以上覆蓋的區(qū)域)與探測區(qū)面積的比值，表示為

(2)

這樣就使得問題變?yōu)閮?yōu)化問題，將飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)原則分為2類：

(1) 基于性能考慮的組網(wǎng)方式

對于給定數(shù)量的浮空飛艇，使組網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋率α以及重疊覆蓋率β趨于最大，這樣會使得系統(tǒng)對探測區(qū)域的覆蓋程度更好，銜接更加緊密，從而提高飛艇紅外探測系統(tǒng)對探測區(qū)域的探測性能。

(2) 基于效益考慮的組網(wǎng)方式

尋求效益最高的組網(wǎng)方式時(shí)，首先使組網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋率α趨于最大，重疊覆蓋率β趨于最小，找到符合限制要求的最少飛艇組網(wǎng)部署方案后，重新調(diào)整部署方案使系統(tǒng)重疊覆蓋率β趨于最大，這樣會使組網(wǎng)系統(tǒng)所需飛艇數(shù)量較少的同時(shí)，探測區(qū)覆蓋率及重疊率較大，從而保證系統(tǒng)效益的最大化。

2 飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)量化指標(biāo)及部署模型

2.1 飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)量化指標(biāo)

飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)量化指標(biāo)主要包含探測區(qū)覆蓋率、重點(diǎn)探測區(qū)覆蓋率、資源利用率、水平銜接系數(shù)、銜接高度：

(1) 探測區(qū)覆蓋率α

探測區(qū)覆蓋率描述的是飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)的探測能力，即飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)在探測區(qū)的有效覆蓋范圍大小。對于組網(wǎng)系統(tǒng)來說，在探測階段，必須滿足對探測區(qū)域保持一定的覆蓋率，才能滿足平時(shí)的態(tài)勢感知要求。

(2) 重點(diǎn)探測區(qū)覆蓋率φ

重點(diǎn)探測區(qū)覆蓋率φ表示，飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)在重點(diǎn)探測區(qū)內(nèi)的探測面積(重疊區(qū)只考慮一次)與重點(diǎn)探測區(qū)面積的比值，表示為

(3)

在臨近空間高超聲速目標(biāo)來襲時(shí)，很大程度上會瞄準(zhǔn)重點(diǎn)設(shè)施所在區(qū)域進(jìn)行攻擊。這樣飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)對于重點(diǎn)探測區(qū)的覆蓋率就必須要達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 資源利用率τ

資源利用率τ表示：在探測區(qū)內(nèi)，除去飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中3部以上紅外探測器重疊探測部分的面積與探測區(qū)面積的比值，表示為

(4)

在探測區(qū)內(nèi)，飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中覆蓋同一區(qū)域的紅外探測器數(shù)量越多，則在受到打擊時(shí)，組網(wǎng)系統(tǒng)的探測性越強(qiáng)，但2部飛艇的覆蓋就足以保證組網(wǎng)系統(tǒng)的容錯(cuò)率，過多的冗余會造成資源浪費(fèi)，也會使得組網(wǎng)系統(tǒng)對于整個(gè)探測區(qū)的總覆蓋率降低。

(4) 水平銜接系數(shù)k

水平銜接系數(shù)k表示：在h高度層上，飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中相鄰兩部紅外探測器之間的最大重疊距離dhmax與2部紅外探測器平均探測距離的比值，如圖2所示。

圖2 水平銜接系數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal convergence coefficient of adjacent infrared detectors

定義水平銜接系數(shù)k為

k=2dhmax/(r1+r2).

