基于BP神经网络的水下对抗预测模型研究.pdf
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1、()指挥控制与仿真 引用格式:罗立峰,张静远,华明,等 基于 神经网络的水下对抗预测模型研究指挥控制与仿真,():,():基于 神经网络的水下对抗预测模型研究罗立峰,张静远,华 明,封皓君,于 莹(海军工程大学,湖北 武汉;部队,浙江 宁波)摘 要:针对水下平台水下对抗作战量化验证评估困难、指导机动规避作战模型欠缺等问题,设计了一种基于大数据学习的水下对抗预测模型。首先进行水下平台水下对抗建模,基于蒙特卡洛方法执行若干轮次仿真获得规避概率数据集;同时,为解决海量仿真下时间效率不佳的问题,提出利用 神经网络预测算法进行数据学习,提供准确、快速、可视化的对抗结果。试验结果表明,在本文设定的试验环境
2、下,基于 神经网络预测算法的平均预测误差为,可有效对水下平台规避概率进行预测,为指挥员指挥决策提供数据支撑。关键词:软对抗;大数据;对抗预测模型;规避概率中图分类号:;文献标志码:,(,;,):,:;收稿日期:修回日期:作者简介:罗立峰(),男,硕士研究生,研究方向为水下武器攻防。张静远(),男,教授。水下平台规避鱼雷的方式主要包括三类:一是非杀伤方式,通过铺设消声瓦、机动规避和减振降噪等技术,降低水下平台的声反射强度,使水下平台不容易被水声探测手段发现;二是软杀伤方式,指综合运用声诱饵、噪声干扰器等器材,干扰来袭鱼雷或敌平台的声呐,从而增加水下平台的逃生概率;三是硬杀伤方式,指运用反鱼雷武器
3、摧毁或使来袭鱼雷失去攻击能力。近年来,针对软杀伤方式,研究人员开展了丰富的研究,大力发展水声对抗器材并建立相关模型以应对快速发展的鱼雷武器与战术战法。周明等人研究提出了高频噪声干扰器干扰距离和干扰角度的计算模型;夏志军等人通过仿真分析得出低频噪声干扰器对抗线导鱼雷攻击效果并不明显的结论,并提出了低频噪声干扰器的使用时机和策略;杨日杰等人研究了噪声干扰器最佳布放深度和位置问题;李文哲等人研究了水下平台声诱饵对抗声自导鱼雷模型。上述研究仅考虑了一种声抗器材的使用,并未建立综合运用声诱饵、噪声干扰器的对抗过程。李明辉提出基于蒙特卡洛法的水下对抗效能推演评估模型,为后续研究提供了思路,但存在计算效率低
4、下等问题。施丹华等人研究了水声对抗的发展历史,并提出了多器材协同、降低频率、运用机器学习、人工智能等发展趋势。受上述学者启发,本文综合运用声诱饵、噪声干扰器等多种声抗器材建立对抗过程,通过建模和蒙特卡洛法仿真生成数据集,并通过数据学习建立基于 神经网络的预测模型,解决了推演评估计算效率低的问题。该模型可对规避概率进行实时预测,为指挥员指挥决策提供数据支撑。建模分析假设敌方单元发射一条鱼雷对水下平台如何进行 罗立峰,等:基于 神经网络的水下对抗预测模型研究第 卷打击,水下平台如何利用声诱饵、干扰器等器材诱骗来袭鱼雷并以正确的机动方式逃脱是本文研究的重点。为解决上述问题,本文采用“建模仿真训练”三
5、层体系,分析水下平台在不同动作下的规避概率,将该概率作为对抗过程的评价。整个研究分为三个部分:一是建模部分,对真实战场环境近似建模,包括模型假设与对抗过程建模两个模块;二是用蒙特卡洛方法赋能规避概率计算,将若干组对抗过程代入模型量化计算,初步获得水下平台在某种情况、执行某些动作下的规避概率数据集;三是利用 神经网络算法对上述数据进行预测训练,快速获得某对抗情况下我水下平台的规避概率,高效地完成评价,总体设计思路如图 所示。图 模型总体设计思路 基于蒙特卡洛的对抗过程建模与数据生成 对抗过程建模水下平台和鱼雷间的软对抗通常包含两种手段:一是水下平台发射声干扰器抑制鱼雷制导能力;二是水下平台发射声
6、诱饵持续欺骗鱼雷。本文假设对抗过程建模先后采用两种手段。)水下平台利用声干扰器抑制鱼雷制导能力,旨在为水下平台转向规避获得有利时机。声干扰器作为一种有源水声对抗器材,通过发射强功率噪声来干扰敌方声呐或声制导鱼雷,降低其声探测作用距离和对目标的跟踪性能,从而提高水下平台生存概率。在该过程中,水下平台首先在一定范围或时间内感应到来袭鱼雷,随即发射一枚自航式声干扰器。此时来袭鱼雷探测搜索能力减弱,无法全时跟踪水下平台转向过程,只能沿原有行进方向继续搜索。)水下平台利用声诱饵持续欺骗鱼雷,旨在为水下平台获得更多逃脱时间。经过一段时间后,来袭鱼雷脱离声干扰器作用范围,将继续搜索水下平台并保持跟踪打击状态
7、,此时水下平台发射一枚声诱饵持续欺骗鱼雷。声诱饵作为一种有源水声对抗器材,广泛应用于多国海军,是目前最有效的软杀伤对抗器材,其关键技术在于对水下平台特征信号进行模拟。水下平台发射声诱饵后,继续转向躲避攻击,鱼雷则在一定范围内追击声诱饵伪装的假目标,直至接近声诱饵并判定其为假目标后,再次搜索并追击。假设对抗过程如图 所示,对上述过程进行简单建模分析,部分结果如图 所示。图 对抗过程建模 模型假设为提高计算效率,在保证对抗模型正确的前提下,做出如下假设:)简化不同武器单元的运动建模,对抗海域是均匀等温层,具有球面声传播特性;)鱼雷、干扰器、声诱饵均能正常稳定工作;)水下平台可以对所有方位的来袭目标
8、报警;)将鱼雷、干扰器、声诱饵看作是运动的质点;)鱼雷自导搜索开角及半径保持稳定;)鱼雷采用提前角射击方法,导引弹道采用尾追导引法;)干扰器和声诱饵发射布放无方向限制;)暂不考虑声诱饵尾部盲区。蒙特卡洛仿真传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程,很难得到满意的结果,而蒙特卡洛方法能够真实地模拟实际物理过程,广泛应用于军事建模等过程,可以适配本文设计的水下对抗环境。蒙特卡洛法核心思想在于使用随机数来模拟现实战场中的若干种情第 期指挥控制与仿真 图 部分建模结果图 况,并将所求解的问题同一定的概率模型相联系,用计算机实现统计模拟或抽样,以获得问题的近似解。目标概率设置为水下平台在一定态势下执行一
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