兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (11): 3489-3497.doi: 10.12382/bgxb.2022.0845
所属专题: 群体协同与自主技术
收稿日期:
2022-09-19
上线日期:
2023-06-02
通讯作者:
基金资助:
LI Ye1,*(), ZHENG Chun2, MA Changsheng3, QIU Rongxian3
Received:
2022-09-19
Online:
2023-06-02
摘要:
针对武器装备技术的发展对防空作战带来的挑战,提出一种基于高功率微波(HPM)武器系统与中近程防空武器协同作战目标分配设计模型。该目标分配模型首先设定作战场景,考虑HPM武器系统的软、硬杀伤效能,与中程防空导弹、近程防空导弹和末端近防炮协同作战,分析HPM武器系统及中近程防空武器的拦截效率,使用模拟退火算法给出目标分配模型求解方法,得出拦截效率最大化的防空武器分配方案。仿真实验结果表明,相比于蒙特卡洛算法和粒子群优化算法,模拟退火算法能够在更短的时间内寻找到拦截效率更高的解,有效解决协同作战中的目标分配问题,为HPM武器系统融入多武器协同防空作战系统奠定基础。
中图分类号:
李烨, 郑纯, 马长胜, 邱荣贤. 基于拦截效率最大化的高功率微波武器系统与中近程防空武器协同作战目标分配模型[J]. 兵工学报, 2023, 44(11): 3489-3497.
LI Ye, ZHENG Chun, MA Changsheng, QIU Rongxian. Target Assignment Model for High-Power Microwave Weapon System and Medium and Short-range Air Defense Weapons in Cooperative Combat Based on Maximizing Interception Efficiency[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(11): 3489-3497.
功率密度/ (W·cm-2) | 攻击效果 | 攻击对象 | 攻击目的 |
---|---|---|---|
1×10-8~ 1×10-6 | 冲击和触发电子系统产生假信号 | 雷达、通信、导航 | 干扰 |
0.01~1 | 相应频段电子设备性能显著下降,甚至失效 | GPS定位仪 | 乱码 |
导航仪 | 失效 | ||
控制器 | 失效 | ||
10~102 | 耦合产生感应电流、电压,烧毁器件,造成目标电子系统瘫痪 | 天线 | 损坏 |
计算机 | 瘫痪 | ||
通信设备 | 失效 | ||
103~105 | 引起非线性效应,瞬间毁伤目标,引爆战斗部 | 导弹 | 引爆 |
飞行器 | 烧坏 |
表1 武器D攻击效果
Table 1 Attack effect of weapon D
功率密度/ (W·cm-2) | 攻击效果 | 攻击对象 | 攻击目的 |
---|---|---|---|
1×10-8~ 1×10-6 | 冲击和触发电子系统产生假信号 | 雷达、通信、导航 | 干扰 |
0.01~1 | 相应频段电子设备性能显著下降,甚至失效 | GPS定位仪 | 乱码 |
导航仪 | 失效 | ||
控制器 | 失效 | ||
10~102 | 耦合产生感应电流、电压,烧毁器件,造成目标电子系统瘫痪 | 天线 | 损坏 |
计算机 | 瘫痪 | ||
通信设备 | 失效 | ||
103~105 | 引起非线性效应,瞬间毁伤目标,引爆战斗部 | 导弹 | 引爆 |
飞行器 | 烧坏 |
元器件 | 破坏阈值/J | 毁伤状态 |
---|---|---|
CMOS器件 | 10-9 | 严重干扰 |
逻辑卡 | 3×10-9 | 电路失常 |
TTL器件 | 8×10-9 | 严重干扰 |
微波二极管 | 2×10-6 | 损坏 |
双极晶体三极管 | 10-5 | 损坏 |
运算放大器 | 2×10-3 | 损坏 |
表2 典型元器件毁伤阈值
Table 2 Typical component damage thresholds
元器件 | 破坏阈值/J | 毁伤状态 |
---|---|---|
CMOS器件 | 10-9 | 严重干扰 |
逻辑卡 | 3×10-9 | 电路失常 |
TTL器件 | 8×10-9 | 严重干扰 |
微波二极管 | 2×10-6 | 损坏 |
双极晶体三极管 | 10-5 | 损坏 |
运算放大器 | 2×10-3 | 损坏 |
目标距离/ km | 武器D功率密度/ (W·cm-2) | 目标处波束 直径/m | 毁伤效果 |
---|---|---|---|
4 | 12.56 | 29.6 | 损坏 |
10 | 0.02 | 74 | 失效 |
70 | 4.1×10-4 | 518 | 干扰 |
表3 武器D杀伤效果
Table 3 Killing effect of weapon D
目标距离/ km | 武器D功率密度/ (W·cm-2) | 目标处波束 直径/m | 毁伤效果 |
---|---|---|---|
4 | 12.56 | 29.6 | 损坏 |
10 | 0.02 | 74 | 失效 |
70 | 4.1×10-4 | 518 | 干扰 |
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.7 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.2 |
B | 0.6 | 0.6 | 0.9 | 0.9 | 0.8 |
C | 0.8 | 0.8 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.9 | 0.7 | 0.5 | 0.2 | 0.2 |
表4 防空武器对目标M的拦截效率矩阵
Table 4 Interception efficiency of anti-aircraft weapons against M
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.7 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.2 |
