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基于模拟退火算法的电子侦察卫星任务规划问题研究

来源:知库网
2010矩 6月 装备指挥技术学院学报 Journal of the Academy of Equipment Command&Technology June 2010 V0I.21 No.3 第21卷 第3期 基于模拟退火算法的电子侦察卫星 任务规划问题研究 徐 欢, 祝江汉, 王慧林 (国防科技大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073) 摘 要:在分析电子侦察卫星的工作原理及其所担负的使命任务的基础 上,首先给出了电子侦察卫星任务规划的基本过程;然后在明确电子侦察卫星任务规 划问题的基本输入输出和一些基本假定的基础上,建立电子侦察卫星静态任务规划 的混合整数规划模型;最后提出了一种解决电子侦察卫星任务规划问题的模拟退火 算法(simulated annealing,SA)。实验结果表明:该算法有效地解决了针对固定目标 的电子侦察卫星任务规划问题。 关 键 词:电子侦察卫星;任务规划;模拟退火算法 中图分类号:TP 18 文献标识码:A 文章编号:1673—0127(2010)03-0062-05 DOI:10.3783/j.issn.1673—0127.2010.03.015 Research on Mission Planning for ElectroniC RecOnnaissanCe Sate…tes Based 013 Simulated AnneaI ing XU Huan, ZHU Jianghan, WANG Huilin (College of Information System and Management,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 4 1 0073,China) Abstract:Based on the analysis of the working principle and missions of electronic reconnaissance satellites,the paper,firstly puts forward the basic process of mission planning for electronic recon- naissance satellites,and then based on the definition of the basic input and output of the problem and basic hypothesis,the paper establishes the static mission planning mode1.A simulated annealing(SA) is designed for the mission planning for electronic reconnaissance satellites at last.The results show that the problem of mission planning for electronic reconnaissance satellites aimed at fixed targets can be solved effectively with this method. Key words:electronic reconnaissance satellites;mission planning;simulated annealing 电子侦察卫星是用于截获和监听敌方电子设 相关的防空系统、武器系统的配置情况;侦收、分 析敌方的遥控、遥测信号,掌握其战略武器系统的 性能、试验情况和发展动向;截获、监听敌方的无 备、重要设施和军事目标所辐射的电磁信号,以获 取战略或战术情报的人造地球卫星。它是随着电 子战和空间技术发展起来的一种现代电子侦察手 线电通信,分析信号特征并测定辐射源的位置,解 段,其主要任务是:侦收敌方的雷达信号,测定其 战术技术参数、位置,判明其类型、用途以及与之 收稿日期:2009—04—17 读破译其通信内容,从中分析掌握敌方潜在的军 事行动和作战计划;长期监视敌电磁辐射源的变 作者简介:徐欢,男,硕士研究生.主要研究方向:作战模型与模拟.xhstrong@yahoo.eora.cn. 祝江汉,男,副教授,硕士生导师. 第3期 徐欢,等:基于模拟退火算法的电子侦察卫星任务规划问题研究 63 化情况,获取其电子设备发展水平以及部队配置 和活动规律等情报。 