本發(fā)明涉及集群協(xié)同電磁頻譜對抗領(lǐng)域領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法。

背景技術(shù)：

1、在無人集群電磁頻譜偵察技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)作戰(zhàn)指揮下達(dá)的具體電磁頻譜偵察戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，無人集群形成對應(yīng)的任務(wù)子群，是集群協(xié)同中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。現(xiàn)有子群生成機(jī)制多為在集中式或分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，采用傳統(tǒng)精確編程進(jìn)行尋優(yōu)，從而得到最優(yōu)子群。集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的生成機(jī)制魯棒性差，無法應(yīng)對突發(fā)狀況，典型情景如任務(wù)重規(guī)劃、節(jié)點(diǎn)故障及節(jié)點(diǎn)被火力跟蹤等；分布式拓?fù)湓谝欢ǔ潭壬蠈壕W(wǎng)的資源造成了冗余；傳統(tǒng)精確編程隨著集群規(guī)模的升級必然會(huì)出現(xiàn)“維度災(zāi)難”問題，同時(shí)目前的尋優(yōu)算法的尋優(yōu)參數(shù)并沒有考慮到電磁頻譜偵察的具體場景因此泛華能力差。因此，根據(jù)電磁頻譜偵察的具體戰(zhàn)術(shù)場景，在特定系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)下，設(shè)計(jì)任務(wù)子群的生成機(jī)制具有重要的研究價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明包括如下步驟：

3、(1)地面站從無人艇群中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始候選簇頭，地面站向所選節(jié)點(diǎn)發(fā)送戰(zhàn)術(shù)任務(wù)和相關(guān)參數(shù)，如果被隨機(jī)選中的節(jié)點(diǎn)接收到了這些指令，它會(huì)將自己的坐標(biāo)和任務(wù)參數(shù)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)；

4、(2)其他節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)任務(wù)參數(shù)和自身信息，利用啟發(fā)式算法計(jì)算出自己的加權(quán)度量函數(shù)值，并將結(jié)果發(fā)送回初始候選簇頭節(jié)點(diǎn)，初始候選簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加權(quán)度量函數(shù)值進(jìn)行排序，并選擇加權(quán)度量函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為第二輪的候選簇頭節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行第二輪迭代，這個(gè)過程一直持續(xù)，直到候選簇頭節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定不變，迭代結(jié)束；

5、(3)簇頭節(jié)點(diǎn)將根據(jù)任務(wù)分解算法模塊，將戰(zhàn)術(shù)任務(wù)分解成各個(gè)節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行的個(gè)體任務(wù)。

6、進(jìn)一步地，所述步驟(1)中無人艇群中的簇頭選舉過程和任務(wù)指令傳遞過程包括：地面站通過隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始候選簇頭來發(fā)起任務(wù)指令，如果該節(jié)點(diǎn)接收到了任務(wù)指令，它會(huì)將自己的坐標(biāo)和任務(wù)參數(shù)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，從而組成一個(gè)簇頭，這個(gè)簇頭負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他節(jié)點(diǎn)的行動(dòng)，完成任務(wù)。

7、進(jìn)一步地，所述步驟(2)的計(jì)算過程為：

8、假設(shè)共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，基站隨機(jī)選擇某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為第一輪候選簇頭，并向簇頭節(jié)點(diǎn)廣播其成為簇頭的信息以及其他簇頭節(jié)點(diǎn)的編號，然后簇頭節(jié)點(diǎn)向其他n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)宣布自己為本輪簇頭，通信內(nèi)容為“成為簇頭”的信息和自身id的編號；

9、計(jì)算自身與簇頭之間的聚類度量權(quán)重，加入與自己相連邊上的聚類度量權(quán)重最大的節(jié)點(diǎn)，并向?qū)?yīng)的簇頭發(fā)送應(yīng)答消息和坐標(biāo)消息，簇頭接收到成員的聚類度量權(quán)重后，選擇聚類度量權(quán)重最高的成員作為下一輪候選簇頭，以此循環(huán)迭代；

10、根據(jù)聚類損失函數(shù)即各個(gè)樣本距離所屬簇中心點(diǎn)的誤差平方和不再減少時(shí)迭代結(jié)束。

11、進(jìn)一步地，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)根據(jù)聚類度量權(quán)重公式：

12、r＝q1dmi+q2i+q3s+q4t+q5em

13、其中q*為權(quán)重系數(shù)，dmi是節(jié)點(diǎn)與任務(wù)區(qū)中心之間距離，i是節(jié)點(diǎn)測向精度，s是靈敏度，t是健康指數(shù)，em是簇頭當(dāng)前油量。