(5)

當(dāng)飛艇上的紅外探測器對目標(biāo)進(jìn)行探測定位時(shí)，由于紅外探測器存在探測周期，探測定位時(shí)需要有一定的反應(yīng)時(shí)間，為了保證與上一探測器在探測區(qū)域上保持探測銜接，則飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中紅外探測器與相鄰紅外探測器之間的重疊距離dhmax需滿足dhmax≥d0。其中d0由3點(diǎn)快速航跡起始法限定，d0≥3vT(v為高超聲速目標(biāo)速度，T為紅外探測器的探測周期)。

(5) 銜接高度H

紅外探測器在不同高度層上對應(yīng)的最大探測距離不同，當(dāng)探測高度為h1時(shí)(h1∈[h1min,h1max]，h1min,h1max為紅外探測器的極限探測范圍)，對應(yīng)的紅外探測器最大探測距離為dh1。在某一高度層H上，相鄰兩紅外探測器的最大探測距離分別為dH1,dH2，當(dāng)dH1與dH2之和的大小等于兩探測器之間的距離dH時(shí)，即dH1+dH2=dH時(shí)，稱該高度H為相鄰紅外探測器的銜接高度，如圖3所示。

圖3 銜接高度示意圖Fig.3 Schematic diagram of convergence height of adjacent infrared detectors

臨近空間高超聲速飛行器的特點(diǎn)是可以在各個(gè)高度層內(nèi)進(jìn)行跳躍飛行，因此為了保證飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)具有良好的銜接性，本文以高超聲速飛行器的最低飛行高度作為銜接高度的約束。

2.2 飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)部署模型

在對組網(wǎng)系統(tǒng)部署方案進(jìn)行實(shí)際求解的過程中，想要直接得到絕對優(yōu)化方案，使方案內(nèi)各項(xiàng)部署原則均能夠達(dá)到最優(yōu)是很難實(shí)現(xiàn)的。針對此問題，本文采用目前常用的評價(jià)函數(shù)法作為一種緩解策略來對問題進(jìn)行優(yōu)化求解。

評價(jià)函數(shù)法的主要思想是對各項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析后，通過構(gòu)造評價(jià)函數(shù)，使最終進(jìn)行部署優(yōu)化時(shí)，可以將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解[16]。而對于評價(jià)函數(shù)的構(gòu)造則采用平方加權(quán)法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。平方加權(quán)法的主要思想是通過權(quán)衡各項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)在飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中的重要程度，依據(jù)不同的任務(wù)要求，給定各項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，并分析特定任務(wù)下各項(xiàng)目標(biāo)函數(shù)所希望達(dá)到的理想函數(shù)值，以此求得組網(wǎng)系統(tǒng)部署優(yōu)化方案的最優(yōu)解。構(gòu)造評價(jià)函數(shù)為

(6)

maxF=ε1(α-1)2+ε2(β-1)2,

(7)

式中：ε1+ε2=1;α,β的理想值為1。

針對1.3節(jié)中基于效益考慮的組網(wǎng)原則(即求取maxα,minβ)在目標(biāo)高度層上，構(gòu)建評價(jià)函數(shù)為

maxF=ε1(α-1)2+ε2β2,

(8)

式中：ε1+ε2=1;α,β的理想值分別為1,0。

在尋得符合約束條件的最少飛艇數(shù)量后，按式(7)重新尋求飛艇組網(wǎng)部署方案，使組網(wǎng)系統(tǒng)效益最大。

綜合考慮2.1節(jié)中提出的5項(xiàng)組網(wǎng)量化指標(biāo)，列出飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)部署模型的約束條件如下：

(9)

式中：α0,φ0,τ0,k0為組網(wǎng)系統(tǒng)所需達(dá)到的最低要求；H0為銜接高度約束常值。

其中水平銜接系數(shù)指標(biāo)k與銜接高度指標(biāo)H實(shí)際上是為了保證組網(wǎng)系統(tǒng)中相鄰兩飛艇紅外探測器之間的部署距離同時(shí)滿足飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)在空間中對橫向、縱向銜接覆蓋的嚴(yán)密性。則相鄰飛艇之間的部署距離約束可以轉(zhuǎn)化為

