萬(wàn) 福，周紅波，朱智平

（海軍指揮學(xué)院，南京 211800）

艦艇防空反導(dǎo)自適應(yīng)干擾HDP算法分析與仿真*

萬(wàn) 福，周紅波，朱智平

（海軍指揮學(xué)院，南京 211800）

為干擾來(lái)襲的多波次、多方向反艦導(dǎo)彈，提高艦艇防空反導(dǎo)能力，分析了自適應(yīng)干擾HDP算法模型，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行仿真。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃（HDP）算法在自適應(yīng)電子干擾策略最優(yōu)組合的生成過(guò)程中的時(shí)效性、預(yù)測(cè)精度以及適用性，為該算法的后續(xù)研究提供支持。

啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，自適應(yīng)干擾，防空反導(dǎo)

0 引言

在信息化條件下的海戰(zhàn)場(chǎng)，多波次、多方向反艦導(dǎo)彈攻擊是水面艦艇生存面臨的主要威脅。多波次、多方向?qū)椆艟哂忻黠@的非線性特征。由于擁有強(qiáng)大的逼近非線性系統(tǒng)的能力以及良好的誤差反饋機(jī)制，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃應(yīng)用于自適應(yīng)電子干擾算法，能夠較好地解決電子干擾過(guò)程中干擾策略組合的生成問(wèn)題。在艦艇防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)過(guò)程中，根據(jù)電子偵察系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭體制、來(lái)襲方向、距離等作戰(zhàn)要素和風(fēng)速、風(fēng)向等海洋氣象要素，以干擾效果評(píng)估為依據(jù)，調(diào)整系統(tǒng)作戰(zhàn)過(guò)程中的干擾效果與目標(biāo)期望的誤差，智能地組合較好的干擾樣式，生成對(duì)應(yīng)的干擾策略組合。因此，全過(guò)程是一個(gè)基于誤差反饋、多次迭代的干擾過(guò)程。相比一般電子干擾，其優(yōu)越性體現(xiàn)在能智能選擇干擾策略組合，同時(shí)是一個(gè)自學(xué)習(xí)的系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)中的權(quán)值，減小輸出誤差，最終使干擾趨于完善。

1 基于HDP理論的自適應(yīng)電子干擾算法

自適應(yīng)電子干擾全過(guò)程，是以自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論為依據(jù)的。啟發(fā)式動(dòng)態(tài)規(guī)劃（HDP）算法是其中最常用、最普遍的一種，基本思想是通過(guò)函數(shù)近似結(jié)構(gòu)表征指標(biāo)函數(shù)，再通過(guò)另一個(gè)函數(shù)近似結(jié)構(gòu)選擇最優(yōu)的控制序列，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的近似最優(yōu)控制［1］。圖1為HDP結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)近似電子干擾中的干擾效果評(píng)估函數(shù)，評(píng)估多次迭代后的干擾效果是否滿足Bellman最優(yōu)控制原理；執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)近似電子干擾策略組合的實(shí)施，控制干擾樣式中最優(yōu)組合的選擇；模型網(wǎng)絡(luò)可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，逼近未知的復(fù)雜非線性艦艇防空反導(dǎo)過(guò)程。執(zhí)行、模型、評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)均由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，以此滿足HDP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)艦艇防空反導(dǎo)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜非線性系統(tǒng)

式（1）中，x∈Rn表示系統(tǒng)的狀態(tài)向量，即來(lái)襲導(dǎo)彈參數(shù)及海洋環(huán)境因素等；u∈Rm表示電子干擾的策略組合；f是系統(tǒng)函數(shù)。與該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的干擾效果評(píng)估函數(shù)為

式（2）中，U為效用函數(shù)；γ是折扣因子，且0≤γ≤1；函數(shù)J是狀態(tài)x（k）的代價(jià)函數(shù)。

HDP算法誤差Ec可由評(píng)價(jià)函數(shù)的輸出J^與代價(jià)函數(shù)J得到。

2 艦艇防空反導(dǎo)自適應(yīng)干擾HDP算法仿真

2.1 參數(shù)設(shè)定

場(chǎng)景設(shè)定：如圖2所示，坐標(biāo)系分別取艦艇坐標(biāo)系及導(dǎo)彈捕捉坐標(biāo)系［2］。以Y軸正向?yàn)閰⒖挤较?，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。蒲氏風(fēng)力等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)速為5 m/s，風(fēng)向隨機(jī)。目標(biāo)艦船、導(dǎo)彈、假目標(biāo)在沖淡干擾、質(zhì)心干擾階段均看作質(zhì)點(diǎn)，煙幕干擾時(shí)考慮艦船及煙幕的實(shí)際長(zhǎng)度。

導(dǎo)彈參數(shù)：來(lái)襲導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭為主動(dòng)雷達(dá)末制導(dǎo)或主動(dòng)雷達(dá)、光電導(dǎo)引頭復(fù)合制導(dǎo)。反艦導(dǎo)彈被發(fā)現(xiàn)時(shí)，距離目標(biāo)艦艇大于等于40 km，來(lái)襲方向?yàn)榕炌舷颍轿唤遣欢?。?dǎo)彈飛行速度為300 m/s。其中，末制導(dǎo)雷達(dá)的中心頻率為16.8 GHz，頻率捷變寬度為250MHz，脈沖重復(fù)頻率為5000Hz，脈沖寬度為0.1μs，發(fā)射功率為40kW，天線增益為30dB，末制導(dǎo)雷達(dá)的波束寬度為5°。光電導(dǎo)引頭的視場(chǎng)角為20°。未受箔條、紅外沖淡干擾影響下導(dǎo)彈命中率分別為0.999 3、0.998 9［2］。

