謝佑波 朱竹青 周紅波

（海軍指揮學(xué)院 南京 210006）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)信息化、智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)群將被廣泛用于執(zhí)行各種作戰(zhàn)任務(wù)。無(wú)人機(jī)群的組網(wǎng)控制能力影響著無(wú)人機(jī)群的作戰(zhàn)效能發(fā)揮，因此開(kāi)展無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性問(wèn)題研究十分重要。針對(duì)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性低的問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)虛擬力的無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性。

2 基于改進(jìn)虛擬力的無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法

在受到干擾時(shí)，無(wú)人機(jī)群各成員之間通信連通性下降，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)能力下降。利用改進(jìn)的虛擬力模型，結(jié)合虛擬力作用原理[1]，改進(jìn)虛擬力算法用于對(duì)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 虛擬力原理用于提高無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)連通性的方法

首先，無(wú)人機(jī)確定與其有通信關(guān)系的相鄰無(wú)人機(jī)，只有這些無(wú)人機(jī)對(duì)其有虛擬力的作用。設(shè)無(wú)人機(jī)Si(xi，yi)的相鄰無(wú)人機(jī)Sj( )xj，yj集合表示為

其次，無(wú)人機(jī)逐個(gè)接收相鄰無(wú)人機(jī)的通信信號(hào)，同時(shí)測(cè)出干信比。當(dāng)無(wú)人機(jī)測(cè)出的干信比大于穩(wěn)定通信時(shí)的干信比，即判斷受到干擾。

再次，無(wú)人機(jī)逐個(gè)計(jì)算出與相鄰無(wú)人機(jī)通信時(shí)的等效穩(wěn)定通信距離，接著計(jì)算相鄰無(wú)人機(jī)對(duì)其產(chǎn)生的虛擬力。

然后，無(wú)人機(jī)求出所受的虛擬力合力，并在虛擬力合力的作用下改變?cè)冗\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行移動(dòng)。

最后，無(wú)人機(jī)測(cè)得與相鄰無(wú)人機(jī)通信時(shí)的干信比等于穩(wěn)定通信時(shí)的干信比，就保持原先的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行移動(dòng)。

2.2 局部極小值問(wèn)題的解決

局部極小值問(wèn)題是由虛擬力算法本身的設(shè)計(jì)引起的，基于改進(jìn)虛擬力算法的無(wú)人機(jī)在運(yùn)動(dòng)中容易陷入局部極小值問(wèn)題。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)很難掌握全局的信息，也沒(méi)有固定的目標(biāo)點(diǎn)，難以構(gòu)造特殊的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)來(lái)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)解決局部極小值問(wèn)題。這里基于逃離法解決局部極小值問(wèn)題，使得無(wú)人機(jī)更好地完成運(yùn)動(dòng)調(diào)整，提高與相鄰無(wú)人機(jī)通信鏈路的連通性[2～9]。

1）局部極小值判定。當(dāng)無(wú)人機(jī)通過(guò)測(cè)出的干信比感知相鄰無(wú)人機(jī)對(duì)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(shí)，即可認(rèn)為已經(jīng)陷入局部極小值[10]。

2）設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)無(wú)人機(jī)判定陷入局部極小值后，在速度方向的周圍產(chǎn)生一個(gè)虛擬目標(biāo)點(diǎn)[11]。無(wú)人機(jī)在偏離力的作用下改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到擺脫局部極小值問(wèn)題，虛擬目標(biāo)點(diǎn)才消失。設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)后，無(wú)人機(jī)所受的虛擬力合力大小不會(huì)為0，方向也不會(huì)與速度的方向相反。

2.3 基于改進(jìn)虛擬力的無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法流程

在以上基礎(chǔ)上，提出基于改進(jìn)虛擬力的無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性優(yōu)化算法如圖1所示。

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

3 仿真實(shí)現(xiàn)及分析

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

由于多無(wú)人機(jī)以相同速度和方向在戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)之間可以看作是一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)，即無(wú)人機(jī)的初始速度為0。仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