4.2 預(yù)約優(yōu)選和排序功能 輸液時(shí)段設(shè)計(jì)是減少患者等候，均衡工作量的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我們廣泛聽取患者的意見和建議，總結(jié)手工預(yù)約的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)狀態(tài)下系統(tǒng)每天設(shè)置7個(gè)時(shí)間段，每50分鐘為1個(gè)時(shí)間段，2個(gè)時(shí)間段之間有10 min的緩沖期，每個(gè)時(shí)間段預(yù)約50例患者。根據(jù)患者喜好和輸液高峰時(shí)段的情況，系統(tǒng)默認(rèn)為患者選擇最早的時(shí)段，其中10:30～11:20時(shí)段只留給當(dāng)日就診后需要輸液的患者預(yù)約，也可以根據(jù)患者的需求自由選擇時(shí)間段。系統(tǒng)根據(jù)患者預(yù)約的先后為每個(gè)時(shí)段的患者自動排序。智能化的操作非常簡便、高效和人性化。這一功能的實(shí)現(xiàn) 也是“關(guān)愛患者，從細(xì)節(jié)做起”的體現(xiàn)。

dmax=min[dmax(k0),dmax(H0)],

(10)

式中：dmax為組網(wǎng)系統(tǒng)相鄰飛艇之間的最大部署距離;dmax(k0)為組網(wǎng)系統(tǒng)水平銜接系數(shù)指標(biāo)k0所確定的最大部署距離;dmax(H0)為組網(wǎng)系統(tǒng)銜接高度指標(biāo)H0所確定的最大部署距離。

則約束條件變?yōu)?/p>

(11)

式中：d為相鄰兩飛艇之間距離。

3 基于遺傳算法的優(yōu)化組網(wǎng)算法設(shè)計(jì)

飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)問題條件復(fù)雜，難以用常規(guī)解法求得目標(biāo)的最優(yōu)解，這時(shí)需要尋找一種合適的方法對其進(jìn)行求解。不同的優(yōu)化算法各具特點(diǎn)：粒子群算法全局收斂快，但容易陷入局部最優(yōu)；蟻群算法具有發(fā)現(xiàn)較好解的能力，但搜索時(shí)間長，容易出現(xiàn)停滯現(xiàn)象；遺傳算法搜索時(shí)間長，但更好收斂于最優(yōu)解。本文為了綜合考慮，為得到更理想的組網(wǎng)方案，選取遺傳算法進(jìn)行求解。

遺傳算法是一種模擬自然界中生物遺傳進(jìn)化的智能算法，它提供了對于求解非線性、多約束等復(fù)雜問題的通用解決框架，從而被廣泛應(yīng)用在復(fù)雜系統(tǒng)問題的求解上，并取得了良好的效果。

根據(jù)探測任務(wù)需求、臨近空間高超聲速飛行器的飛行特性以及飛艇紅外探測器的探測性能，對組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，算法主要流程如圖4所示。

圖4 算法主要流程Fig.4 Main procedures of the algorithms

具體步驟如下：

(1) 區(qū)域劃分

對于指定任務(wù)安排進(jìn)行深入分析，依據(jù)臨近空間高超聲速飛行器的發(fā)射范圍、可能飛行軌跡以及重點(diǎn)設(shè)施所在位置，劃分探測區(qū)，區(qū)域劃分如圖5所示。

圖5 組網(wǎng)區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of detection area

圖5中，臨近空間高超聲速飛行器從發(fā)射區(qū)域進(jìn)行發(fā)射，途徑核心區(qū)(J，L，E，C區(qū))最大程度上威脅重點(diǎn)保護(hù)設(shè)施；考慮到高超聲速飛行器的強(qiáng)機(jī)動性，擴(kuò)大核心區(qū)范圍劃分出重點(diǎn)探測區(qū)(I，M，F(xiàn)，B區(qū))；同時(shí)由于一些不可預(yù)知因素(如設(shè)備故障、颶風(fēng)、發(fā)射誤差等)會使飛行器的飛行路線產(chǎn)生偏離，就需要進(jìn)一步擴(kuò)大探測范圍得到探測區(qū)(H，N，G，A區(qū))。領(lǐng)海線則限定了飛艇的放置區(qū)域。

