基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，不仅能够满足预先设定的目标协同探测性能，而且确保了在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间路径传播损耗不确定条件下无人机集群系统射频隐身性能的最优下界。

Robust power control method of UAV cluster based on improved two-level game

【技术实现步骤摘要】
基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法
本专利技术涉及雷达信号处理
，尤其是一种基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法。
技术介绍
未来战场环境瞬息万变，随着电子信息技术的迅猛发展，飞行器在执行情报侦察与监视、攻防对抗等作战任务时所面临的情况越来越复杂，特别是在强干扰、高动态的对抗性拒止环境下，有人机的生存能力面临极大的挑战。在这种情况下，就需要多无人机进行协同作战，以扩展其任务能力、提高任务执行效率。无人机集群是指一组具备部分自主能力的无人机通过地面控制中心或无人操作装置的辅助，在一名或多名高级操作员的监控下能够完成制定作战任务的系统。无人机集群系统可以体现出比人工系统更卓越的协调性、智能性和自主能力。该系统不仅可以以低成本、高度分散的形式满足功能需求，而且可以采用分布式探测方式，提高主被动探测的探测精度。目前已有大量文献研究了无人机集群自主控制与作战任务协同分配问题，为无人机集群系统的应用奠定了基础。然而，已有研究成果并未研究无人机集群目标协同探测时的发射功率控制问题，从而使得在执行作战任务时的无人机集群系统时刻面临被敌方无源探测系统截获并打击的威胁，具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，能够满足预先设定的目标协同探测性能，而且确保了在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间路径传播损耗不确定条件下无人机集群系统射频隐身性能的最优下界。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，包括如下步骤：(1)获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗；(2)根据预先设定的目标协同探测信号干噪比阈值和各无人机雷达发射功率上限，建立基于联盟博弈的无人机集群稳健功率控制模型；(3)在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗不确定的条件下，计算地面控制中心从无人机集群系统处得到的博弈收益；(4)引入拉格朗日乘子，构建拉格朗日乘子式；(5)获取无人机集群系统中各无人机的发射功率迭代表达式；(6)地面控制中心增加单位发射功率价格，并不断迭代更新，直至地面控制中心的博弈效用函数达到收敛，所得即为满足约束条件的各无人机稳健发射功率值。优选的，步骤(1)中，获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗，其数学描述为：式中，为第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗，为第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗，Gt为各无人机雷达的发射天线增益，Gr为各无人机雷达的接收天线增益，G′t为各无人机雷达旁瓣发射天线增益，G′r为各无人机雷达旁瓣接收天线增益，GI为敌方截获接收机的接收天线增益，为目标相对无人机i的雷达散射截面，为目标相对第i架无人机和第j架无人机的RCS，λ为无人机雷达发射信号波长，Ri为第i架无人机与目标之间的距离，di,j为第i架无人机与第j架无人机之间的距离，di为第i架无人机与敌方截获接收机之间的距离；然后，获取各路径传播损耗不确定集合的上、下界；分别用上、下界已知的不确定集合表示和表示第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗不确定区间、第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗不确定区间、第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗不确定区间以及第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗不确定区间，其数学描述为：式中，和分别表示第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗误差、第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗误差、第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗误差以及第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗误差。优选的，步骤(2)中，根据预先设定的目标协同探测信号干噪比阈值γmin和各无人机雷达发射功率上限Pimax，建立基于联盟博弈的无人机集群稳健功率控制模型：式中，ξi为地面控制中心对第i架无人机设定的单位发射功率价格，表示第i架无人机的博弈效用函数，p-i表示除第i架无人机之外无人机集群系统中所有其他无人机雷达的发射功率，表示第i架无人机雷达发射功率上限，WR为无人机集群系统中的无人机总架数，ptot表示无人机集群系统总发射功率；在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗不确定的条件下，第i架无人机所得的最差可表示为：式中，ci,j表示第i架无人机与第j架无人机之间的互相关系数，为环境噪声功率。优选的，步骤(3)中，在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗不确定的条件下，地面控制中心从无人机集群系统处得到的博弈收益为：式中，表示地面控制中心的博弈效用函数；Ttar为预先设定的无人机集群发射雷达信号到达敌方截获接收机处的功率阈值；Smin为敌方截获接收机的灵敏度；为单位阶跃函数，当时，否则，优选的，步骤(4)中，引入拉格朗日乘子与τ，构建如下式的拉格朗日乘子式：对第i架无人机发射功率pi求偏导数。优选的，步骤(5)中，通过令获取无人机集群系统中各无人机的发射功率迭代表达式为：式中，式中，ite表示迭代次数，拉格朗日乘子与τ可由次梯度算法进行迭代更新，如下所示：式中，Δs为迭代步长，当x＞0时，当x≤0时，本专利技术的有益效果为：本专利技术不仅能够满足预先设定的目标协同探测性能，而且确保了在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间路径传播损耗不确定条件下无人机集群系统射频隐身性能的最优下界。附图说明图1为本专利技术的改进双层博弈模型示意图。图2为本专利技术各无人机稳健发射功率收敛性能示意图。图3为本专利技术各无人机目标探测SINR收敛性能示意图。图4为本专利技术不同方法下敌方截获接收机接收到的无人机集群总发射功率对比曲线示意图。具体实施方式如图1所示，一种基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，包括如下步骤：1、确定各路径传播损耗的不确定集合：本专利技术提出基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法。首先，获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗，其数学描述为：式中，为第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗，为第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗，Gt为各无人机雷达的发射天线增益，Gr为各无人机雷达的接收天线增益，G′t为各无人机雷达旁瓣发射天线增益，G′r为各无人机雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗；/n(2)根据预先设定的目标协同探测信号干噪比阈值和各无人机雷达发射功率上限，建立基于联盟博弈的无人机集群稳健功率控制模型；/n(3)在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗不确定的条件下，计算地面控制中心从无人机集群系统处得到的博弈收益；/n(4)引入拉格朗日乘子，构建拉格朗日乘子式；/n(5)获取无人机集群系统中各无人机的发射功率迭代表达式；/n(6)地面控制中心增加单位发射功率价格，并不断迭代更新，直至地面控制中心的博弈效用函数达到收敛，所得即为满足约束条件的各无人机稳健发射功率值。/n