卫星将要执行的侦察任务,并确定了相应的数据 采集和数据下传活动的起止时间。航天侦察计划 电子侦察卫星按侦察任务的不同可分为:普 查型电子侦察卫星和详查型电子侦察卫星,一般 部署在高、中、低3类轨道上。 高轨(high earth orbit,HEO)包括地球同步 轨道和大椭圆轨道,卫星可以对地球的某一地区 的制订直接源于对用户的航天侦察需求进行任务 规划的结果。任务规划是指为了实现给定的目 标,对所有与特定任务相关的资源和活动进行规 划与调度的过程。电子侦察任务规划具体指:在 综合考虑卫星平台、有效载荷、地面接收处理系统 进行长时间的连续监视,所以主要用于窃听敌方 的能力和电子侦察任务要求的基础上,将资源分 配给相互竞争的多个任务,并确定任务中各具体 活动的起止时间,以排除不同任务之间的资源使 通信信号、监视导弹发射的测控信号和侦察远程 预警雷达信号,由于轨道很高,卫星对目标的定位 能力有限。 中轨(medium earth orbit,MEo)是指600~ 900 km的近圆轨道,轨道倾角在9O。左右,又称 “极轨”或太阳同步轨道,每天通过地球上某地的 时间不变。中轨卫星具有较长的寿命和中等定位 精度,一般用于实现普查和详查功能。 低轨(1ow earth orbit,LEo)一般用于详查型 卫星,轨道选择高度为175~400 km的椭圆轨 道,轨道倾角为70。左右,轨道周期约为90 min, 每周可以覆盖全球1次。低轨电子侦察卫星作用 距离较近,可以获取较低辐射功率的目标信号,同 时获得较好的定位精度,但由于轨道较低,卫星在 轨工作寿命较短。 在轨的1颗或多颗电子侦察卫星和地面上的 1个或多个数据接收站(可包含天上的数据中继 卫星)组成了1个卫星电子侦察系统。在执行侦 察任务时,电子侦察卫星将利用其各种星载遥感 器来采集敌重要目标的电子情报,并将捕获的情 报数据直接或经中继卫星传回地面接收站,以供 分析判读使用。 在现代战场上,电磁信号几乎覆盖了从短波 一直到微波、毫米波、红外、激光等电磁频谱。现 代通信系统基本上完成了从模拟传输体制向数字 传输的过渡。现代雷达在同一频段内,不仅有常 规的脉冲雷达、连续波雷达、相干雷达和相控阵雷 达,还衍生出多频率、捷变频、脉冲重复频率参差、 抖动与捷变、线性调频脉冲以及频谱扩展等技术 的新体制雷达信号。这样复杂的电磁环境要求侦 察卫星的天线必须具有很高的增益,星载侦察接 收机必须具有极宽的工作频率范围,极低的噪声 性能(提高接收灵敏度)和足够宽的动态范围,具 备在空域、频域和时域内稀释、分选信号的 能力 。 一般情况下,电子侦察卫星是按照预定的侦 察计划来实施侦察的。侦察计划中指定了具体的 用冲突,消除资源使用冗余,最大化资源使用效 率,并满足用户的需求。 卫星电子侦察系统的任务规划问题是一个非 常复杂的问题,涉及的资源和活动很多,且它们之 间的关系又十分复杂。为了科学合理地解决这一 问题,本文在分析卫星电子侦察系统的工作原理 和过程的基础上,进行合理的假设和简化,并建立 了问题的数学模型,然后采用模拟退火算法进行 求解。 1 电子侦察卫星任务规划问题分析 1.1基本假设与简化 任何实际问题的建模求解过程都需要对客观 世界进行一定的简化,这里只能抓住我们感兴趣 的对象和它们之间的关系,而不可能完全真实地 再现客观世界的复杂内在关联。对于电子侦察卫 星任务规划问题来说,由于涉及的对象较多,对象 之间的关系复杂,因此不可能考虑到全部的细节 和实际约束。本文在研究电子侦察卫星任务规划 问题时,作了如下假设和简化方式:①侦察目标 为固定单电磁目标或地理上分布在比较小区域的 多个固定单电磁目标;②已经获取了固定目标的 概略电磁特征参数;③通过对平时侦察结果的分 析统计,将单个电子目标的侦察持续时间设定为 固定值;④星载电子侦察设备的校准或调整转换 时间可以设为固定值;⑤将每个侦察任务的存储 需求设定为固定值;⑥不考虑卫星的能量限制, 卫星具有足够的能量满足所有的观测任务和通信 任务。 1.2 电子侦察卫星任务规划流程 卫星电子侦察系统是一个集信息截获、多重 信息传输和处理、涉及天上、地面、星际网的复杂 系统,侦察获取信息多,系统中的信息关系和数据 处理复杂,卫星系统和地面系统的相互依赖程度 高。所以,必须在地面管理中心的统一协调下,系 64 装备指挥技术学院学报 2010年 统才能同步、协调、互联和可靠地运行。卫星电子 侦察任务的组织实施实际是一个从各军兵种用户 提交需求到最终获得情报产品的循环过程。主要 3)变量: 所占用的资源。 活动J的后续活动;J 活动J 如果活动i与活动J在执行中占用同一个资 源,且活动J紧跟着活动i执行,则J… =i;相反 如果i 一 ,则可推出i 一 。 