(2) 推測飛艇數(shù)量

首先根據(jù)2.2中式(10)確定飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)中兩相鄰飛艇之間的最大部署距離，結(jié)合任務(wù)劃分探測區(qū)域，推測滿足任務(wù)指標(biāo)的飛艇數(shù)量。

(3) 飛艇紅外組網(wǎng)探測系統(tǒng)初始化

在探測區(qū)內(nèi)，隨機(jī)生成一組飛艇部署位置，作為組網(wǎng)系統(tǒng)的初始部署方案。

(4) 方案修正

對隨機(jī)生成的初始部署方案進(jìn)行約束判斷，判斷方案是否滿足式(11)的約束條件，若不滿足約束，則修正方案。

(5) 適應(yīng)度計(jì)算

對滿足約束條件的部署方案，計(jì)算適應(yīng)度。

(6) 終止判斷

根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算，判斷是否滿足終止條件(最優(yōu)適應(yīng)度以及平均適應(yīng)度基本不再變化或者遺傳代數(shù)達(dá)到預(yù)定遺傳代數(shù))，滿足終止條件時(shí)，輸出最優(yōu)部署方案，結(jié)束搜索。

(7) 遺傳操作

當(dāng)計(jì)算不滿足終止條件時(shí)，則進(jìn)行選擇、交叉、變異操作不斷迭代。對遺傳得到的新方案繼續(xù)進(jìn)行約束判斷并修正。

(8) 插入刪除算子

當(dāng)組網(wǎng)原則基于效益考慮時(shí)，由于初始飛艇數(shù)量是根據(jù)推測得到的，可能得不到合適方案。當(dāng)?shù)_(dá)到一定次數(shù)仍沒有得到最優(yōu)方案時(shí)，則進(jìn)行插入、刪除算子判斷，若重疊率較小，而覆蓋率仍不滿足約束時(shí)，增加飛艇數(shù)量；若覆蓋率、重疊率均滿足約束，而重疊率較大時(shí)，減少飛艇數(shù)量(判斷飛艇中最小適應(yīng)度個(gè)體進(jìn)行刪除)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)某型號臨近空間高超聲速飛行器的飛行速度保持在5Ma，飛行的最低高度為30 km。以飛行器飛行最低高度作為目標(biāo)高度層進(jìn)行仿真分析；在組網(wǎng)區(qū)域形狀的選擇上，考慮到實(shí)際探測過程中，對于不規(guī)則區(qū)域的考慮是將其進(jìn)行填補(bǔ)而構(gòu)成規(guī)則區(qū)域(如矩形、方形、圓形等)。對于擴(kuò)大預(yù)警探測范圍并不會降低預(yù)警探測效果，同時(shí)會提升可靠性，所以本文將組網(wǎng)區(qū)域設(shè)置為矩形。取探測區(qū)為7 000 km×7 000 km的正方形區(qū)域，重點(diǎn)區(qū)為3 000 km×7 000 km的矩形區(qū)，位于探測區(qū)中心，飛艇部署在20 km高空。

假設(shè)在實(shí)際環(huán)境中，取所有飛艇所載紅外探測器型號均相同，且飛艇均布置在本國領(lǐng)海內(nèi)(探測環(huán)境較為理想，不易受敵人干擾)，因此可將飛艇紅外探測器的探測范圍近似為圓。取探測器的探測半徑近似為1 782 km，飛艇紅外探測器的探測周期T為1.8 min，評價(jià)系數(shù)ε1，ε2分別取0.7，0.3。

