(海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018)
在高技術(shù)條件下的局部海戰(zhàn)中,戰(zhàn)場的態(tài)勢千變?nèi)f化,艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行決策?;谀繕?biāo)空襲體系的不斷變化,對目標(biāo)盡早攔截是艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)的的指導(dǎo)性原則之一,及時(shí)釋放占用的火力通道數(shù)量,力爭為后續(xù)目標(biāo)創(chuàng)造更多的射擊機(jī)會(huì)[1]。
正確靈活地選擇導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī),可提高艦空導(dǎo)彈的射擊效果,是研究艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)的關(guān)鍵問題之一,也是研究艦空導(dǎo)彈轉(zhuǎn)火射擊問題的理論依據(jù)。目前,艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)的確定主要是采取按發(fā)射區(qū)時(shí)間窗口的方式進(jìn)行規(guī)劃,將其規(guī)劃在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi),但按照時(shí)間窗口規(guī)劃發(fā)射時(shí)機(jī)只是定性描述。由于艦空導(dǎo)彈毀傷概率影響因素的復(fù)雜性,通常情況下艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)的提前與其毀傷目標(biāo)概率的增加是相互矛盾的。在艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)中,如何確定艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī),使其在毀傷目標(biāo)概率和發(fā)射時(shí)機(jī)之間取得較好的平衡,是艦空導(dǎo)彈取得預(yù)期作戰(zhàn)效果的關(guān)鍵因素。在不同艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)確定中,如何使得毀傷目標(biāo)盡可能早、毀傷目標(biāo)概率達(dá)到預(yù)期值是艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化的難題,發(fā)射時(shí)機(jī)確定效果好,能夠起到快速打擊、充分發(fā)揮火力強(qiáng)度的效果,如果發(fā)射時(shí)機(jī)確定效果差,不僅達(dá)不到對目標(biāo)的打擊效果,同時(shí)還會(huì)影響艦空導(dǎo)彈轉(zhuǎn)火射擊能力,從而貽誤戰(zhàn)機(jī),因此建立不同艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化理論是提高其防空作戰(zhàn)靈活性和快速性的有效途徑。
根據(jù)典型的艦空導(dǎo)彈的彈道特性,可得艦空導(dǎo)彈毀傷空中目標(biāo)概率曲線,見圖1。
圖1 艦空導(dǎo)彈對典型目標(biāo)毀傷概率曲線
其中:Dsy、Dsj表示艦空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界、近界的斜距在水平面上的投影;Dsmax表示艦空導(dǎo)彈單發(fā)最大毀傷概率下的殺傷區(qū)斜距在水平面上投影;在最大毀傷概率射程下艦空導(dǎo)彈單發(fā)毀傷概率為Pmax,來襲目標(biāo)到達(dá)該點(diǎn)的瞬時(shí)稱為最大毀傷瞬時(shí)tsmax;tsy表示艦空導(dǎo)彈到達(dá)殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Dsy的瞬時(shí),稱為最早毀傷瞬時(shí),相應(yīng)的毀傷概率稱為最早毀傷概率。依據(jù)艦空導(dǎo)彈先期毀傷目標(biāo)準(zhǔn)則,通常不會(huì)將毀傷時(shí)機(jī)規(guī)劃到最大毀傷瞬時(shí)tsmax之后,則首發(fā)毀傷瞬時(shí)應(yīng)被規(guī)劃在區(qū)間[tsy,tsmax]內(nèi)。
射擊提前系數(shù)是用于決定艦空導(dǎo)彈的預(yù)期毀傷瞬時(shí)的,假設(shè)射擊提前系數(shù)為α∈[0,1],其上下邊界分別對應(yīng)發(fā)射單元的最早毀傷瞬時(shí)和最大毀傷瞬時(shí),α越大,表示毀傷時(shí)機(jī)越早[2]。設(shè)某次射擊的毀傷瞬時(shí)為ths,則,即ths=α·tsy+(1-α)·tsmax。
