海上通信中继平台阵位配置优化模型.pdf

（）指挥控制与仿真 引用格式：何伟，王凡，张永胜海上通信中继平台阵位配置优化模型指挥控制与仿真，（）：，（）：海上通信中继平台阵位配置优化模型何 伟，王 凡，张永胜（江苏自动化研究所，江苏 连云港）摘 要：针对海上通信中继装备的综合运用，结合最大通信距离、目标威胁分布等条件，提出中继平台阵位配置优化模型，解决通信中继平台阵位的最优部署问题。该模型基于中继平台航路起点到阵位点距离最短原则，对通信距离、目标威胁约束下的中继平台阵位配置问题进行建模，利用凸优化方法获得阵位配置最优解的解析形式。最优解具有较强的可解释性，并且求解过程避免使用传统的迭代式或启发式求解方法，具有计算量小的优点。算例分析表明，对任务平台和威胁目标的不同位置分布情况，可以快速获得阵位配置最优解。关键词：通信中继；阵位配置；优化方法；条件中图分类号：；文献标志码：，（，）：，：；收稿日期：修回日期：作者简介：何伟（），男，高级工程师，硕士，主要从事数据融合与辅助决策技术研究。近年来，由于通信隐蔽、作用距离远等特点的海上通信手段受到了广泛的关注，相关技术已趋于成熟，并逐渐开始投入使用。与此同时，海上通信手段的组织运用技术也在快速发展，其中通信中继平台（以下简称中继平台）的阵位配置优化已逐渐成为研究热点，具有广阔的应用前景。通过对中继平台的阵位进行配置优化，来确保通信保障的最大化效能。目前，中继平台的阵位配置优化技术已有一定基础，从近几年该领域的研究情况看，阵位部署模型研究主要关注于中继平台覆盖能力的静态部署以及多中继平台的协同部署，但阵位配置建模要素未考虑存在目标威胁的情况，并且模型缺乏分析导致最优解可解释性较差，求解方法主要以现代智能算法为主，如遗传算法、粒子群优化算法等，这些算法计算量较大，若约束条件复杂，使用迭代法或启发法求解将耗费大量的计算代价，甚至难以求解。因此，本文面向单中继平台保障两个海上任务平台的使用场景，在考虑存在目标威胁的情况下，建立中继平台阵位配置模型，利用优化方法给出任务平台和威胁目标不同位置分布下的解析解，实现动态的中继阵位优化，满足任务平台遂行阵位伏击任务时的通信需要。海上通信中继平台阵位配置模型构建本文的阵位配置优化模型是指在单个通信中继平台航路起点已定情况下，基于航路起点到中继阵位点距离最短原则，计算中继平台在目标威胁半径外的最优阵位点，在航路代价最小的情况下达到同时保障多个任务平台的效能，实现中继平台阵位点的优化配置，如图 所示。设任务平台 的任务点坐标为（，），任务平台 对应的最大通信距离为，威胁目标的坐标为（，），到 何 伟，等：海上通信中继平台阵位配置优化模型第 卷图 海上通信中继平台阵位配置优化 威胁目标的安全半径为，假设任务平台之间坐标位置不重合，任务平台和威胁目标之间的坐标位置不重合，中继平台的航路起点坐标为（，），中继平台的最优阵位点坐标为（，），根据中继平台的航路起点到阵位点路径最小原则建立阵位配置优化模型为（，）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）该模型为典型的带约束优化问题，由于最后一个约束条件的存在，该问题是一个非凸问题，因此使用传统优化迭代算法进行求解具有一定的困难。在常见的使用模式中，中继平台一般只需保障个任务平台的通信，因此相应的阵位配置优化模型可简化为：（，）（）（）（）（）（）（）（）（）以上问题 包括三个约束条件，分别为阵位点可同时保证对任务平台 和 的通信，并在安全范围之内。海上通信中继平台阵位配置模型求解对通信中继平台保障 个任务平台情况下的阵位配置最优解进行分析，以获取最优解的解析形式，避免迭代法难以求解非凸优化的困难。问题 的求解需要引入拉格朗日函数（，），即（，）（，）（）（）（）（）（）（）根据凸优化理论中的最优性条件即可求出问题 的解，问题 最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（），（）（），（）（），（）（）（）（）（）（）根据最优性条件，按照个约束条件是否起作用分为 种情况进行分析：）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的三个约束条件都不起作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立（）、（）解得 和 ，若还满足（）、（）和（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的第一个和第二个约束条件不起第 期指挥控制与仿真 作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立（）、（）和（）求解得 （）（）若，且满足（）和（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的第二个和第三个约束条件不起作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立（）、（）和（）求解得（）（）若，且满足（）和（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的第二个约束条件不起作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立后两式（）和（）可得四组解。