艦艇及煙幕參數(shù)：艦艇航速為10 m/s，初始方向?yàn)?°，即Y軸正方向。正橫方向上艦艇RCS為8×103m2，艦長(zhǎng)130 m。且假設(shè)煙幕長(zhǎng)度為150 m。

采用海軍某試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)實(shí)際獲得的2 000組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本對(duì)自適應(yīng)電子干擾HDP算法進(jìn)行訓(xùn)練。利用100組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，對(duì)算法的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 仿真結(jié)果及分析

以下將根據(jù)仿真結(jié)果，從HDP算法的時(shí)效性、預(yù)測(cè)精度以及在自適應(yīng)電子干擾全過(guò)程中的適用性3個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析。

2.2.1 時(shí)效性

時(shí)效性是評(píng)價(jià)自適應(yīng)HDP算法是否可靠的一個(gè)重要指標(biāo)。圖3為訓(xùn)練樣本的均方誤差（MSE）收斂情況。

由圖3可知，在大樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的情況下，算法達(dá)到預(yù)期訓(xùn)練目標(biāo)，僅耗時(shí)7 s，收斂速度快，且滿足電子戰(zhàn)系統(tǒng)反映時(shí)間的要求。

2.2.2 預(yù)測(cè)精度

在100組測(cè)試樣本結(jié)果中選出10組樣本Q1～Q10進(jìn)行對(duì)比。Q1～Q10中的實(shí)際輸出均是通過(guò)HDP算法預(yù)測(cè)得到的干擾策略組合。圖4為干擾策略組合精確分類前后測(cè)試樣本誤差的對(duì)比。

可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)一步精確分類后，除了Q3以外，測(cè)試樣本的誤差有了明顯改善。根據(jù)以上誤差結(jié)果分析可知，HDP算法的分類及預(yù)測(cè)性能有了明顯改善。

2.2.3 適用性

自適應(yīng)電子干擾的干擾效能隨反艦導(dǎo)彈來(lái)襲波次的變化而變化。圖5為100個(gè)攻擊波次下自適應(yīng)電子干擾的干擾成功率。由圖5中結(jié)果分析可知，干擾成功率隨反艦導(dǎo)彈的攻擊波次增多而急劇減小。若干擾單波次反艦導(dǎo)彈的成功率為0.715 7，則干擾2個(gè)攻擊波次及來(lái)襲方向的反艦導(dǎo)彈的成功率僅為0.514 3。而對(duì)于4個(gè)及以上攻擊波次和來(lái)襲方向的反艦導(dǎo)彈，自適應(yīng)電子干擾的成功率小于0.3。若反艦導(dǎo)彈的攻擊波次大于10，則自適應(yīng)電子干擾的成功率趨近于0，即在反艦導(dǎo)彈的10個(gè)攻擊波次下，艦艇很難做出有效的自適應(yīng)電子干擾措施。

根據(jù)自適應(yīng)電子干擾子過(guò)程、全過(guò)程的仿真結(jié)果分析可知，自適應(yīng)HDP算法經(jīng)過(guò)多次自學(xué)習(xí)過(guò)程后，干擾成功率逐步提升。說(shuō)明HDP算法在經(jīng)過(guò)大樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練后，可較好地運(yùn)用于艦艇防空反導(dǎo)電子干擾策略組合中。HDP算法應(yīng)對(duì)單波次導(dǎo)彈的干擾成功率為0.715 7，應(yīng)對(duì)3波次導(dǎo)彈的干擾成功率為0.514 3。然而，當(dāng)艦艇遭受4波次以上反艦導(dǎo)彈攻擊時(shí)，自適應(yīng)HDP算法的干擾成功率不足三成。

3 結(jié)論

研究并仿真了艦艇防空反導(dǎo)自適應(yīng)HDP算法。在分析執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、模型網(wǎng)絡(luò)、評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)模塊的構(gòu)成的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)實(shí)例中仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了HDP算法在艦艇防空反導(dǎo)應(yīng)用中的時(shí)效性及預(yù)測(cè)精度。通過(guò)對(duì)自適應(yīng)電子干擾過(guò)程的仿真可知，在一定程度上，HDP算法可干擾多波次、多方向的反艦導(dǎo)彈。

［1］林小峰，宋紹劍，宋春寧.基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的智能優(yōu)化控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［2］胡生亮，金嘉旺，林龍.單艦反導(dǎo)的沖淡干擾效果評(píng)估方法及模型研究［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2007，28（4）：51-54.

［3］顧燕飛.對(duì)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的干擾技術(shù)研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2012.

［4］王書(shū)齊，馬良，蘇琦，等.基于體系結(jié)構(gòu)建模的水面艦艇防空作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015，35（7）：1-5.

Analysis and Simulation of Adaptive Electronic Jamming HDP Algorithm in Warship Anti-air and Anti-missile

WAN Fu，ZHOU Hong-bo，ZHU Zhi-ping
（Navy Command College，Nanjing 211800，China）

To interfere with anti-ship missile attacking from several times and directions and to improve warship’s applicability of anti-air and anti-missile，the HDP algorithm model is analyzed and simulated with exemplar.Through the simulation result，timeliness，accuracy，and applicability of heuristic dynamic programming（HDP）algorithm is verified during the generation process of optimal strategy combination in adaptive electronic jamming，which prepares for the continue study of HDP algorithm.

heuristic dynamic programming algorithm，adaptive electronic jamming，anti-air and anti-missile

TN911

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.07

1002-0640（2017）11-0031-03

2016-09-23

2016-11-18

軍內(nèi)科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目

萬(wàn) 福（1975- ），男，湖北英山人，碩士，副教授。研究方向：軍事信息運(yùn)用。