式中:tsmax為最大毀傷瞬時(shí),來襲目標(biāo)到達(dá)該點(diǎn),艦空導(dǎo)彈毀傷概率最大;tsy為來襲目標(biāo)到達(dá)艦空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界的時(shí)刻,稱為最早毀傷瞬時(shí)。
假設(shè)目標(biāo)勻速直線飛行的情況下,記某瞬時(shí)tsj、ths分別為艦空導(dǎo)彈對目標(biāo)的射擊瞬時(shí)和毀傷瞬時(shí);為在毀傷瞬時(shí)為ths時(shí)艦空導(dǎo)彈殺傷目標(biāo)所需要的飛行時(shí)間。當(dāng)艦空導(dǎo)彈彈道特性與來襲目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型及初始狀態(tài)一定時(shí),艦空導(dǎo)彈理論彈道任一點(diǎn)的艦空導(dǎo)彈飛行時(shí)間都是可求的,且有。
在艦空導(dǎo)彈任意射擊瞬時(shí)t,一旦求得艦空導(dǎo)彈的毀傷瞬時(shí)ths,由即可求得該艦空導(dǎo)彈的射擊瞬時(shí)。當(dāng)α∈[0,1]時(shí),α越大,表示毀傷時(shí)機(jī)越早;α越小,表明艦空導(dǎo)彈的毀傷概率越高。
為α確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)娜≈担礇Q定了艦空導(dǎo)彈的對來襲目標(biāo)的發(fā)射時(shí)機(jī)。當(dāng)α=0時(shí),相當(dāng)于最大毀傷概率下的艦空導(dǎo)彈射擊;當(dāng)α=1時(shí),相當(dāng)于最早毀傷時(shí)機(jī)下的艦空導(dǎo)彈對目標(biāo)進(jìn)行射擊。前者可能降低艦空導(dǎo)彈最大攔截次數(shù),后者可能損失艦空導(dǎo)彈的殺傷概率。
如對艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)不加以限制的情況下,根據(jù)艦空導(dǎo)彈射擊提前系數(shù)的定義,其取值范圍為α∈[0,1],其左右邊界分別對應(yīng)艦空導(dǎo)彈最大毀傷概率下的毀傷瞬時(shí)和最早毀傷時(shí)機(jī)下的毀傷瞬時(shí)。
1)目標(biāo)函數(shù)
基于先期毀傷的艦空導(dǎo)彈射擊時(shí)機(jī)優(yōu)化是指在保證艦空導(dǎo)彈滿足對目標(biāo)的期望毀傷概率的前提下,能夠盡早實(shí)施導(dǎo)彈發(fā)射,此種條件下艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為
2)模型相關(guān)說明
當(dāng)多型艦空導(dǎo)彈對目標(biāo)進(jìn)行攔截時(shí),即i>1時(shí),在αi∈[αjk,1]范圍內(nèi),當(dāng)有許多組α=(α1,…,αm)滿足期望毀傷。每一組α=(α1,…,αm)都有相應(yīng)的一組射擊瞬時(shí)t=(t1,…,tm)與之對應(yīng),即對應(yīng)毀傷概率分布律權(quán)重γ=(γ1,…,γm)和毀傷概率分布Q=(Q1,...,Qm)。
式中:Q(αi)=Q(ti),i=1,…,m,為艦空導(dǎo)彈毀傷概率Pi(αi)的概率分布;γ(αi)=γ(ti),i=1,…,m,稱為艦空導(dǎo)彈毀傷概率分布Q(ti)的權(quán)重系數(shù)。
設(shè)m個(gè)不同型號的艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對同一目標(biāo)進(jìn)行攔截時(shí),其毀傷概率的計(jì)算方法與連射或齊射n發(fā)導(dǎo)彈殺傷單個(gè)目標(biāo)的概率計(jì)算方法相同,在毀傷瞬時(shí)規(guī)劃在區(qū)間[tsy,tsmax]內(nèi)的約束下,艦空導(dǎo)彈的毀傷概率P(t,α)具有下列性質(zhì):一是艦空導(dǎo)彈能在預(yù)期毀傷瞬時(shí)之前,能對目標(biāo)達(dá)成最大毀傷概率射擊,即在射擊提前系數(shù)不變時(shí),對目標(biāo)的毀傷概率是隨毀傷瞬時(shí)增大的一個(gè)非減函數(shù);二是艦空導(dǎo)彈能在預(yù)期毀傷瞬時(shí)之前,能對目標(biāo)達(dá)成最大毀傷概率射擊,即在射擊瞬時(shí)一定時(shí),對目標(biāo)的毀傷概率是各型艦空導(dǎo)彈射擊提前系數(shù)的單調(diào)、連續(xù)遞降函數(shù)。在任一組能夠滿足毀傷概率不小于預(yù)期毀傷概率的前提下的射擊提前系數(shù)α=(α1,…,αm),均有與之相對應(yīng)的射擊瞬時(shí)t=(t1,…,tm),為每一型艦空導(dǎo)彈的射擊提前系數(shù)αi計(jì)算得到一個(gè)恰當(dāng)值,就決定了所有艦空導(dǎo)彈的射擊時(shí)機(jī),也就完成了艦空導(dǎo)彈射擊時(shí)機(jī)的優(yōu)化分配任務(wù),從而將艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)問題轉(zhuǎn)化為射擊提前系數(shù)αi的計(jì)算與取值。艦空導(dǎo)彈毀傷目標(biāo)概率的分布函數(shù)與概率分布可用下式表示:
