基于遗传算法的巡航式反潜导弹航迹规划

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摘要：简要介绍了巡航式反潜导弹的工作过程和飞行弹道；针对巡航式反潜导弹的航迹规划问题，概括总结了它的主要特点；确定了巡航式反潜导弹工作空间中威胁区的判定方法和工作空间的建模方法，在传统遗传算子的基础上设计了适合巡航式反潜导弹航迹规划的新的遗传算子，建立了基于遗传算法的巡航式反潜导弹的航迹规划算法；仿真计算结果表明，该算法可有效应用于巡航式反潜导弹的航迹规划；最后提出了进一步研究的重点。

关键词：反潜；巡航导弹；航迹规划；遗传算法

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3830-04

巡航式反潜导弹是鱼雷（深水炸弹）与巡航导弹相结合的武器，它兼具了鱼雷（深水炸弹）与巡航导弹的特点，具有射程远、速度快等优点，能以更快的接敌速度在更大的范围内攻击敌方潜艇，已成为最有效的中、远程反潜武器[1]。巡航式反潜导弹的发射平台一般为大、中型水面舰艇，目标为潜艇，随着它的射程的增大和使用方式的增多，其航迹规划问题也更加重要。巡航式反潜导弹的航迹规划与其它类型巡航导弹的航迹规划相比，有相似之处，也有其自身的特点。近年来，遗传算法以较强的鲁棒性和全局搜索特性在飞行器弹道优化领域得到了广泛和较成功的应用[2]。该文采用遗传算法对巡航式反潜导弹的航迹规划问题进行了研究。

1 巡航式反潜导弹弹道

巡航式反潜导弹的工作过程是：舰载反潜火控设备根据声纳系统或舰外系统提供的潜艇目标信息进行火控计算，为巡航式反潜导弹提供射击参数，并控制其发射；巡航式反潜导弹点火升空后，由弹上制导装置按照预先规划好的航路控制飞行[3]，并由发射舰艇根据潜艇目标的机动情况或其它情况对其航迹进行修正；巡航式反潜导弹到达预定点后，释放战斗部，战斗部入水后对潜艇目标进行攻击。

2 巡航式反潜导弹航迹规划的特点

巡航式反潜导弹的航迹规划就是在其飞行空间中，寻找从起始点到目标点、满足各种技战术要求和约束条件的一系列航迹点。巡航式反潜导弹的使用环境在海上，攻击目标是敌方移动的潜艇。由于打击目标和使用方式的变化，它的的航迹规划与反舰巡航导弹或对陆攻击巡航导弹相比也发生了变化，具有一些新的特点。

2.1 航路规避

巡航式反潜导弹攻击的目标为敌方潜艇，在单一的水面舰艇与潜艇的对抗态势下，潜艇一般处于水下，不会对巡航式反潜导弹在空中的生存构成威胁。这种情况下巡航式反潜导弹的航迹规划不存在突防的要求。但是，现代海战往往是空、海、潜一体化的编队作战，反潜巡航导弹在攻击敌方潜艇目标时，还要考虑敌编队中其它舰艇的火力对自身的威胁。此外，随着在浅海反潜战的重要性的提升，对于采用掠海低空弹道的巡航式反潜导弹，岛屿和人工建筑物也会影响其作战使用。因此，进行巡航式反潜导弹的航迹规划时，不得不考虑其对敌方火力和海上障碍物规避的问题。

2.2 末端攻击弹道

对陆攻击型巡航导弹的末端制导可以使用数字式景象匹配区域相关装置（DSMAC），反舰巡航导弹的末端制导系统通常是红外导引头或雷达导引头。对于巡航式反潜导弹来讲，末端寻的功能主要依靠战斗部（声自导鱼雷或深弹）的自导系统来完成，因此只要运载器将战斗部送到指定位置即可。然而，对于声自导鱼雷战斗部来讲，由于其入水搜索弹道的影响，其入水姿态对于其声自导系统发现目标影响较大。因此，在水面舰艇的探测系统能够探测到目标的运动状态或使用提前法进行巡航式反潜导弹射击时，在航迹规划中需要综合考虑其接近敌潜艇目标的攻击航向。

