一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法与流程

本发明属于电磁频谱领域，特别涉及该领域中的一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法。

背景技术：

1、近年来为应对竞争对手持续增长的反介入/区域拒止(a2/ad)能力，借助联合全域作战(jado)、电磁频谱战(emsw)等系列作战概念，利用电磁频谱作为支持高强度、分布式、机动作战唯一媒质的物理属性，融合陆地、海上、空中、太空、网络等作战领域空间及整合相关军事力量，使战场空间内各类涉频军事行动相互作用、互相冲突及互相影响“透明化、可预测、可控化”，以达到电磁频谱内联合军事行动机动自由并有效影响对手军事行动效果的目的。因此，为在同一军事意图下达成不同作战效果提供地图导航式电磁频谱决策支持，成为军事电磁频谱管理的重要内容。

2、现有的电磁频谱决策支持技术的不足和缺陷主要包括：

3、1)缺少地图导航式频谱决策手段。现有的频谱决策手段主要是针对军事行动在某特定区域内使用频率进行分配指配，没有提供有效的地图导航式频谱决策支持。

4、2)动态场景下的频谱支持程度低。现有的频谱决策手段主要在事先筹划阶段为军事行动在某特定区域内频率的使用提供静态的方案建议，无法在动态场景下提供即时有效的频谱导航方案。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法，包括：结合军事行动应用分析给出电磁频谱导航原理；对电磁频谱导航多目标优化函数及约束条件进行数学建模；基于电磁频谱地图设计电磁频谱导航并验证其效果，针对同一作战效果分析给出多种电磁频谱导航方案，可降低军事行动频率间的干扰互扰并提升频率资源利用率。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，对电磁频谱导航多目标优化函数及约束条件进行数学建模：

5、构建频谱导航效果目标函数nr：

6、

7、上式中，表示所有军事行动用频设备之间的同频干扰和临频干扰；表示所有军事行动用频设备受到周边用频台站的电子干扰；

8、构建频谱导航效率目标函数ne：

9、

10、上式中，vt，vs，vf分别为军事行动频谱导航在时域、空域、频域所花费的成本，i表示所有军事行动用频设备的数量；

11、将军事行动频谱导航表示为以下八元组：

12、nt＝(to，of，cr，ce，cp，nr，ne，mo)

13、上式中，to为由任务部队规划的军事行动集合；of为军事行动关联装备的需求频率集合；cr为战场作战频率资源约束条件；ce为战场电波传播环境约束条件；cp为军事行动关联装备的用频机理约束条件；nr为频谱导航效果目标函数；ne为频谱导航效率目标函数；mo为多目标粒子群优化算法；

14、步骤2，频谱导航优化流程：

15、粒子种群的初始化：初始化粒子种群所有粒子的速度和位置，保证其在解空间中均匀分布，给出不同权重下最优的频谱导航方案，将其中的非劣解保存至外部档案，形成频谱导航的pareto解集；

16、个体最优与群体最优的确定：计算频谱导航代价函数p，在粒子种群初始化阶段，每个粒子的个体最优就是其本身；群体最优的选取方式是采用密集距离进行排序，或者直接从pareto解集随机选取，将代价函数值、个体最优和群体最优保存至外部档案；

17、惯性权重的更新：将军事行动所需要的频谱导航方案设置为粒子的位置，导航方案的变化定义为粒子的速度，在每次粒子速度和位置迭代时，将惯性权重按下面的公式更新：

18、

19、上式中，d为解空间维数；为第i个粒子在k时刻位置向量中的第d维分量；为第i个粒子在k时刻的惯性权重；wstart、wend分别指w的初始值和结束值；xmax、xmin分别为粒子位置变量的最大值和最小值；为k时刻种群最优位置向量中的第d维分量；

20、粒子速度和位置的更新：

21、不断的采用下式更新粒子速度和粒子位置：

22、更新粒子速度：

23、更新粒子位置：

24、上式中：w为惯性权重；c1、c2为加速因子；r1、r2为(0，1)之间的随机数；为第i个粒子在k时刻速度向量中的第d维分量；为第i个粒子在k时刻最优位置向量中的第d维分量；

25、最优解集的更新与维护：利用密集距离方法对频谱导航方案pareto解集进行更新和维护，基于战术频谱导航的两个优化目标函数，设计粒子xi密集距离nd(xi)的计算公式如下：

26、

27、上式中：xj、xk是距离xi最近的2个粒子；nr(xj)和ne(xj)分别表示粒子xj第一个和第二个目标函数的值；nrmax和nemax分别表示所有粒子第一个和第二个目标函数的最大值；

28、个体最优与群体最优的更新：通过不断的更新确定个体最优位置，再更新确定群体最优位置，从而获得最优的频谱导航方案；

29、迭代终止判断：判断是否达到粒子群最大代数，若是则输出优化的频谱导航方案；若否，则返回个体最优与群体最优的确定继续优化。

30、进一步的，在步骤1中，军事行动集合to＝(to1,to2,…,ton)，由所有任务部队规划生成的n个军事行动组成，其中第toi个行动表示第i个任务部队的军事行动，其中表示第i个任务部队军事行动n的规划信息。