毀傷概率P(t)的分布函數(shù)為E(P(t))=E(t),其值由可以由下式計(jì)算得到:
根據(jù)上式可以求得毀傷概率P(t)的概率分布Q(P(t))=Q(t)。
艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī)不同,其對目標(biāo)的毀傷概率也不相同,根據(jù)艦空導(dǎo)彈毀傷目標(biāo)概率相關(guān)計(jì)算和火力分配的基本原則,要求對目標(biāo)的最大毀傷概率至少達(dá)到對目標(biāo)的預(yù)期毀傷概率,即。當(dāng)最大毀傷概率等于預(yù)期毀傷概率,則可以使得αi=αjk;若最大毀傷概率大于預(yù)期毀傷概率,則必須要對來襲目標(biāo)的最小毀傷概率和預(yù)期毀傷概率二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析。
本文研究艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化的基本準(zhǔn)則是力爭先期毀傷,盡可能期望艦空導(dǎo)彈較早的毀傷目標(biāo),這就要求艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)目標(biāo)函數(shù)中的毀傷概率的分布律的權(quán)重越大,因此給出如下權(quán)重函數(shù)γ(t)。
式中:λ為在毀傷瞬時(shí)與毀傷概率曲線中的斜率,并同時(shí)過點(diǎn)(tch,0)的直線;tch為艦空導(dǎo)彈預(yù)期毀傷瞬時(shí);t為艦空導(dǎo)彈的實(shí)際毀傷瞬時(shí)。
蟻群算法是一種新的進(jìn)化算法,近年來應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展,如控制天然氣的分流、優(yōu)化工作計(jì)劃和市場戰(zhàn)略評估等,其應(yīng)用已經(jīng)取得了引人矚目的成果,在軍事領(lǐng)域上同樣具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。例如,文獻(xiàn)[6]提出了一種將遺傳算法和螞蟻算法相結(jié)合的混合式算法,首先用遺傳算法在全局搜索出一組粗糙的最優(yōu)解,以此作為蟻群算法的初值,再利用螞蟻算法的實(shí)施程序,最終求出最優(yōu)解,通過算例分析證明,運(yùn)用該方法獲取的最優(yōu)目標(biāo)分配問題,能夠滿足大型水面艦艇編隊(duì)防空的目標(biāo)分配問題。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于解算連續(xù)空間優(yōu)化問題的改進(jìn)螞蟻算法,構(gòu)造了與蟻群轉(zhuǎn)移概率有關(guān)聯(lián)的評價(jià)函數(shù),將每條最優(yōu)路徑上余留的信息數(shù)量限制在某個(gè)固定區(qū)間,能夠更快地尋求到連續(xù)空間優(yōu)化問題的精確最優(yōu)解。本文提出一種基于網(wǎng)格劃分的連續(xù)域蟻群算法進(jìn)行結(jié)算,網(wǎng)格是直接搜索中的重要概念,因?yàn)樗枋隽藢λ阉骺臻g的一種規(guī)則抽樣。實(shí)際上,是指將變量區(qū)域利用網(wǎng)格劃分的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化,從而在網(wǎng)格點(diǎn)上求取目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),對于滿足約束條件的網(wǎng)格點(diǎn),比較解與目標(biāo)函數(shù)值之間的數(shù)量差,從中選出較優(yōu)者,并把該點(diǎn)當(dāng)做一次迭代的結(jié)果;繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算更新,直到滿足條件為止。
為了方便采用基于網(wǎng)格劃分的連續(xù)域螞蟻算法解決艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)的優(yōu)化問題,發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化模型可以采用艦空導(dǎo)彈殺傷目標(biāo)的時(shí)間函數(shù)進(jìn)行描述。
