謝佑波 朱竹青 周紅波

（海軍指揮學院 南京 210006）

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，在未來信息化、智能化戰(zhàn)爭中無人機群將被廣泛用于執(zhí)行各種作戰(zhàn)任務。無人機群的組網(wǎng)控制能力影響著無人機群的作戰(zhàn)效能發(fā)揮，因此開展無人機群自組網(wǎng)連通性問題研究十分重要。針對無人機群自組網(wǎng)連通性低的問題，提出一種基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法，并進行仿真實驗驗證了該算法的可行性。

2 基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法

在受到干擾時，無人機群各成員之間通信連通性下降，從而導致無人機群自組網(wǎng)能力下降。利用改進的虛擬力模型，結合虛擬力作用原理[1]，改進虛擬力算法用于對無人機群自組網(wǎng)連通性進行優(yōu)化。

2.1 虛擬力原理用于提高無人機自組網(wǎng)連通性的方法

首先，無人機確定與其有通信關系的相鄰無人機，只有這些無人機對其有虛擬力的作用。設無人機Si(xi，yi)的相鄰無人機Sj( )xj，yj集合表示為

其次，無人機逐個接收相鄰無人機的通信信號，同時測出干信比。當無人機測出的干信比大于穩(wěn)定通信時的干信比，即判斷受到干擾。

再次，無人機逐個計算出與相鄰無人機通信時的等效穩(wěn)定通信距離，接著計算相鄰無人機對其產(chǎn)生的虛擬力。

然后，無人機求出所受的虛擬力合力，并在虛擬力合力的作用下改變原先運動狀態(tài)，進行移動。

最后，無人機測得與相鄰無人機通信時的干信比等于穩(wěn)定通信時的干信比，就保持原先的運動狀態(tài)，進行移動。

2.2 局部極小值問題的解決

局部極小值問題是由虛擬力算法本身的設計引起的，基于改進虛擬力算法的無人機在運動中容易陷入局部極小值問題。戰(zhàn)場環(huán)境復雜，無人機在執(zhí)行任務時很難掌握全局的信息，也沒有固定的目標點，難以構造特殊的勢場函數(shù)來引導無人機解決局部極小值問題。這里基于逃離法解決局部極小值問題，使得無人機更好地完成運動調整，提高與相鄰無人機通信鏈路的連通性[2～9]。

1）局部極小值判定。當無人機通過測出的干信比感知相鄰無人機對其有虛擬力作用，如果發(fā)現(xiàn)虛擬力合力的方向與自己的速度方向相反或者虛擬力合力為零時，即可認為已經(jīng)陷入局部極小值[10]。

2）設置虛擬目標點。當無人機判定陷入局部極小值后，在速度方向的周圍產(chǎn)生一個虛擬目標點[11]。無人機在偏離力的作用下改變運動狀態(tài)，直到擺脫局部極小值問題，虛擬目標點才消失。設置虛擬目標點后，無人機所受的虛擬力合力大小不會為0，方向也不會與速度的方向相反。

2.3 基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法流程

在以上基礎上，提出基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法如圖1所示。

圖1 基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法流程

3 仿真實現(xiàn)及分析

3.1 仿真環(huán)境設置

由于多無人機以相同速度和方向在戰(zhàn)場上運動，無人機之間可以看作是一個相對靜止的狀態(tài)，即無人機的初始速度為0。仿真相關參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置表

3.2 仿真實驗及分析

1）海洋環(huán)境介質干擾下的仿真實驗。

實驗想定如圖2（a）所示：實線小圓代表著無人機，虛線大圓代表著海洋環(huán)境介質干擾區(qū)域。五架無人機都在海洋環(huán)境介質干擾區(qū)域內，無人機群自組網(wǎng)中所有的通信鏈路都受到干擾。仿真結果如圖2所示。

圖2表明在海洋環(huán)境介質干擾區(qū)域里，隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，五架無人機都在不斷地靠攏。這是由于海洋環(huán)境介質影響著網(wǎng)絡中的每個無人機，使得它們各自的等效穩(wěn)定通信距離變短。因此，五架無人機就在虛擬力和吸引力的作用下不斷靠攏，當各自達到等效穩(wěn)定通信距離，建立起穩(wěn)定的通信鏈路，就不會改變運動狀態(tài)。