31、进一步的，在步骤1中，需求频率集合of＝(of1,of2,…,ofm)，由所有军事行动关联产生的m个用频需求组成，其中第ofj个需求表示第j个军事行动的用频需求，其中表示第j个军事行动用频设备m的频率集合。

32、进一步的，在步骤1中，作战频率资源约束条件ufk表示第k个装备在关联行动区域与时间内可用频率资源的集合，efk表示第k个装备标称的可工作频率集合。

33、进一步的，在步骤1中，电波传播环境约束条件ce模型表示为以下六元组：

34、ce＝(fe，pe，he，de，rw，et)

35、上式中，fe为集合of中的某个频率；pe为to集合中的某个军事行动活动区域；he为to集合中的某个用频设备海拔高度；de为to集合中某个用频设备的天线俯仰角度；rw为影响到to集合中的某个用频设备的电波传播环境类型；et为to集合中的某个用频设备受到电波传播环境效应影响。

36、进一步的，在步骤1中，装备的用频机理约束条件cp模型表示为以下六元组：

37、cp＝(toi，pt，eq，tm，of，md)

38、上式中，toi为集合to中的某个行动；pt表示行动toi关联的路线；eq表示行动toi关联的型号装备集；tm表示eq中某个装备工作时间集合；of表示eq中某型号装备工作频率集合；md表示eq中某型号装备使用频率的模式。

39、进一步的，在步骤2中，频谱导航代价函数p＝cost(nr,ne)，分别设置nr和ne的权重，使得频谱导航代价函数值最小时是最优解。

40、进一步的，在步骤2中，更新个体最优位置：假设某粒子xi原来位置为pi，现在位置为pi′；对于目标函数而言，若pi′优于或等于pi，pi′作为粒子xi的最新位置；反之，则粒子xi的位置不变。

41、进一步的，在步骤2中，更新群体最优位置：计算每个粒子的sigma值αi，及解集中所有粒子的sigma值βi，然后计算αi与βi在解空间的距离解集中距离最小的粒子位置为群体最优位置。

42、本发明的有益效果是：

43、本发明所公开的方法，针对实现电磁频谱内军事行动机动自由的军事需求，创新地构建了多条件约束下军事行动频谱导航的数据模型，采用了多目标粒子群优化算法求解频谱导航方案寻优问题，该方法可有效降低军事行动频率间的干扰互扰并提升频率资源利用率，可为联合军事行动的事先筹划和即时调整提供地图导航式频谱决策支持。

技术特征：

1.一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤1中，军事行动集合to＝(to1,to2,…,ton)，由所有任务部队规划生成的n个军事行动组成，其中第toi个行动表示第i个任务部队的军事行动，其中表示第i个任务部队军事行动n的规划信息。

3.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤1中，需求频率集合of＝(of1,of2,…,ofm)，由所有军事行动关联产生的m个用频需求组成，其中第ofj个需求表示第j个军事行动的用频需求，其中表示第j个军事行动用频设备m的频率集合。

4.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤1中，作战频率资源约束条件ufk表示第k个装备在关联行动区域与时间内可用频率资源的集合，efk表示第k个装备标称的可工作频率集合。

5.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤1中，电波传播环境约束条件ce模型表示为以下六元组：

6.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤1中，装备的用频机理约束条件cp模型表示为以下六元组：

7.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤2中，频谱导航代价函数p＝cost(nr,ne)，分别设置nr和ne的权重，使得频谱导航代价函数值最小时是最优解。

8.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤2中，更新个体最优位置：假设某粒子xi原来位置为pi，现在位置为pi′；对于目标函数而言，若pi′优于或等于pi，pi′作为粒子xi的最新位置；反之，则粒子xi的位置不变。

9.根据权利要求1所述基于多目标优化的电磁频谱导航方法，其特征在于：在步骤2中，更新群体最优位置：计算每个粒子的sigma值αi，及解集中所有粒子的sigma值βi，然后计算αi与βi在解空间的距离解集中距离最小的粒子位置为群体最优位置。

技术总结
本发明公开了一种基于多目标优化的电磁频谱导航方法，包括如下步骤：步骤1，对电磁频谱导航多目标优化函数及约束条件进行数学建模：步骤2，频谱导航优化流程。本发明所公开的方法，针对实现电磁频谱内军事行动机动自由的军事需求，创新地构建了多条件约束下军事行动频谱导航的数据模型，采用了多目标粒子群优化算法求解频谱导航方案寻优问题，该方法可有效降低军事行动频率间的干扰互扰并提升频率资源利用率。

技术研发人员：徐宗龙,张中华,冯晓哲,刘亚南,唐金华,杜少杰
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23