兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (S1): 51-59.doi: 10.12382/bgxb.2024.0659
孙溪晨1, 李伟兵2, 黄昌伟1, 付佳维2, 冯君1,*()
收稿日期:
2024-08-01
上线日期:
2024-11-06
通讯作者:
基金资助:
SUN Xichen1, LI Weibing2, HUANG Changwei1, FU Jiawei2, FENG Jun1,*()
Received:
2024-08-01
Online:
2024-11-06
摘要:
由于榴弹飞行轨迹呈现复杂性、时变性和突变性等特点,给近程防空拦截系统带来了极大的挑战。针对目前轨迹数据时空特征捕捉困难且只能进行较少步数预测的问题,提出一种引入自注意力机制的基于卷积神经网络和长短期记忆神经网络(1dimension Convolutional neural network-Long short-term memory-Attention, 1D CNN-LSTM-ATT)的一维轨迹多步超前预测模型。将所提模型与CNN-LSTM、LSTM模型分别进行单步和多步预测对比分析;实现对于目标轨迹的从T时刻到未来任意T+K时刻的高精度实时多步超前预测。实验结果表明:无论是单步还是多步预测,1D CNN-LSTM-ATT模型预测的评价指标明显优于其他2个模型;1D CNN-LSTM-ATT模型预测500步(即10s)的累计预测误差在射程方向为82.83m,高度方向为11.68m,横偏方向为0.07m,为实施弹体拦截及时响应提供了重要保障。
中图分类号:
孙溪晨, 李伟兵, 黄昌伟, 付佳维, 冯君. 基于自注意力机制增强的CNN-LSTM的榴弹轨迹多步超前预测[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 51-59.
SUN Xichen, LI Weibing, HUANG Changwei, FU Jiawei, FENG Jun. Multi-step-ahead Prediction of Grenade Trajectory Based on CNN-LSTM Enhanced by Deep Learning and Self-attention Mechanism[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(S1): 51-59.
参数 | 采样值 | 采样间隔 |
---|---|---|
发射角/(°) | [30,60] | 2 |
速度/(m·s-1) | [600,900] | 10 |
表1 弹丸轨迹采样参数
Table 1 Parameters of projectile trajectory
参数 | 采样值 | 采样间隔 |
---|---|---|
发射角/(°) | [30,60] | 2 |
速度/(m·s-1) | [600,900] | 10 |
参数 | 采样值 |
---|---|
迭代次数 | 50 |
学习率 | 0.0001 |
批处理量 | 256 |
优化器 | Adam |
表2 模型参数
Table 2 Parameters of model
参数 | 采样值 |
---|---|
迭代次数 | 50 |
学习率 | 0.0001 |
批处理量 | 256 |
优化器 | Adam |
模型 | 参数 | 层信息 |
---|---|---|
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
LSTM | LSTM层 | 神经元数量32 |
Dropout | dropout率0.2 | |
全连接层 | 神经元数量3 | |
1D Conv | 卷积核数量16,长度2 | |
1D Conv | 卷积核数量64,长度2 | |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
CNN-LSTM | Dropout | dropout率0.2 |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
全连接层 | 神经元数量3 | |
1D Conv | 卷积核数量16,长度2 | |
1D Conv | 卷积核数量64,长度2 | |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
CNN-LSTM-ATT | Dropout | dropout率0.2 |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
Attention | - | |
全连接层 | 神经元数量3 |
表3 CNN-LSTM-ATT模型参数
Table 3 Parameters of CNN-LSTM-ATT model
模型 | 参数 | 层信息 |
---|---|---|
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
LSTM | LSTM层 | 神经元数量32 |
Dropout | dropout率0.2 | |
全连接层 | 神经元数量3 | |
1D Conv | 卷积核数量16,长度2 | |
1D Conv | 卷积核数量64,长度2 | |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
CNN-LSTM | Dropout | dropout率0.2 |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
全连接层 | 神经元数量3 | |
1D Conv | 卷积核数量16,长度2 | |
1D Conv | 卷积核数量64,长度2 | |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
CNN-LSTM-ATT | Dropout | dropout率0.2 |
LSTM层 | 神经元数量32 | |
Dropout | dropout率0.2 | |
Attention | - | |
全连接层 | 神经元数量3 |
模型 | 指标 | RMSE | MAE | MAPE |
---|---|---|---|---|
射程 | 17.9307 | 17.6723 | 0.0016 | |
LSTM | 高度 | 7.6089 | 7.5682 | 0.0025 |
横偏 | 0.0251 | 0.0250 | 0.4486 | |
射程 | 8.4263 | 8.0821 | 0.0008 | |
CNN-LSTM | 高度 | 1.6797 | 1.5311 | 0.0005 |
横偏 | 0.0031 | 0.0025 | 0.0261 | |
射程 | 3.8534 | 3.2533 | 0.0003 | |
CNN-LSTM-ATT | 高度 | 0.4904 | 0.3544 | 0.0001 |
横偏 | 0.0028 | 0.0024 | 0.0125 |
表4 单步预测各模型评价指标数值
Table 4 Evaluation index values of each model in single-step prediction
模型 | 指标 | RMSE | MAE | MAPE |
---|---|---|---|---|
射程 | 17.9307 | 17.6723 | 0.0016 | |
LSTM | 高度 | 7.6089 | 7.5682 | 0.0025 |
横偏 | 0.0251 | 0.0250 | 0.4486 | |
射程 | 8.4263 | 8.0821 | 0.0008 | |
CNN-LSTM | 高度 | 1.6797 | 1.5311 | 0.0005 |
横偏 | 0.0031 | 0.0025 | 0.0261 | |
射程 | 3.8534 | 3.2533 | 0.0003 | |
CNN-LSTM-ATT | 高度 | 0.4904 | 0.3544 | 0.0001 |
横偏 | 0.0028 | 0.0024 | 0.0125 |
模型 | 指标 | RMSE | MAE | MAPE |
---|---|---|---|---|
射程 | 1100.7459 | 1099.5727 | 0.0794 | |
LSTM | 高度 | 1149.5802 | 1143.1826 | 0.7015 |
横偏 | 2.8553 | 2.8549 | 0.5368 | |
射程 | 583.2472 | 576.1506 | 0.0435 | |
CNN-LSTM | 高度 | 59.9948 | 58.3547 | 0.0212 |
横偏 | 0.2717 | 0.2675 | 0.1081 | |
射程 | 88.5846 | 82.8266 | 0.0064 | |
CNN-LSTM-ATT | 高度 | 14.4405 | 11.6751 | 0.0045 |
横偏 | 0.0788 | 0.0693 | 0.0255 |
表5 500步预测各模型评价指标数值
Table 5 500-step prediction of the values of the evaluation indexes for each model
模型 | 指标 | RMSE | MAE | MAPE |
---|---|---|---|---|
射程 | 1100.7459 | 1099.5727 | 0.0794 | |
LSTM | 高度 | 1149.5802 | 1143.1826 | 0.7015 |
横偏 | 2.8553 | 2.8549 | 0.5368 | |
射程 | 583.2472 | 576.1506 | 0.0435 | |
CNN-LSTM | 高度 | 59.9948 | 58.3547 | 0.0212 |
横偏 | 0.2717 | 0.2675 | 0.1081 | |
射程 | 88.5846 | 82.8266 | 0.0064 | |
CNN-LSTM-ATT | 高度 | 14.4405 | 11.6751 | 0.0045 |
横偏 | 0.0788 | 0.0693 | 0.0255 |
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