【技术特征摘要】
1.基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗；
(2)根据预先设定的目标协同探测信号干噪比阈值和各无人机雷达发射功率上限，建立基于联盟博弈的无人机集群稳健功率控制模型；
(3)在各无人机与目标之间、各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗不确定的条件下，计算地面控制中心从无人机集群系统处得到的博弈收益；
(4)引入拉格朗日乘子，构建拉格朗日乘子式；
(5)获取无人机集群系统中各无人机的发射功率迭代表达式；
(6)地面控制中心增加单位发射功率价格，并不断迭代更新，直至地面控制中心的博弈效用函数达到收敛，所得即为满足约束条件的各无人机稳健发射功率值。


2.如权利要求1所述的基于改进双层博弈的无人机集群稳健功率控制方法，其特征在于，步骤(1)中，获取无人机集群系统中各无人机与目标之间以及各无人机与敌方截获接收机之间的路径传播损耗，其数学描述为：



式中，为第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗，为第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗，为第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗，Gt为各无人机雷达的发射天线增益，Gr为各无人机雷达的接收天线增益，G′t为各无人机雷达旁瓣发射天线增益，G′r为各无人机雷达旁瓣接收天线增益，GI为敌方截获接收机的接收天线增益，为目标相对无人机i的雷达散射截面，为目标相对第i架无人机和第j架无人机的RCS，λ为无人机雷达发射信号波长，Ri为第i架无人机与目标之间的距离，di,j为第i架无人机与第j架无人机之间的距离，di为第i架无人机与敌方截获接收机之间的距离；
然后，获取各路径传播损耗不确定集合的上、下界；分别用上、下界已知的不确定集合表示和表示第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗不确定区间、第i架无人机-目标-第j架无人机路径传播损耗不确定区间、第i架无人机-第j架无人机之间的直达波路径传播损耗不确定区间以及第i架无人机-敌方截获接收机之间的直达波路径传播损耗不确定区间，其数学描述为：



式中，和分别表示第i架无人机-目标-第i架无人机路径传播损耗误差、...

【专利技术属性】
技术研发人员：时晨光，丁琳涛，汪飞，李海林，周建江，夏伟杰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32