1、参考航迹规划在雷达组网中的应用 汤晓方1欧阳宁 韩传久 首照宇 （桂林电子工业学院 桂林 541004） 摘要：现代高技术战争中，单部雷达已经很难保证提供可靠的目标数据，雷达组网是大势所趋，本文试图就组网问题的解决，提出一个基于参考航迹规划的办法，该方法有希望可以简化计算。 关键词：雷达网，航迹规划 中图分类号： TP311.133.1 文献标识码： A 引言： 预警探测系统是战场态势实时信息源。在整个预警探测系统中，起主要作用的是雷达传感器。因此，雷达探测性能的好坏，决定了整个实时态势情报质量的优劣。从而影响双方对战争态势的评估和战略的制定，进而影响战争的进程。 一、雷达组网的必要性 在现代
2、战争中，电子干扰、反辐射导弹、隐身技术和低空突防这四大威胁已严重威胁着单站雷达的生存，更严重影响着预警网的工作。目前为止，除了在单站雷达的性能上作不断的提高，或是采用新体制的雷达，利用组网来提高雷达的探测性能是比较有效可行的，也是各国都相当重视的应用技术。利用各种不同体制、不同频率、不同极化的雷达，以现代通信设备链接各个雷达，通过布站、时域、极化域的信息，能提高对目标识别能力，对付硬摧毁的能力，从而实现对重点区域和作战对象的有效预警探测。 由于雷达组网是复杂问题：涉及到各个不同制式，不同工作频段，不同坐标，不同工作方式的雷达协调工作的问题，涉及战场环境，保护目标，地理环境，保卫方向，警戒防御对
3、象等的限制，加上雷达本身工作效能受海拔高度，天气，地理环境，大气特性，以及敌方干扰等等因素的影响，加上战场情况千差万别，在战时更称得上是瞬息万变，这使得准确了解雷达的探测效能变得异常复杂。所以，与之相关联的组网方法的研究，也是很有实际意义的。 在实际应用中，预先知道威胁可能出现的大致方向是可能并且实际的。所以整个防区的重要性不是相同的。如果能预先知道威胁出现的方向或线路，雷达网就能以最大的概率探测和预警。本文就试图利用这一点来简化组网问题的复杂性。这是由于在现代战争中，飞机用安全突防来实现精确打击是对地攻击的主要手段。为了达到安全突防的目的，航迹规划是必不可少的。规划与地形，飞机性能，敌防空系
4、统等有关。为了简化计算,这里进行参考航迹规划。 二、参考航迹规划的方法 以下先介绍用遗传算法进行参考航迹规划的方法： (1)环境模型 地形模型取为台阶模型,每个网格单元的边长为 1,网格中点的高度为该网格的高度。假设飞行器以一定的离地间隙飞行。 (2)性能指标 为了提高突防飞行器的生存力,应在敌方防区找到一条比较隐蔽的飞行航迹,飞行高度应该尽量小，以降低被探测的概率，且满足燃油、飞机性能等约束。在这里性能指标将对飞行高度和飞行时间进行惩罚。为了避免由于单目标函数值数量级不同而造成各目标对性能指标的影响1作者简介：汤晓方（ 1975-） ，女，江苏常熟市人，研究生，主要从事信号处理和辅助决策方面
5、的研究。此项目得到广西科学基金的资助。 基金项目：桂科青（ 0339039） 力的差别,建立目标的模糊满意度函数并确立合理的权系数,采用多目标模糊优化方法建立性能 指标,即 =(+) 式中和分别为飞行器沿参考航迹飞行时,飞行高度 t 和飞行时间的满意度。由于 满意度反映了对单个目标的满意程度,所以性能指标取为使多目标总满意度最大。 和是它们的加权系数,满足+=1。 单个目标的满意度函数为： imif(x)1Mf(x)mimiMimi)x(fMi)x(f0)x(F= 参考航迹的累积飞行时间所对应的 mi为起点到终点直线飞行的时间;Mi对应从起点到终点直线飞行时间的两倍；飞行高度对应的 mi为0;
6、Mi设定为10。 (3)飞行方向 当飞行器从一个网格进入相邻的网格时,限制其航向改变值不超过 45（这个假设也是符合实际的，因为飞机不会频繁的作机动飞行）,这样,从一个网格进入相邻网格,最多只能有 3 种选择。另外，飞行方向总指向目标点方向。 (4)个体编码方法 在这里，对飞行方向进行编码 ,来表示一条航迹，因为这样即可以降低信息的记忆和处理量 ,又保证参考航迹从起点出发 ,到目标点终止。一个个体表示一条航迹。个体的第 1 个基因代表飞行器的起飞点 ,基因值取为 0;第个基因代表参考航迹上第个飞行方向 ,基因值在对应网格的可行方向集中选择。图 1 给出了从起点所在的网格中点到终点所在的网格中点