(1) 選擇基于性能考慮的組網(wǎng)原則，飛艇數(shù)量為9

方案1：探測區(qū)覆蓋率α0不低于93%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ0不低于95%，資源利用率τ0不低于80%，利用第3節(jié)中設(shè)計(jì)的優(yōu)化組網(wǎng)算法，仿真得到飛艇組網(wǎng)部署方案，如圖6所示。

圖6 基于性能考慮的飛艇組網(wǎng)部署方案Fig.6 Airship networking deployment scheme based on performance considerations

圖6中中心矩形區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)探測區(qū)。

其中組網(wǎng)探測系統(tǒng)的各飛艇坐標(biāo)分別為(1 967, 5 283)，(6 141， 1 657)，(4 650, 6 199)，(3 444, 4 045)，(3 958, 1 329)，(1 671, 688)，(5 329, 3 943)，(1 764, 3 315)，(1 915, 2 287)，探測區(qū)覆蓋率α為94.15%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ為99.69%，重疊覆蓋率β為51.98%，資源利用率為81.59%，評價(jià)值為0.071 1。相鄰飛艇之間最遠(yuǎn)距離如表1所示。

表1 相鄰飛艇間最遠(yuǎn)距離

從以上數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，仿真得到的飛艇組網(wǎng)部署方案性能良好，達(dá)到了各項(xiàng)指標(biāo)要求。

為進(jìn)一步提升探測區(qū)覆蓋率，提升資源利用效率，對方案2進(jìn)行仿真。

方案2：探測區(qū)覆蓋率α0不低于95%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ0不低于97%，資源利用率τ0不低于85%，仿真得到飛艇組網(wǎng)部署方案，如圖7所示。

圖7 提升性能指標(biāo)后飛艇組網(wǎng)部署方案Fig.7 Airship networking deployment after the improvement of the performance index

其中組網(wǎng)探測系統(tǒng)的各飛艇坐標(biāo)分別為(1 737,951)，(1 453,3 600)，(1 955, 3 081)，(5 986,5 827)，(4 146, 2 515)，(3 906,5 203)，(6 224,3 637)，(5 338,946)，(1 726,6 036)，探測區(qū)覆蓋率α為98.39%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ為98.67%，重疊覆蓋率β為49.63%，資源利用率為87.82%，評價(jià)值為0.075 9。相鄰飛艇之間最遠(yuǎn)距離如表2所示。

表2 相鄰飛艇間最遠(yuǎn)距離

對比方案1與方案2，可以發(fā)現(xiàn)1，2方案兩者評價(jià)值相差不多，均是較優(yōu)的部署方案，方案2相比于方案1以重疊覆蓋率降低2.35%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率降低1.02%為代價(jià)換取了探測區(qū)覆蓋率4.24%及資源利用率6.23%的提升。因此在組網(wǎng)部署時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境情況改變評價(jià)系數(shù)或限制條件從而得到最適合實(shí)際情況的系統(tǒng)部署方案。

(2) 選擇基于效益考慮的組網(wǎng)原則

設(shè)探測區(qū)覆蓋率α0不低于93%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ0不低于97%，資源利用率τ0不低于90%，選擇式(8)作為目標(biāo)函數(shù)，仿真得到飛艇組網(wǎng)部署方案，如圖8所示。

圖8 基于效益考慮的飛艇組網(wǎng)部署方案Fig.8 Airship networking deployment scheme based on benefit consideration

由于給定飛艇紅外探測器的探測周期較長，對于組網(wǎng)要求較高，得到組網(wǎng)探測系統(tǒng)完成限制條件所需的最少飛艇數(shù)量為7，各飛艇坐標(biāo)分別為(3 202,6 093)，(5 902,1 320)，(1 476,4 003)，(4 365,3 350)，(6 117,5 637)，(2 932,1 443)，(274,1 283)，探測區(qū)覆蓋率α為93.45%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ為99.30%，重疊覆蓋率β為23.16%，資源利用率為98.86%，評價(jià)值為0.019 1。相鄰飛艇之間最遠(yuǎn)距離如表3所示。