1）海洋環(huán)境介質(zhì)干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)想定如圖2（a）所示：實(shí)線小圓代表著無(wú)人機(jī)，虛線大圓代表著海洋環(huán)境介質(zhì)干擾區(qū)域。五架無(wú)人機(jī)都在海洋環(huán)境介質(zhì)干擾區(qū)域內(nèi)，無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)中所有的通信鏈路都受到干擾。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2表明在海洋環(huán)境介質(zhì)干擾區(qū)域里，隨著優(yōu)化算法迭代輪數(shù)的增加，五架無(wú)人機(jī)都在不斷地靠攏。這是由于海洋環(huán)境介質(zhì)影響著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)無(wú)人機(jī)，使得它們各自的等效穩(wěn)定通信距離變短。因此，五架無(wú)人機(jī)就在虛擬力和吸引力的作用下不斷靠攏，當(dāng)各自達(dá)到等效穩(wěn)定通信距離，建立起穩(wěn)定的通信鏈路，就不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 海洋環(huán)境介質(zhì)干擾下無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)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(wú)人機(jī)都在不斷進(jìn)行靠攏運(yùn)動(dòng)。但是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系沒(méi)發(fā)生很大變化。因此，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)始終保持相對(duì)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(luò)連通率在不斷的提高。在輪數(shù)0到輪數(shù)10之間網(wǎng)絡(luò)連通率提高的很快，這是由于一開(kāi)始無(wú)人機(jī)之間的距離遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變比較快，網(wǎng)絡(luò)連通率也就增加的快。到后來(lái)虛擬力逐漸減小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變的慢，網(wǎng)絡(luò)連通率的增加趨于平緩。

圖3 海洋環(huán)境介質(zhì)干擾下網(wǎng)絡(luò)特征變化

2）信號(hào)壓制干擾下的仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)想定如圖4（a）所示：實(shí)線小圓代表著無(wú)人機(jī)，虛線大圓代表著信號(hào)壓制干擾區(qū)域。無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)中的兩架無(wú)人機(jī)在信號(hào)壓制干擾區(qū)域內(nèi)。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 信號(hào)壓制干擾下無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)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(wú)人機(jī)不斷地遠(yuǎn)離干擾區(qū)域，而相鄰無(wú)人機(jī)也不斷遠(yuǎn)離干擾區(qū)域。干擾區(qū)域內(nèi)的無(wú)人機(jī)在吸引力的作用下靠近相鄰無(wú)人機(jī)，在靠近過(guò)程中，由于相鄰無(wú)人機(jī)的等效通信距離沒(méi)變，干擾區(qū)域內(nèi)的無(wú)人機(jī)又對(duì)它們產(chǎn)生斥力的作用，相鄰無(wú)人機(jī)也往遠(yuǎn)離干擾的地方移動(dòng)。最終兩架受干擾的無(wú)人機(jī)都脫離信號(hào)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(wú)人機(jī)都在不斷的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)整，但在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)人機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系沒(méi)發(fā)生大的變化。因此，無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)始終保持相對(duì)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(luò)連通率不斷的提高。然而在輪數(shù)30到輪數(shù)60之間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致的。在輪數(shù)0到輪數(shù)20之間，主要是被干擾的無(wú)人機(jī)在引力作用下靠近相鄰無(wú)人機(jī)，網(wǎng)絡(luò)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(wú)人機(jī)在斥力的作用下遠(yuǎn)離被干擾的無(wú)人機(jī)，因此，網(wǎng)絡(luò)連通率提高的比較緩慢。

圖5 信號(hào)壓制干擾下網(wǎng)絡(luò)特性變化

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法能夠顯著提高無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的連通性?；谕环N優(yōu)化算法的無(wú)人機(jī)在遭遇不同干擾時(shí)的反應(yīng)不同，主要由于海洋環(huán)境介質(zhì)干擾對(duì)通信鏈路連通性的影響是雙向的，無(wú)人機(jī)雙方都會(huì)受到引力作用。而信號(hào)壓制干擾對(duì)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(hào)壓制干擾強(qiáng)度大，干擾范圍小，只要網(wǎng)絡(luò)中有無(wú)人機(jī)沒(méi)受到干擾，基于優(yōu)化算法的無(wú)人機(jī)都可以脫離干擾區(qū)，從而保證無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的連通性；而海洋環(huán)境介質(zhì)干擾強(qiáng)度低，但是干擾范圍比較大[12]，無(wú)人機(jī)可通過(guò)運(yùn)動(dòng)調(diào)整來(lái)獲得良好的通信鏈路，從而保證無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的連通性。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)連通性低的問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)虛擬力的無(wú)人機(jī)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(guò)設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)解決局部極小值問(wèn)題，使得無(wú)人機(jī)能根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化進(jìn)行快速的運(yùn)動(dòng)調(diào)整，提高與相鄰無(wú)人機(jī)通信鏈路的連通性，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果證明提出的優(yōu)化算法能夠提高無(wú)人機(jī)群自組網(wǎng)的連通性。