14、進(jìn)一步地，所述步驟(3)包括由簇頭節(jié)點(diǎn)按照預(yù)置策略將戰(zhàn)術(shù)級任務(wù)分解為個(gè)體節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行的原子任務(wù)，通過對任務(wù)指令進(jìn)行基于時(shí)序的分解，使用時(shí)序圖來刻畫戰(zhàn)術(shù)，輸出原子任務(wù)序列文件，并在集群內(nèi)發(fā)起招標(biāo)。

15、進(jìn)一步地，所述步驟(3)計(jì)算過程為：

16、(3.1)根據(jù)任務(wù)內(nèi)容，設(shè)想實(shí)際任務(wù)場景，制定相應(yīng)任務(wù)實(shí)施規(guī)則和計(jì)劃范圍，按照任務(wù)需要設(shè)定整體集群的任務(wù)目的和環(huán)境規(guī)劃路線，建立整個(gè)任務(wù)過程中所有無人節(jié)點(diǎn)應(yīng)有的任務(wù)航跡路線以及工作模式的數(shù)學(xué)模型，比通過理論推導(dǎo)，尋找最優(yōu)的任務(wù)模型；

17、(3.2)根據(jù)理論的數(shù)學(xué)模型以及任務(wù)的預(yù)設(shè)參數(shù)，計(jì)算實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過程中所需各無人節(jié)點(diǎn)實(shí)際航跡路線以及對應(yīng)工作模式；

18、(3.3)將各無人節(jié)點(diǎn)實(shí)際航跡路線以及對應(yīng)工作模式分解成對應(yīng)的集群任務(wù)序列，并將序列中每條原子任務(wù)在集群內(nèi)部發(fā)起招標(biāo)。

19、進(jìn)一步地，所述步驟(3.1)使用區(qū)域?qū)亲鴺?biāo)來確定搜索區(qū)域，采用分區(qū)域搜索方式，即根據(jù)無人艇數(shù)量的不同，將較大的目標(biāo)區(qū)域分隔成相應(yīng)數(shù)量的小區(qū)域，然后每個(gè)無人艇負(fù)責(zé)對相應(yīng)的小區(qū)域進(jìn)行搜索和路徑規(guī)劃。

20、進(jìn)一步地，所述分區(qū)域搜索方式計(jì)算過程包括：

21、已知矩形搜索區(qū)域?qū)亲鴺?biāo)，確定矩形搜索范圍，已知無人艇與無人艇編隊(duì)數(shù)量確定搜索子區(qū)域個(gè)數(shù)，并把無人艇與無人艇分配到各個(gè)子區(qū)域中進(jìn)行區(qū)域搜索；

22、基于無人艇和無人艇的靈敏度確定其搜索半徑，進(jìn)而確定其可搜索到的區(qū)域范圍。

23、進(jìn)一步地，所述可搜索區(qū)域范圍計(jì)算方法為：

24、無人艇搜索雷達(dá)探測區(qū)域?yàn)閳A形，若不考慮無人艇姿態(tài)角變化，無人艇的探測范圍是一半徑為r的圓，

25、矩形搜索區(qū)域左上角坐標(biāo)(xl，yl)和右下角坐標(biāo)(xr，yr)，確定矩形搜索范圍，設(shè)無人艇編隊(duì)數(shù)量分別為m，n，確定搜索子區(qū)域個(gè)數(shù)，并把無人艇利用特定的算法將它們分配到各個(gè)子區(qū)域中進(jìn)行區(qū)域搜索任務(wù)的執(zhí)行，設(shè)無人艇子區(qū)域的長與寬分別為l和w；

26、若則無人艇無需移動(dòng)，定點(diǎn)在子區(qū)域中心即可對所有區(qū)域范圍進(jìn)行搜索；若則無人艇需按照下面的規(guī)則進(jìn)行路徑規(guī)劃，使整個(gè)區(qū)域被覆蓋。

27、進(jìn)一步地，所述無人艇最小轉(zhuǎn)彎半徑約束為：

28、最小轉(zhuǎn)彎半徑r與探測范圍半徑r相等；

29、無人艇最小轉(zhuǎn)彎次數(shù)為無人艇編隊(duì)進(jìn)行直線一右轉(zhuǎn)彎-直線的區(qū)域搜索，如此重復(fù)，直到對目標(biāo)區(qū)域偵察或監(jiān)控任務(wù)結(jié)束為止；