表3 相鄰飛艇間最遠(yuǎn)距離

為進(jìn)一步提升探測區(qū)覆蓋率，選擇式(7)作為目標(biāo)函數(shù)重新進(jìn)行組網(wǎng)部署規(guī)劃，同時(shí)考慮到組網(wǎng)系統(tǒng)的探測區(qū)覆蓋率限制較低，將覆蓋限制提升至95%，得仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 重構(gòu)后飛艇部署方案Fig.9 Airship deployment plan after the reconstruction

其中組網(wǎng)探測系統(tǒng)的各飛艇坐標(biāo)分別為(1 309, 1 760)，(1 366, 5 440)，(3 014, 3 121)，(3 815, 797)，(5 803, 5 432)，(3 876, 5 675)，(5 713, 2 540)，探測區(qū)覆蓋率α為95.29%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率φ為99.61%，重疊覆蓋率β為31.47%，資源利用率為97.58%，評價(jià)值為0.142 6。相鄰飛艇之間最遠(yuǎn)距離如表4所示。

表4 相鄰飛艇間最遠(yuǎn)距離

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，重新進(jìn)行部署規(guī)劃后，飛艇組網(wǎng)探測系統(tǒng)對于探測區(qū)的覆蓋率提升了1.84%，重點(diǎn)區(qū)覆蓋率提升了0.31%，重疊率提升了8.31%，資源利用率下降了1.28%，同時(shí)對比表3，4，也可以發(fā)現(xiàn)飛艇間銜接性得到了提升。整體上看，重構(gòu)后系統(tǒng)的性能得到大幅提升。說明通過對飛艇組網(wǎng)系統(tǒng)的部署重構(gòu)，可以很大程度上提升系統(tǒng)性能，得到效益最優(yōu)方案。

5 結(jié)束語

本文針對飛艇紅外系統(tǒng)探測臨近空間高超聲速目標(biāo)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)問題，提出了基于性能和基于效益的2種組網(wǎng)部署原則，給出了飛艇紅外探測系統(tǒng)的組網(wǎng)量化指標(biāo)及部署模型，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的優(yōu)化組網(wǎng)算法。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的模型能夠滿足多種性能指標(biāo)要求的飛艇部署方案，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過選擇更為合理的評價(jià)系數(shù)來得到適合于實(shí)際情況的飛艇組網(wǎng)系統(tǒng)部署方案，為臨近空間高超聲速飛行器的探測提供了新的思路。此外，本文只針對飛艇紅外探測系統(tǒng)的靜態(tài)部署方法進(jìn)行了研究，如何對組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)的部署規(guī)劃將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Networking Design of Airship for Detecting High Dynamic Target in Near Space

YANG Honga, ZHANG Ya-shengb, DING Wen-zhea

(Equipment Academy, a. Department of Graduate Management; b. Department of Space Equipment, Beijing 101416, China)

In order to improve the detectability of the high dynamic target in the near space, a kind of high efficient detection system for airship infrared networking is designed. Firstly, two kinds of network deployment principles based on performance and efficiency are put forward respectively. Then, the optimization index of airship infrared system is designed, and the model is established. On this basis, the optimization model of airship infrared system is built based on genetic optimization algorithm. Simulation results show that the proposed method can meet the needs of different performance requirements of the airship infrared system optimization, which provides a new idea for the detection of high dynamic target in the near space.

airship; infrared detection system; near space high dynamic target; network optimization; netting principle; performance index

2016-06-18；

2016-07-10 基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目 作者簡介：楊虹(1991-)，女，四川綿竹人。碩士生，研究方向?yàn)楹教烊蝿?wù)分析與設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.006

TN202；TP301.6；TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0040-09

通信地址：101416 北京市懷柔區(qū)八一路一號裝備學(xué)院3380信箱 E-mail：1373663085@qq.com.cn