B | 0.6 | 0.6 | 0.9 | 0.9 | 0.8 |
C | 0.8 | 0.8 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.9 | 0.7 | 0.5 | 0.2 | 0.2 |
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.6 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.1 |
B | 0.5 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 0.7 |
C | 0.7 | 0.7 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.8 | 0.8 | 0.4 | 0.1 | 0.1 |
表5 防空武器对目标N的拦截效率矩阵
Table 5 Interception efficiency of anti-aircraft weapons against N
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.6 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.1 |
B | 0.5 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 0.7 |
C | 0.7 | 0.7 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.8 | 0.8 | 0.4 | 0.1 | 0.1 |
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.75 | 0.95 | 0.85 | 0.75 | 0.25 |
B | 0.65 | 0.65 | 0.95 | 0.95 | 0.85 |
C | 0.85 | 0.85 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.95 | 0.75 | 0.55 | 0.25 | 0.25 |
表6 防空武器对目标Q的拦截效率矩阵
Table 6 Interception efficiency of anti-aircraft weapons against Q
防空 武器 | 距离/km | ||||
---|---|---|---|---|---|
0~2 | 2~4 | 4~10 | 10~12 | 12~70 | |
A | 0.75 | 0.95 | 0.85 | 0.75 | 0.25 |
B | 0.65 | 0.65 | 0.95 | 0.95 | 0.85 |
C | 0.85 | 0.85 | 0 | 0 | 0 |
D | 0.95 | 0.75 | 0.55 | 0.25 | 0.25 |
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 3.56 | 6.2 | 14.62 | 4.34 |
PSO算法 | 2.27 | 3.92 | 16.88 | 7.72 |
蒙特卡洛算法 | 2.86 | 4.82 | 16.15 | 23.66 |
表7 均匀分布时不同算法作战效果及运行时间
Table 7 Operational effect and running times of different algorithms when evenly distributed
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 3.56 | 6.2 | 14.62 | 4.34 |
PSO算法 | 2.27 | 3.92 | 16.88 | 7.72 |
蒙特卡洛算法 | 2.86 | 4.82 | 16.15 | 23.66 |
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 1.31 | 2.64 | 7.6 | 4.07 |
PSO算法 | 0.85 | 1.71 | 14.15 | 7.74 |
蒙特卡洛算法 | 1.1 | 2.01 | 9.72 | 23.90 |
表8 较远分布时不同算法作战效果及运行时间
Table 8 Operational effect and running times of different algorithms when distributed far away
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 1.31 | 2.64 | 7.6 | 4.07 |
PSO算法 | 0.85 | 1.71 | 14.15 | 7.74 |
蒙特卡洛算法 | 1.1 | 2.01 | 9.72 | 23.90 |
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 3.82 | 6.73 | 15.77 | 4.32 |
PSO算法 | 2.78 | 4.86 | 17.10 | 8.40 |
蒙特卡洛算法 | 3.44 | 5.96 | 16.38 | 24.30 |
表9 较近分布时不同算法作战效果及运行时间
Table 9 Operational effect and running times of different algorithms when distributed far away
算法 | 拦截效能 | 拦截数量/ 个 | 最优解耗 弹量/发 | 运行时间/ s |
---|---|---|---|---|
SA算法 | 3.82 | 6.73 | 15.77 | 4.32 |
PSO算法 | 2.78 | 4.86 | 17.10 | 8.40 |
蒙特卡洛算法 | 3.44 | 5.96 | 16.38 | 24.30 |
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