包含以下过程:①由各应用任务提交需求;②初 步检查需求的合法性并确定它们的优先级别; ③分析应用任务需求,通过任务细化产生电子侦 察任务订单;④根据时域、空域、频域覆盖等基本 约束,对电子侦察任务订单中的任务进行预处理, 删除任务订单中不满足执行基本条件的任务; ⑤对电子侦察任务订单中可行的任务需求进行 t 为任务i的开始时间,i∈IUJ。 2.2约束条件及优化目标表达 下面给出模型的约束条件及优化目标表达: fl max>lcI (1) 任务规划,消除对卫星电子侦察资源的使用冲突, 确定相关的数据采集执行时间、传感器工作模式、 工作参数以及数据下传活动的执行时间;⑥将任 务规划结果提交给测控部门,并生成对电子卫星 有效载荷的遥控指令;⑦由地面接收网络按计划 完成对侦察数据的接收(接收站与测控站可以是 合并的);⑧对后续的数据处理以及数据分发等 地面支持活动进行规划调度;⑨根据调度结果完 成数据产品的存储整编和分发;⑩用户接收到订 购的产品。 电子侦察卫星任务规划过程如图1所示。 一信息 需求 (丫用户  f f f .塑 笪塑鱼.I电子侦察茬l l 翌H l 侦察二 活动计划i 4任务订单务豳l  数传活动计划 图1 电子侦察卫星任务规戈Il过程 2 电子侦察卫星任务规划问题模型 2.1相关参数定义 为了建立电子侦察卫星任务规划的数学模 型,首先定义相关符号如下。 1)集合:R为卫星资源集; 为侦察元任务 集;J为一个所有卫星所有可能的数据下传任务。 2)参数:t 为资源五上活动i的持续时间; tf. 为资源k上任务i和任务 之问的转换时间; 为资源k在执行活动i之前已被占据的存储 空间;Ck为资源忌的存储容量;q 为资源忌执行 任务i时的存储需求; 为资源忌数据下传速率。 如果i ==: ∈I~i。一是,则 : + ;如果 i 一 ∈J,i 一是,贝 Q 一Q 一 ×t 。 s?为活动i的时间窗口开始时间;e?为活动i 的时间窗口结束时间。 s t J t ≥t +£ + (2) l 0≤ ≤C (3) 【57 ≤t≤P? —t (4) 目标函数式(1)保证了安排活动的总权值最 大,其中C 为活动i的权值,“ 为布尔变量。约束 条件式(2)保证了每个资源在任何时候只能满足 一个任务的需求。约束条件式(3)保证了所有卫 星在任何时刻存储的数据总量都不能超过其存储 容量的限制。约束条件式(4)保证了所有任务必 须在可选资源的时间窗口内执行,其中 为任务 i的时间窗口总数。 3 电子侦察卫星任务规划模型求解 3.1模拟退火算法 模拟退火算法是由Metropolis【2 等人1953 年提出的,并由KirkpatrickI3 在1983年首次成 功应用到组合优化问题中。SA算法是一种基于 Monte—Carlo迭代求解策略的随机搜索算法,它 源于对固体退火过程的模拟,采用Metropolis接 受准则,并用一组称为冷却进度表的参数控制算 法进程,使算法在多项式时间内给出近似最优解。 该算法具有描述简单、适用范围广、运行效率高、 受初始条件限制小等优点,已经被成功地应用于 各类组合优化问题。 3.2模拟退火算法基本应用设计 3.2.1 邻域结构 本文采用两交换法实施邻域操作,该方法是 指随机选择解中的2个元素,并交换其值的邻域 操作方法。 3.2.2候选解取舍准则 本文所建立的任务规划模型是一个最大化问 题,即最大化成功调度的侦察元任务之总权值,可 按照Metropolis准则对候选解进行取舍: f1, f(S )≥厂(S) ,)一1. lexp  —————— —一・,f (S,)J< )<rI  (5) 第3期 徐欢,等:基于模拟退火算法的电子侦察卫星任务规划问题研究 65 3.2.3温度参数控制 1)初始温度t。。初始温度应选得足够高,才 能不使算法过早陷入局部最优解;但又不能选得 太高,以减少冗余的迭代。根据本文所研究问题 的特点,设置初始温度t。为:t。一>:W ,即所有 iff 侦察元任务的总权值。 2)控制参数衰减函数△( )。常用的控制参 数下降函数有2种形式:①等比例下降,t + 一 at ,尼≥O,其中,降温系数a∈(0,1);②等步长下 L,一L 降,t 一 』、 。,其中,t。为起始温度,K为算法温 度下降的总次数。 为避免过早的陷入局部最优解,本文选用等 比例下降形式的控制参数下降函数,降温系数a 根据多次测试结果,设置为0.9。 3)算法终止规则。模拟退火算法的终止规 则很多_4j,常用的有以下几种:①零度法,即当温 度t 下降至小于某小正数e时,算法停止;②循 环总数控制法,即总的温度下降次数为一定值 K,当温度迭代次数达到K时,算法停止;③不改 进规则控制法,在某一温度,给定次数内没有改进 当前的局部最优解,算法停止。 在模拟退火算法中,设置了同时使用上述3 种搜索算法终止规则,只要满足其中任意一种终 止规则,即停止搜索过程。 4)Markov链长度L 。