当 时，解为：（）（）（）（）和（）（）（）（）当 时，解为：（）（）（）（）（）（）这里要求 ，其中 （）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）可得（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将求得的四组解带入和，满足 和，且满足（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的第一个和第三个约束条件不起作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）何 伟，等：海上通信中继平台阵位配置优化模型第 卷（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立（）、（）和（）求解得（）（）若，且满足（）和（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的第一个约束条件不起作用，对应的，对应的最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）可得的四组解。当 时，解为：（）（）（）（）和（）（）（）（）当 时，解为：（）（）（）和 （）（）（）这里要求 ，其中 （）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）可得（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将求得的四组解带入和，满足 和，且满足式（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的只有第三个约束条件不起作用，对应的，对应的最优性条件变为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）可得两组解。当 时，解为：（）（）（）（）（）（）（）（）当 时，解为 （）（）（）（）（）（）这里要求 ，其中第 期指挥控制与仿真 （）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）可得（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将求得的四组解带入和，满足 和，且满足式（），则求得问题解。）假设任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系满足：（）（）（）（）（）（）则最优性条件中的三个约束条件都起作用，对应的，最优性条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）联立式（）和（）得到四组解，且与情况）的解一致，对四组解进行检验，满足式（）的解为问题的解。由于中继平台阵位配置问题的解只要满足）中的一种即为 点，可以根据任务平台参数、威胁目标参数和中继平台航路起点关系的 种情况进行求解，获得中继平台阵位配置点。阵位配置模型算例分析假设任务平台 的任务点坐标为（，），任务平台 的通信距离约束为，任务平台 的任务点坐标为（，），任务平台 的通信距离约束为，威胁目标的坐标为（，），威胁半径为，由于情况）、）、）和情况）的求解类似，因此只给出情况）、）、）、）和）种场景的模型求解分析。）水面通信中继平台航路起点坐标为（，），场景如图 所示。按情况）计算后有（，）（，），并且（，）满足（）、（）和（），因此（，）为问题解。图 中继平台阵位配置场景 ）水面通信中继平台航路起点坐标为（，），场景如图 所示。图 中继平台阵位配置场景 按情况）计算后有，（，）（，），并且（，）满足（）和（），因此（，）为问题解。）水面通信中继平台航路起点坐标为（，），场景如图 所示。按情况）计算后有，（，）（，），并且（，）满足（）和（），因此（，）为问题解。）水面通信中继平台航路起点坐标为（，），场景如图 所示。按情况）计算后有 ，（，）（，），并且（，）满足（）和（），因此（，）为问题解。）水面通信中继平台航路起点坐标为（，），场景如图 所示。何 伟，等：海上通信中继平台阵位配置优化模型第 卷图 中继平台阵位配置场景 图 中继平台阵位配置场景 按情况）计算后解为（，），（，），第一个解不满足，第二个解对应的，并且对应的（，）满足（），因此（，）为问题解。结束语海上通信手段具有通信隐蔽、作用距离远等特点已成为保障任务平台的重要力量，在特定约束条件下，如何使用通信中继平台，实现部署阵位的优化配置，是实现高效通信保障亟须解决的问题。本文针对单个通信中继平台保障两个海上任务平台的使用背景，考虑了通信距离、威胁目标的约束条件，基于中继平台起点到阵位部署点距离最短原则提出了中继平台阵位配置模型，给出了解析解，求解速度比传统的迭代式或启发图 中继平台阵位配置场景 式方法求要快。下一步作者将继续针对存在海上限制区域的保障情况，考虑中继平台航程、海洋环境、地球曲率因素，展开深入研究，提出其他使用场景下中继平台阵位配置的优化目标形式。参考文献：，（），：，（）：，（），：，（）：，（）：，（）：，第 期指挥控制与仿真 ，（）：，（）：，（）：，（），：，（）：（责任编辑：胡前进）