圖2 海洋環(huán)境介質干擾下無人機運動的變化

圖3（a）表明隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，五架無人機都在不斷進行靠攏運動。但是在運動過程中，無人機之間的相對位置關系沒發(fā)生很大變化。因此，整個優(yōu)化過程中無人機群自組網(wǎng)的拓撲結構始終保持相對的穩(wěn)定。圖3（b）表明隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，網(wǎng)絡連通率在不斷的提高。在輪數(shù)0到輪數(shù)10之間網(wǎng)絡連通率提高的很快，這是由于一開始無人機之間的距離遠大于各自的等效穩(wěn)定通信距離，相互作用的虛擬力比較大，運動狀態(tài)的改變比較快，網(wǎng)絡連通率也就增加的快。到后來虛擬力逐漸減小，運動狀態(tài)的改變的慢，網(wǎng)絡連通率的增加趨于平緩。

圖3 海洋環(huán)境介質干擾下網(wǎng)絡特征變化

2）信號壓制干擾下的仿真實驗

實驗想定如圖4（a）所示：實線小圓代表著無人機，虛線大圓代表著信號壓制干擾區(qū)域。無人機群自組網(wǎng)中的兩架無人機在信號壓制干擾區(qū)域內。仿真結果如圖4所示。

圖4 信號壓制干擾下無人機運動的變化

如圖4所示，隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，受干擾的兩架無人機不斷地遠離干擾區(qū)域，而相鄰無人機也不斷遠離干擾區(qū)域。干擾區(qū)域內的無人機在吸引力的作用下靠近相鄰無人機，在靠近過程中，由于相鄰無人機的等效通信距離沒變，干擾區(qū)域內的無人機又對它們產(chǎn)生斥力的作用，相鄰無人機也往遠離干擾的地方移動。最終兩架受干擾的無人機都脫離信號壓制干擾區(qū)域。

圖5（a）表明，隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，五架無人機都在不斷的進行運動調整，但在整個運動過程中無人機之間的相對位置關系沒發(fā)生大的變化。因此，無人機群自組網(wǎng)的拓撲結構始終保持相對的穩(wěn)定。圖5（b）表明，隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，網(wǎng)絡連通率不斷的提高。然而在輪數(shù)30到輪數(shù)60之間時，網(wǎng)絡連通率提高的速度放緩。這是由于引力的作用效果和斥力的作用效果不均衡導致的。在輪數(shù)0到輪數(shù)20之間，主要是被干擾的無人機在引力作用下靠近相鄰無人機，網(wǎng)絡連通率提高的比較快。在輪數(shù)30到輪數(shù)60之間，主要是相鄰的無人機在斥力的作用下遠離被干擾的無人機，因此，網(wǎng)絡連通率提高的比較緩慢。

圖5 信號壓制干擾下網(wǎng)絡特性變化

仿真實驗結果表明，本算法能夠顯著提高無人機群自組網(wǎng)的連通性?；谕环N優(yōu)化算法的無人機在遭遇不同干擾時的反應不同，主要由于海洋環(huán)境介質干擾對通信鏈路連通性的影響是雙向的，無人機雙方都會受到引力作用。而信號壓制干擾對通信鏈路連通性的影響是單向的，只有一方受到引力作用。通常情況下，敵方信號壓制干擾強度大，干擾范圍小，只要網(wǎng)絡中有無人機沒受到干擾，基于優(yōu)化算法的無人機都可以脫離干擾區(qū)，從而保證無人機群自組網(wǎng)的連通性；而海洋環(huán)境介質干擾強度低，但是干擾范圍比較大[12]，無人機可通過運動調整來獲得良好的通信鏈路，從而保證無人機群自組網(wǎng)的連通性。

4 結語

針對無人機群自組網(wǎng)連通性低的問題，提出一種基于改進虛擬力的無人機群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法。利用等效穩(wěn)定通信距離作為虛擬力參量，通過設置虛擬目標點解決局部極小值問題，使得無人機能根據(jù)海戰(zhàn)場環(huán)境的變化進行快速的運動調整，提高與相鄰無人機通信鏈路的連通性，同時保證網(wǎng)絡拓撲結構的穩(wěn)定性。仿真結果證明提出的優(yōu)化算法能夠提高無人機群自組網(wǎng)的連通性。