记温度t 对应的 Markov链长度为L ,定义了长度随温度变化的 规则:L +l:==1.02×L ,k===0,1,…,N。 这里初始温度t。所对应的Markov链长度 L。按如下规则取值:L。一 7l。n是候选观测活动 厶 的总数量。 3.3模拟退火算法的基本流程 在算法基本应用设计的基础上,给出模拟退 火算法寻优阶段的基本流程如下。 Step 1:得到初始解S。,令最优解记录为 S 一S。。 Step 2:设置初始温度t。,最终温度t,初始 Markov链长度L。,最大连续不更新次数为 Kma 一d,令£一t。,L—L。,不更新次数nR一0。 Step 3:若t>t,转Step 4,否则转Step l1。 Step 4:若nR<d,转Step 5,否则转Step 11。 Step 5:若‰ ≤L,转Step 6,否则转Step 8。 Step 6:采用随机抽样方式从当前解S的邻 域空间内取出一个候选解s ,并计算候选解S 和 当前解S的目标函数之差Af,Af一 厂(S)--f(S )。 Step 7:如果候选解5 和当前解S的目标函 数之差Af<0,接受该候选解;如果Af>0,仅当 条件exp(Af/r)>ran (0,1)被满足时接受候选 解S ,否则拒绝候选解S ,此时无论是否接受候 选解S 都令计数器 === +1,并转Step5。 Step 8:如果当前温度所对应的最优解同之 前温度所对应的最优解相比没有提高,则令不更 新次数 R一,zR+1,否则 R一0。 Step 9:若当前解S大于最优解记录 S ===S。。 Step 10:根据温度衰减函数△(f)降低温度, 使£一△(£),并更新当前温度t所对应的Markov 链长度L,令 一0,转Step 3。 Step 11:输出最优解S 。 4计算实例分析 本文用若干个随机生成的不同规模的测试算 例对SA算法进行验证。测试算例4个,规划周 期均为1 d,分别为1星10目标、2星20目标、3 星30目标、4星40目标。本文所有算例都是在 Pentium(R)Ⅳ2.4 GHz、512 MB RAM的台式 机上运行。 为了使本文设计的电子侦察卫星系统资源更 加切合实际,从国外已投入使用的电子侦察卫星 中选取了4颗具有代表性的卫星(俄罗斯Cosmos 系列电子侦察卫星:Cosmos一2082、Cosmos一2151、 Cosmos一1544、Cosmos一2058)构成一个电子侦察 卫星网,假设每颗卫星携带1部电子侦察载荷,传 感器采用简单圆锥类型。然后在某热点区域 (32.5。E~34.5。E,43。N--46.5。N)内随机地设置 4O个电子侦察目标。 设仿真时间为2008—01—01T00:00:00/2608— 01—02T00:00:00,在此时间段根据如下假设生成 40个电子侦察元任务: 1)假设电子侦察元任务的执行时间最小值 为1 rain,最大值为3 rain。每颗卫星执行任意2 个任务之间的工作模式转换时间统一设为 5 min; 2)任务优先级随机设定为1~1O之间的1 个整数,数值越大表示任务优先级越高。 当目标数为40个时,从图2所示的算法的收 敛过程可以看出,算法具有较好的收敛性。 装备指挥技术学院学报 2010年 — …, 一 。。 躜 一 。1 t. ’ … ‘ l 图2进化收敛不恿图 下面重点分析模拟退火算法在上述4种具有 不同问题规模计算实例中的表现。每个实例运算 1O次,取算法1o次运算的均值作为评价基础,主 要统计算法的模型求解效果和运行时问,结果如 表1所示。 表1 SA算法结果 问题规模 磬 从图2可以看出,经过SA算法优化的侦察 计划执行总收益非常高;从表1可看出,当问题规 模较小、资源相对丰富的情况下,模拟退火算法表 现较为优异。但随着问题规模的增大,资源冲突 凸显出来,算法的运行时间快速增加,这是由算法 的复杂度决定的,但侦察计划的执行总收益还是 比较高的,这说明SA算法是具有相当的优化效 果的。 5 结束语 对于电子侦察卫星任务规划问题,本文研究 了一种基于模拟退火算法的任务规划算法。在算 法设计前分析了电子侦察卫星任务规划问题的关 键约束,总结出电子侦察卫星任务规划问题的特 点,并在合理假设的基础上建立了规划模型。该 算法针对问题特点,选用侦察元任务的总权值作 为退火的初始温度,并设计了相应的控制参数衰 减函数及终止条件。最后设计了一个多星多目标 场景算例,并生成了一批电子侦察任务,然后分别 在不同的问题规模下,采用模拟退火算法进行求 解。结果表明:在一定资源冲突下,该算法能够取 得较好的规划结果。 参考文献 (References) E1]林象平.雷达对抗原理[M].西安:西北电讯工程学院出版 社,1985:132 161. 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