弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法技术

本发明专利技术涉及弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，包括：S100，确定导弹与目标之间的距离的动力学模型及所述动力学模型的外部控制函数；S200，构造有向时变拓扑图；S300，根据所述动力学模型、所述外部控制函数和所述有向时变拓扑图判定星弹协同可行性；S400，确定与所述外部控制函数的变化率正相关的能量损失函数，并通过最小化所述能量损失函数优化所述星弹通信链路。本发明专利技术将弹群协同作战通信链路转化为有向时变拓扑图，并提出能量损失函数，将通信拓扑筹划问题转化为能量损失函数最小化求解问题，巧妙地将星弹协同作战通信问题转化为有向时变拓扑图模型的数学优化问题，化繁为简，极大地提升了弹群协同作战能力。极大地提升了弹群协同作战能力。极大地提升了弹群协同作战能力。

【技术实现步骤摘要】
弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法


[0001]本专利技术涉及卫星应用
，具体涉及一种弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法。

技术介绍

[0002]与单一手段的攻防导弹相比，弹群协同作战具有更高的打击效率，对敌方高价值目标，如航母战斗群、驱护编队等，具有更强的打击能力。弹群通过规划攻击角度和攻击路线，最后同一时间到达，或在不同攻击方位上同时到达，能够实现对目标的全方向饱和攻击，提高导弹的突防概率和对目标的打击能力。
[0003]随着航天技术的快速发展，卫星资源越来越丰富，天基装备将在现代一体化跨域协同作战中获得应用并发挥重要作用。使用天基装备提升弹群协同作战能力是对弹群协同作战的进一步创新和提升。一方面，卫星系统通过动态调整星座连接关系，可以实现对大范围战场全维度高精度监视感知；另一方面，弹群系统利用天基信息支援的优势，有效减少了弹群间通信和信息处理环节，提升了信息传输的安全性和可靠性，增强了战场中弹群打击的灵活性和抗摧毁性。
[0004]现代的战争以精确打击为主，星弹链路筹划将成为星弹协同作战效能发挥的关键影响因素。
[0005]现代战争中，快节奏、大纵深的远程打击已成为战场的主要作战模式。很多国家都在发展导弹协同数据链技术，使得突防的导弹之间可以通过弹间数据链进行协同，提高导弹的突防概率和打击效果。武器系统与指挥控制平台之间的星弹通信链路研究长期以来一直是工业界和学术界的研究热点。发表于2001年的《国外飞航导弹卫星数据链路传输系统跟踪研究》这一文献讨论了国外星弹链路系统的发展现状与应用情况，重点分析了星弹链路中的关键技术，提出了一些对策和建议；发表于2007年的《导弹飞控数据链中星弹链路的信道建模与仿真》这一文献基于卫星中继的导弹飞控数据链星弹链路特征，建立了该信道的统计及仿真模型，并基于此模型，分别对海面、平原、山区三种通信环境进行了蒙特卡洛仿真；发表于2014年的《基于弹道数据的弹星通信链路仿真》这一文献提出单星
‑
单弹的星弹通信链路仿真方案，通过增加具体的弹道数据文件和计算模块，对星弹通信链路进行了更加精确的模拟，搭建了完整的星弹通信链路模型，仿真获得了导弹整个飞行过程中的通信链路情况、通信信道特征等数据。
[0006]上述研究均针对传统通信卫星。传统卫星通信采用高轨中继卫星，受卫星轨位、研制成本等因素制约，用于导弹通信所用的通信卫星数量较少，目前的研究工作局限于单星
‑
单弹的应用场景。近年来，低轨通信正在成为军用领域的应用热点，与高轨通信相比，其通信时延由高轨卫星的数百毫秒降低到十几毫秒，对于超高声速导弹控制更为有效，其通信传输损耗降低数十dB，为通信终端小型化和高速数据传输的鉴定基础，特别是随着SpaceX等创新技术突破，低轨卫星系统正在实现规模化部署，其系统容量、成本、可靠性、研制和部署周期具有显著的优势。
[0007]然而，低轨通信卫星轨道高度低、单星对地覆盖较小，必须通过多星组网才能实现全球覆盖，多星
‑
多弹通信筹划问题尚属空白。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，以解决目前在多星
‑
多弹通信筹划方面仍存在技术空缺的情况。
[0009]本专利技术实施例提供一种弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，所述筹划方法包括：
[0010]S100，确定导弹与目标之间的距离的动力学模型及所述动力学模型的外部控制函数；
[0011]S200，构造有向时变拓扑图；
[0012]S300，根据所述动力学模型、所述外部控制函数和所述有向时变拓扑图判定星弹协同可行性；