2.3 目标和威胁区域的移动

对陆攻击巡航导弹的目标和威胁区一般是固定不动的，而潜艇目标一般处于运动状态，敌舰艇编队的对空探测和防空火力也随载舰一起移动。反舰巡航导弹沿规划好的航迹运行时，其红外导引头或雷达导引头可以在较远的距离上发现并捕获目标。对于巡航式反潜导弹来讲，在空中工作时不具备搜索目标的能力，只有在战斗部入水以后，才开始对目标搜索，且搜索距离一般较小。当巡航式反潜导弹在飞行一段时间后，目标的机动距离可能已超出声自导鱼雷战斗部的自导作用距离，或者它自身已进入敌近程防空火力的有效射程。

2.4 规划空间简化

巡航式反潜导弹的工作环境与反舰巡航导弹类似，均存在海上飞行段。海上地形较陆上地形要简单很多，巡航式反潜导弹在巡航阶段按照预定弹道高度飞行，一般情况下不进行纵向机动，只是在横向上进行机动[4]。因此，在巡航式反潜导弹的航迹规划中，可以进行一些必要的简化，只考虑威胁回避和地形回避，航迹规划在二维平面上展开，这样能降低计算模型的复杂度，减少计算量。

3 算法设计

3.1 规划空间建模

3.1.1 威胁区的判定

3.1.2 栅格法规划空间建模

采用栅格表示法对巡航式反潜导弹的飞行空间进行描述[5]。在地理坐标系下，将巡航式反潜导弹的工作空间分成若干栅格，利用海图信息和敌情信息，确定威胁区域的位置并将其映射到相应的栅格上。栅格划分的粒度与海图精度和巡航式反潜导弹的导航精度需要保持相互匹配。通过使用可信度值表示每一个栅格内的威胁分布状况，较为简化的方法是，当某一栅格与威胁区重合时，该栅格的可信度值为0，否则为1。栅格可以用直角坐标法表示，也可以用序号法表示。

3.2 算法设计

3.2.1 个体和初始种群生成

3.2.3.4 填补算子

3.3 仿真计算

假设巡航式反潜导弹采用当前点射击方法进行射击。以巡航式反潜导弹载体为坐标中心，北向为方位0°，潜艇目标方位为135°，选定反潜式巡航导弹的飞行空间为目标连线的±45°内、以目标连线为对角线的正方形区域，正方形区域的边长设定为10。当把整个区域划分为100个栅格时，载体和目标的位置为栅格{0}和栅格{99}的中心位置。

4 结束语

本文利用遗传算法对巡航式反潜导弹的航迹规划问题进行了初步研究，建立了该算法的基本模型，仿真实验结果表明了该算法的有效性。巡航式反潜导弹的航迹规划问题是一个复杂的问题，约束条件较多，巡航式反潜导弹的动力学约束和其战斗部末端航向的约束对于其航迹规划的影响，是进一步研究的重点。

参考文献：

[1] 关世义，冯郅仲.国外飞航式反潜导弹浅析[J].飞航导弹，2004（10）：1-9.

[2] Chen Gang. Genetic Algorithm Optimization of RLV Reentry Trajectory[J]. AIAA-2005.

[3] 曲东才.反潜导弹现状和发展[J].中国航天，2001（9）：36-40.

[4] 曾亮，许诚.反舰巡航导弹航迹规划的特殊性[C].中国航空学会飞行力学与飞行试验专业委员会国防口（9510）协作攻关办公室第（2003）学术交流会，189-193.

[5] Weil M， Simiatkowska B， Sikorski K A， Borkowski A. Grid based mapping for automous mobile robot[J]. Robotics and Autonomous Systems， 1993， 11：13-21.

[6] 吴晓涛，孙增圻.用遗传算法进行路径规划[J].清华大学学报：自然科学版，1995，35（5）：14-19.

[7] 周明，孙树栋.遗传算法原理与应用[M].北京：国防工业出版社，1999.