30、當(dāng)w＝2nr時(shí)，無人艇恰好能對區(qū)域進(jìn)行掃描，且無多余區(qū)域被掃描；

31、當(dāng)2nr＜w＜2(n+1)r時(shí)，考慮不存在間隙的轉(zhuǎn)彎過程，有s＝[2(n+1)r-w]·l的面積被多余掃描。

32、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

33、本發(fā)明基于去中心的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以協(xié)同電磁頻譜對抗戰(zhàn)術(shù)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，無人艇群的任務(wù)子群通過分布式部署的智能決策軟件系統(tǒng)進(jìn)行自組織協(xié)商產(chǎn)生；在實(shí)現(xiàn)集群自組織行動(dòng)過程中使用分布式優(yōu)化策略，大幅度減少了中央控制系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，有效解決了由于集群規(guī)模的非線性增長帶來的“維度災(zāi)難”，使得此機(jī)制可以再大規(guī)模無人節(jié)點(diǎn)集群任務(wù)中起到良好的控制效果；在實(shí)現(xiàn)集群啟發(fā)式算法過程中通過多級判斷程序，可以保證無人艇節(jié)點(diǎn)的分組更加有針對性和有效性，也能夠提高任務(wù)完成的成功率和效率；在自組織過程中考慮了與距任務(wù)區(qū)中心距離、靈敏度、測向精度、剩余油量、健康指數(shù)五個(gè)因素，將其結(jié)合，分別賦予不同的權(quán)重，使得尋優(yōu)結(jié)果達(dá)到最優(yōu)效果。

技術(shù)特征：

1.一種適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述步驟(1)中無人艇群中的簇頭選舉過程和任務(wù)指令傳遞過程包括：地面站通過隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始候選簇頭來發(fā)起任務(wù)指令，如果該節(jié)點(diǎn)接收到了任務(wù)指令，它會(huì)將自己的坐標(biāo)和任務(wù)參數(shù)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，從而組成一個(gè)簇頭，這個(gè)簇頭負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其他節(jié)點(diǎn)的行動(dòng)，完成任務(wù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述步驟(2)的計(jì)算過程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)聚類度量權(quán)重公式表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述步驟(3)包括由簇頭節(jié)點(diǎn)按照預(yù)置策略將戰(zhàn)術(shù)級任務(wù)分解為個(gè)體節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行的原子任務(wù)，通過對任務(wù)指令進(jìn)行基于時(shí)序的分解，使用時(shí)序圖來刻畫戰(zhàn)術(shù)，輸出原子任務(wù)序列文件，并在集群內(nèi)發(fā)起招標(biāo)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述步驟(3)計(jì)算過程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述步驟(3.1)使用區(qū)域?qū)亲鴺?biāo)來確定搜索區(qū)域，采用分區(qū)域搜索方式，即根據(jù)無人艇數(shù)量的不同，將較大的目標(biāo)區(qū)域分隔成相應(yīng)數(shù)量的小區(qū)域，然后每個(gè)無人艇負(fù)責(zé)對相應(yīng)的小區(qū)域進(jìn)行搜索和路徑規(guī)劃。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述分區(qū)域搜索方式計(jì)算過程包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述可搜索區(qū)域范圍計(jì)算方法為：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，其特征在于，所述無人艇最小轉(zhuǎn)彎半徑約束為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種適用于抵近電磁頻譜偵察場景下的無人艇群自組織最優(yōu)任務(wù)子群生成方法，包括地面站從無人艇群中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始候選簇頭，發(fā)送戰(zhàn)術(shù)任務(wù)和相關(guān)參數(shù)，利用啟發(fā)式算法計(jì)算出自己的加權(quán)度量函數(shù)值，并將結(jié)果發(fā)送回初始候選簇頭節(jié)點(diǎn)，選擇加權(quán)度量函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為第二輪的候選簇頭節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行第二輪迭代，直到候選簇頭節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定不變，迭代結(jié)束；簇頭節(jié)點(diǎn)將根據(jù)任務(wù)分解算法模塊，將戰(zhàn)術(shù)任務(wù)分解成各個(gè)節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行的個(gè)體任務(wù)。本發(fā)明大幅度減少了中央控制系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，有效解決了由于集群規(guī)模的非線性增長帶來的“維度災(zāi)難”，可以保證無人艇節(jié)點(diǎn)的分組更加有針對性和有效性，也能夠提高任務(wù)完成的成功率和效率。

技術(shù)研發(fā)人員：陳向堅(jiān),李迪,王傳虎,馬凌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：揚(yáng)州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24