[0013]S400，确定与所述外部控制函数的变化率正相关的能量损失函数，并通过最小化所述能量损失函数优化所述星弹通信链路。
[0014]进一步地，步骤S100包括：
[0015]导弹i与目标之间的距离ρ
i
的动力学模型为：
[0016][0017]其中，u
i
为导弹i关于距离ρ
i
的控制输入，t为时刻；
[0018]所述外部控制函数表示为卫星i的控制协议：
[0019][0020][0021]其中，k
i
为控制增益，为卫星观测到的导弹j1,...,j
r
距离目标的距离，为卫星观测并计算获取的导弹j1,...,j
r
到达目标的时间，且j≠1,j∈{j1,...,j
r
}。
[0022]进一步地，步骤S200包括：
[0023]构造有向时变拓扑图为：
[0024]G(t)＝(V,E(t),A(t))
[0025]其中，顶点集V为导弹系统{1,...,n}，E(t)为边集，A(t)＝[a
ij
(t)]n
×
n
∈R
n
×
n
为对应的邻接矩阵。
[0026]进一步地，步骤S200还包括：
[0027]对于任意时刻t，卫星i根据自身观测以及星际链路通信获取导弹j1,...,j
r
的信息，若j,l∈{j1,...,j
r
},l≠1，则(j,l)∈E，且a
lj
＝1；若j,l∈{j1,...,j
r
},l＝1，则且a
lj
＝0；
[0028]G(t)的切换时刻表示为t
k
,k＝1,2...，G(t)在第k次切换后保持通信情况不变的持续时间表示为T
k
,k＝1,2...，初始时间表示为t0＝0，在对应时间间隔[t
k
‑1,t
k
)内导弹系统的通信拓扑表示为
[0029]通信拓扑的并表示为其中，为连续非空且一致有界的时间间隔，且
[0030]进一步地，步骤S300包括：
[0031]根据所述动力学模型和所述外部控制函数判定所述有向时变拓扑图是否包含一个以领弹为根节点的生成树；
[0032]若是，则可实现星弹协同打击；
[0033]若否，则不可实现星
‑
弹协同打击。
[0034]进一步地，判定所述有向时变拓扑图是否包含一个以领弹为根节点的生成树包括：
[0035]当且通信拓扑对应的加权拉普拉斯矩阵为矩阵和矩阵时，通信拓扑满足其包含一个以节点1为顶点的生成树，对应的加权拉普拉斯矩阵有且仅有一个0特征值，且所有其他的特征值都在复平面的三、四象限，且中，节点1不存在前继节点，拓扑对应的所有加权拉普拉斯矩阵的第一行为全0行，向量(1,0,...,0)
T
为矩阵和对应0特征值的一个特征向量；则通信拓扑对应的拉普拉斯矩阵表示为当且时，矩阵和均满足，有且仅存在一个为0的特征值，所述为0的特征值对应的特征向量为(1,0,...,0)
T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，其特征在于，所述筹划方法包括：S100，确定导弹与目标之间的距离的动力学模型及所述动力学模型的外部控制函数；S200，构造有向时变拓扑图；S300，根据所述动力学模型、所述外部控制函数和所述有向时变拓扑图判定星弹协同可行性；S400，确定与所述外部控制函数的变化率正相关的能量损失函数，并通过最小化所述能量损失函数优化所述星弹通信链路。2.根据权利要求1所述的弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，其特征在于，步骤S100包括：导弹i与目标之间的距离ρ
i
的动力学模型为：其中，u
i
为导弹i关于距离ρ
i
的控制输入，t为时刻；所述外部控制函数表示为卫星i的控制协议：部控制函数表示为卫星i的控制协议：其中，k
i
为控制增益，为卫星观测到的导弹j1,...,j
r
距离目标的距离，为卫星观测并计算获取的导弹j1,...,j
r
到达目标的时间，且j≠1,j∈{j1,...,j
r
}。3.根据权利要求2所述的弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，其特征在于，步骤S200包括：构造有向时变拓扑图为：G(t)＝(V,E(t),A(t))其中，顶点集V为导弹系统{1,...,n}，E(t)为边集，A(t)＝[a
ij
(t)]
n
×
n
∈R
n
×
n
为对应的邻接矩阵。4.根据权利要求3所述的弹群协同作战的星弹通信链路筹划方法，其特征在于，步骤S200还包括：对于任意时刻t，卫星i根据自身观测以及星际链路通信获取导弹j1,...,j
r
的信息，若j,l∈{j1,...,j
r
},l≠1，则(j,l)∈E，且a
lj
＝1；若j,l∈{j1,...,j
r
},l＝1，则且a
lj
＝0；G(t)的切换时刻表示为t
k
,k＝1,2...，G(t)在第k次切换后保持通信情况不变的持续时间表示为T...

【专利技术属性】
技术研发人员：田志新，孔祥磊，王同军，韩鹏，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：