式中,ti∈[tsy,tjk]?[tsy,tsmax],i=1,2,...,n,tjk由下式計(jì)算。
艦空導(dǎo)彈射擊提前系數(shù)和發(fā)射時(shí)間分別由下式計(jì)算。
式(9)中,Tfi(ti)為艦空導(dǎo)彈i在瞬時(shí)ti彈目遭遇時(shí)導(dǎo)彈的飛行時(shí)間。
由式(6)描述的艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化模型可知,是以時(shí)間t為變量進(jìn)行描述的函數(shù)形式,則模型的約束條件為變量的連續(xù)遞增函數(shù)。因此,基于網(wǎng)格劃分思想的搜索窗口的產(chǎn)生及信息素更新的具體實(shí)現(xiàn)包括初始搜索、全程搜索、窗口更新三個(gè)步驟。
利用蟻群算法求解的變量應(yīng)為艦空導(dǎo)彈毀傷目標(biāo)的時(shí)刻ti,設(shè)其搜索窗口為TiNc=[TsyNc,TsmaxNc],其中,Nc為具體的循環(huán)次數(shù),即搜索窗口的更新次數(shù),取值為[0,∞]。采用網(wǎng)格策略搜索,第一次的搜索窗口為Ti0=[Tsy0,Tsmax0]?[tsy,tjk],i=1,2,…,m。初始搜索窗口的右端點(diǎn)可以取變量的最大值tjk,即Tsmax0=tjk;設(shè)置網(wǎng)格寬度為Δt,即限定算法的搜索精度,記N為搜索窗口的網(wǎng)格數(shù)量,通常使N·Δt遠(yuǎn)小于 min{tjk-tsy,i=1,2,…,n},這樣就能使得初始搜索窗口的寬度保持在Tsmax0-Tsy0=N·Δt,搜索范圍的左端點(diǎn)可以記為Tsy0=Tsmax0-N·Δt,而每個(gè)窗口包含N+1個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)[8~10]。
將每個(gè)變量進(jìn)行N等份,即將變量區(qū)間進(jìn)行網(wǎng)格化,從而在n維空間中構(gòu)成了(N+1)×n個(gè)點(diǎn)的網(wǎng)格形式,每只螞蟻從第1列至第n列的網(wǎng)格點(diǎn)中依次選擇一個(gè)點(diǎn)來完成一個(gè)解的構(gòu)建,并根據(jù)各網(wǎng)格點(diǎn)留下的不同信息量,用以影響其余螞蟻的移動(dòng)路徑[11]。基于此能夠完成參數(shù)空間的構(gòu)設(shè)。
如圖2所示,狀態(tài)空間所示的狀態(tài)為()1,2,4,…,3,此種狀態(tài)條件下對應(yīng)的解為
圖2 連續(xù)優(yōu)化問題的狀態(tài)空間解
螞蟻選擇第i(i=1,2,…,n)列上的一個(gè)點(diǎn)時(shí),是根據(jù)N+1個(gè)點(diǎn)的信息素分布情況進(jìn)行隨機(jī)選擇的,從第一級到第N級之間的狀態(tài)選擇概率為
式中,t為螞蟻算法的運(yùn)行時(shí)刻,將螞蟻構(gòu)建出一個(gè)完整的解記為一個(gè)時(shí)刻;τij(t)為第i列第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息量,其更新公式為
式中:f為目標(biāo)函數(shù)值,ρ為揮發(fā)系數(shù),Q為常數(shù)。
假設(shè)某組窗口下的循環(huán)次數(shù)為C,螞蟻的數(shù)量為M只,M只螞蟻中每一只都能形成一個(gè)解,首先判斷式(6)約束條件是否滿足,對滿足約束條件的解計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值才有意義,M只螞蟻經(jīng)過C次循環(huán)之后,就可以得到該組網(wǎng)格搜索窗口下的最優(yōu)解,記為to=(t1o,t2o,…,tno)。
某艦艇編隊(duì)分別配置了三種型號的艦空導(dǎo)彈,對空中多批次目標(biāo)進(jìn)行攔截,以對一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行攔截為例來規(guī)劃各型艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī),以此來驗(yàn)證上述發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化模型和蟻群算法的實(shí)現(xiàn)。如三型艦空導(dǎo)彈均能對來襲目標(biāo)進(jìn)行攔截,根據(jù)最早毀傷時(shí)刻的先后為依據(jù)進(jìn)行編號,D1為1#艦空導(dǎo)彈、D2為2#艦空導(dǎo)彈、D3為3#艦空導(dǎo)彈。規(guī)定在D=12km時(shí),毀傷自然時(shí)T=0,各型艦空導(dǎo)彈對來襲目標(biāo)的最早、最大毀傷概率對應(yīng)的射程和毀傷瞬時(shí)用DL、DM、tL、tM表示,見表1。