7、之间的 3 条参考航迹。它们的编码为 : 参考航迹 1:011234 43233433; 参考航迹 2:032233 433333; 参考航迹 3:054322 2344322。 (5)可选方向集和可行方向集 由于飞行方向的限制,用数字 1,2,3,4,5 来表示不同的飞行方向。 每个网格中都有可选方向集和可行方向集。可选方向集是该网格内可能存在的飞行方向。可行方向集是考虑前一个网格内的飞行方向,该网格内可能存在的飞行方向。如图 1 中的参考航迹 1,在点处的可选方向集为3,4,5,考虑前一个方向 2,根据飞行航向改变值不超过 45,可行方向集应为3;同样,图 1 参考航迹 在点处的可选方向集
8、为1,2,3,4,5,考虑前一 个方向 4,可行方向集应为3,4,5。 (6)遗传算子的设计 选择算子:采用随机联赛选择。 交叉算子:采用重合点交叉。 具体步骤如下: ()随机选取两条参考航迹,判断它们是否有效重合点。 所谓有效重合点是指 2 条参考航迹在重合点交叉后,能够产生 2 条新的有效航迹。如图 1 中的参考航迹 1 和 3 的重合点,而参考航迹 1 和2的重合点和重合点就不是有效重合点。 ()若是有效重合点,则在重合点处交叉;否则,转到(),直到当代群体中有个个体进行交叉。 变异算子:在需要变异的基因处的前一个网格的可行方向集中,选取离原参考航迹最近的一个可行方向来替换原有基因值,然
9、后根据新的方向产生逐渐向原参考航迹靠近的一小段新的航迹,直到与原参考航迹重合,且满足方向要求。如图 1 中的参考航迹 3在点处发生变异。 三、试验结果： 在如下图的地域为 4040km 的地图上，假设的飞行高度为 150米，以一定的速度由起点飞行至终点。按照上述的算法，在 VC6.0 下编程运行，得到的参考航迹如图 2： 由此可见，该算法可以较好的规避地形威胁，尽量采取威胁最小路径，在此条件下也满足最短路径的要求，可以认为是真实可信的。 需要说明的是，因为问题的特殊性，设计的编码不同于不同的遗传算法的编码。也因此，该算法的交叉和变异操作也不同于一般的遗传算法，比如，任意两条航迹，不一定能做交叉
10、运算，因为他们可能没有交点。运行的结果显示，该算法的效率略低于标准的遗传算法，不一定每次都收敛到最优解，有可能得到在最优解附近的次优解。这是由于编码不等长造成的。 图 2 仿真结果 所以，由以上的航迹，我们可以在复杂地形下比较容易地进行布站。方法是以有效的探测上述航迹为条件，综合其他条件来优化布站，就可以确保探测飞行物的有效性。 如图，假设有两部探测器 A 和 B，需要布置在如上的地域里。要满足的条件为能够有效的探测航迹以及探测盲区尽可能小。方法是，在所有可能的位置都进行部署，然后逐个进行计算。如：形成的盲区有多大，是否能对航迹有效的探测；将该值记录以便进行比较；进行遍历搜索，记录所有可能方案
11、里最好的值，就是所要求的部署位置。如图示 A，B点即为所求。 由此，我们可以看出，在优化航迹的基础上进行布站，简化了布站的工作难度，要知道，在复杂的地形下布站，地形因素对雷达探测性能的影响是比较难于准确计算的，比如，地质情况，大气环境，丘陵或山地的起伏造成的遮蔽作用等。当然，用参考航迹辅助布站，目前还只考虑了较为简单的情况，在如何快速计算雷达探测效能等方面还有很多工作可以做，也是目前正在进行的方向。 参考文献： 1Dan Oprison,Herman Rohling “Tracking Systems for Automotive Radar Networks“ 2C.J.Baker alwa
12、ys take many time .In this paper we have a new method trying to simplify the work. First，f ind out the flight path in digital map, then use the result to calculate the position of radar. In condition that can detect the flight path, along with other restrictions. This should be very useful in practice. Keywords: radar network, flight path programming 作者简介： 汤晓方，（1975-），女，汉族，硕士研究生，主要从事信号处理和辅助决策方面的研究。 欧阳宁，（1972-），男，博士，汉族，副教授，从事图像信号传输与处理，数据采集与融合，以及多媒体显示等方面的工作。