表1 最早、最大毀傷概率對應(yīng)的射程和毀傷瞬時(shí)
各型艦空導(dǎo)彈對來襲目標(biāo)的毀傷概率曲線和導(dǎo)彈飛行時(shí)間曲線如圖3、圖4所示。
圖3 各型艦空導(dǎo)彈毀傷概率曲線
圖4 各型艦空導(dǎo)彈飛行時(shí)間曲線
通過以上分析可以得出,艦空導(dǎo)彈對于目標(biāo)的期望的殺傷概率與不同的毀傷瞬時(shí)的情況下,可以采用本文提出的改進(jìn)式蟻群算法,分別計(jì)算出各型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)最優(yōu)的發(fā)射時(shí)刻、毀傷瞬時(shí)和射擊提前系數(shù)。下面分不同情況進(jìn)行分析論證,以不同的期望毀傷瞬時(shí)和預(yù)期的毀傷概率為想定條件,提出三種想定情況,采用基于改進(jìn)的蟻群算法優(yōu)化艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī)。
情況1:預(yù)期毀傷瞬時(shí)為20s之前,以不小于預(yù)期的毀傷概率0.85攔截來襲目標(biāo)。將目標(biāo)分配給D2、D3,毀傷時(shí)刻t2=15.2s、t3=20s,射擊提前系數(shù)α2=0.4696、α3=0,發(fā)射時(shí)機(jī),毀傷概率P2=0.6594、P3=0.5596、P*=0.85。
情況2:預(yù)期毀傷瞬時(shí)為18s之前,以不小于預(yù)期的毀傷概率0.9攔截來襲目標(biāo)。將目標(biāo)分配給D1、D3,毀傷時(shí)刻t1=6.5s、t3=17.8s,射擊提前系數(shù)α1=0.2168、α3=0.3667,發(fā)射時(shí)機(jī),毀傷概率P1=0.5827、P3=0.7604、P*=0.9。
情況3:預(yù)期毀傷瞬時(shí)為18s之前,以不小于預(yù)期的毀傷概率0.95攔截來襲目標(biāo)。將目標(biāo)分配給D1、D2、D3,毀傷時(shí)刻t1=4.6s、t2=16.5s、t3=16.2s,射擊提前系數(shù)α1=0.4457、α2=0.2723、α3=0.6333,發(fā)射時(shí)機(jī),毀傷概率 P1=0.5035、P2=0.7583、P3=0.6506、P*=0.95。
蟻群算法參數(shù)設(shè)置:蟻群信息素?fù)]發(fā)系數(shù)為0.2,搜索精度為0.1s,常數(shù)Q=1,信息素初始值為1,蟻群中螞蟻的數(shù)量為10個(gè),搜索循環(huán)的次數(shù)設(shè)為10,滿足條件算法停止的次數(shù)為3。情況3中蟻群算法的螞蟻數(shù)量為20,算法循環(huán)次數(shù)為20,其他參數(shù)不變。
通過上述分析可見,當(dāng)將來襲目標(biāo)分配至D1、D2、D3毀傷概率特性相差較大的艦空導(dǎo)彈時(shí),在能夠滿足預(yù)先給定毀傷概率的基礎(chǔ)上,對于毀傷概率傷概率較大的艦空導(dǎo)彈來講應(yīng)盡量提前其射擊時(shí)機(jī),而對于毀傷概率較小的艦空導(dǎo)彈來講應(yīng)保證盡可能高的毀傷概率時(shí)發(fā)射導(dǎo)彈。在發(fā)射時(shí)機(jī)相同的情況下,對于殺傷概率曲線變化較緩的艦空導(dǎo)彈應(yīng)優(yōu)先發(fā)射。
本文立足于艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)的特點(diǎn),提出了基于先期毀傷原則的艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)的優(yōu)化準(zhǔn)則,同時(shí)引入了與“先期毀傷”相關(guān)的“射擊提前系數(shù)”這一參數(shù)及其計(jì)算方法,并明確了先期毀傷原則下的射擊提前系數(shù)的取值范圍?;谙绕跉枷虢⒘伺灴諏?dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化模型,重點(diǎn)論證了艦空導(dǎo)彈毀傷概率的分布概率及權(quán)重函數(shù),提出基于網(wǎng)格劃分的連續(xù)域蟻群算法對艦空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)機(jī)優(yōu)化模型進(jìn)行解算的方法,采用此方法對艦空導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化,既能做到較早毀傷目標(biāo),減少火力通道占用時(shí)間,又能保證以預(yù)期毀傷概率殺傷目標(biāo),取得預(yù)期的作戰(zhàn)效果。