一种分布式导弹时序发射地面仿真系统及设备

1.本发明涉及分布式导弹时序发射地面仿真系统及设备，属于水下导弹发射仿真技术领域。


背景技术：

2.在信息化条件下的现代战争中，导弹的作用越来越明显，已成为重要的打击手段和战争利器。如何用好导弹武器，发挥其最大效力，涉及众多理论与方法问题。其中，导弹火力运用是一个关键的研究领域，它是以使用或威慑使用导弹火力为手段，以实现某种作战意图为目的的运筹过程，而导弹发射时序规划则是导弹火力运用领域中的重要研究课题。
3.特别是随着战争形态的不断演变，多导弹协同作战已成为基本的作战样式，参与打击的导弹武器数量越来越多，确定导弹发射时间愈发重要。现代战争中密集的火力打击任务，给导弹发射时间的确定提出了更加严峻的考验。因此，多导弹协同作战条件下，协调不同导弹发射平台之间的导弹发射顺序，快速计算所有导弹的发射时间变得尤为重要。
4.传统的导弹发射方式是按照弹筒顺序依次发射，这种方式存在着两点明显缺陷：一是顺序发射会使相邻弹筒的振动幅度、温度提高，振动幅度会导致导弹初始位置发生变化；温度提高会使弹筒发生热变形；这些因素都会造成导弹运动的不稳定性。二是先发射的导弹会在其尾迹留下尾涡，会对后续发射的导弹的运动状态造成干扰，对导弹的精准度造成不利影响。三是如果为了提高导弹的稳定性和精准度，则就要牺牲时间，需要等待上述两点不利因素消失，因此会使暴露时间(即发射总时间)延长。
5.目前的发射方式也仅仅是基于部分影响因素对弹筒顺序依次发射进行了考虑，并没有形成仿真系统，从而不能对导弹的发射方式以及其他相关研究提供仿真环境和模拟基础，因为不能全面的进行仿真，缺乏验证基础，因此在一定程度上降低了相关研究的可靠性。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决现有的导弹时序发射地面仿真系统存在不能全面的进行仿真且不能基于暴露时间进行仿真的问题。
7.一种分布式导弹时序发射地面仿真系统，包括：初始条件设置单元、计算模式选择单元和监测显示单元；其中，
8.初始条件设置单元：用于为用户提供选定弹筒类型的组合选项，以及为用户提供导弹发射需求、影响因子、平台速度数据输入端口，同时负责接受用户输入的数据信号；其中，
9.弹筒类型包括多种不同类型导弹，弹筒类型组合是指多种不同类型导弹的组合布局方式；
10.发射需求包括要发射弹的种类、数量、发射顺序，以及优化对象和可靠性要求，优化对象为是最短暴露时间；
11.影响因子控制导弹是否发射的阈值，是一个[0,1]之间的数字；
[0012]
计算模式选择单元：为用户提供全局搜索、均匀抽样和智能筛选模式，用于确定发射可能情况对应导弹发射排列顺序，以及相邻发射导弹的时间间隔和暴露时间；
[0013]
a、全局搜索对所有的发射顺序进行全排列，分别计算所有导弹发射次序对应的暴露时间，然后找到所有暴露时间的最小值；全局搜索就是将所有发射可能情况进行计算，全局搜索对所有发射可能情况进行计算时包括“顺序矩阵”、“接收矩阵”、“准备矩阵”、“运算矩阵”、“结果矩阵”和“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”；其中
[0014]“顺序矩阵”储存了导弹弹筒编号及弹筒坐标，弹筒编号是运算、结果展示的唯一序列，任何情况不会更改；
[0015]“接收矩阵”用来储存导弹发射需求的全排列；
[0016]“准备矩阵”在“接收矩阵”的基础上，调换数据顺序，以适应运算矩阵的运算；
[0017]“运算矩阵”用于存储全局运算的结果，全局运算需要获取输入的“影响因子”和“平台速度”，并将其加入到全局运算过程中，所述的全局运算包括以下步骤：
[0018]
接收准备矩阵的信息，基于顺序矩阵中的导弹信息，利用影响函数确定第n种方法的第i发导弹发射方法；计算第i发导弹排列顺序对应的前发弹和次发弹的空间间隔，然后将前发弹和次发弹的时间间隔从0开始带入影响函数，计算是否达到用户的可靠性要求，即是否小于影响因子，若未达到则将要求带入影响函数通过范围得到可行的时间间隔，最终确定n种方法的第i发导弹发射方法，并将对应的顺序信息以运算矩阵的形式保存；
[0019]“结果矩阵”会储存每种导弹发射排列顺序的时间间隔，并且将导弹顺序对应的每段时间间隔加和，这个加和之后的值即为暴露时间；
[0020]“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”是筛选出“结果矩阵”中最优的发射顺序；
[0021]
b、均匀抽样，是在全局搜索基础上，对全排列的样本进行均匀提取，保证抽取的样本能代表整体状态；
[0022]
c、智能筛选采用的贪心算法快速确定水下导弹发射时序；
[0023]
监测显示单元：监测并展示运算速度、计算进度，以及进行数据监测，数据监测的结果包括发射次序、发射时间间隔、暴露时长、次序总量和计算总量。
[0024]
进一步地，全局运算中，影响函数是基于评价距离d＝|δd+v
·
δt|及影响s确定的评价距离-影响曲线，其中v为艇速，δd为空间间隔，δt为时间间隔三变量。
[0025]
进一步地，所述的影响s采用对俯仰角的影响，即其中θ1和θ2分别为首次发弹在垂向运动两个弹长位置时的俯仰角。
[0026]
进一步地，所述智能筛选采用的贪心算法快速确定水下导弹发射时序的过程中基于带有扰动策略进行贪心算法，具体过程包括以下步骤：
[0027]
s1、将迭代次数置为1并记录迭代次数i＝1；
[0028]
s2、在备选弹中随机确定首发弹的发射方案，包括首发弹的位置及时刻，将首发弹发射时刻记为0时刻；
[0029]
s3、第k发弹选择：由给定的影响函数及给定的影响限制分别计算第k发弹下所有备选弹的时间间隔δt，按照时间间隔大小对备选弹进行排序，根据第k-1发弹的时间间隔以及扰动策略选择此发弹的发射方案，记录发射位置及时刻；将影响函数表示为前k-1发弹
发射后尾涡与第k发弹的间距d1,d2...d
k-1
对第k发弹的影响，通过间距d
k-1
的影响、d
k-2
的影响、
……
、d1的影响叠加确定，即s＝f(d1,d2...d
k-1
)；对于第k发弹而言，由于前d
k-2
的影响、
……
、d1的影响只是δt的函数，此时根据影响限制就能确定一个δt，进而通过δt进行排序；
[0030]
s4、若发射任务没有完成，则k＝k+1并返回步骤s3继续循环；若发射任务全部完成，则记录此时最后一发弹的发射时刻，并与此前记录的发射时刻进行对比，若此时最后一发弹的发射时刻小于此前记录的最后一发弹的发射时刻，则记录此时的发射方案并对此前的记录进行覆盖，反之则不进行操作，发射方案包括各发弹的发射时刻、发射弹位置及发射总时长；
[0031]
s5、迭代结束后，与最大迭代次数进行比较，若小于等于最大迭代次数则令i＝i+1，并返回步骤s2进入新迭代循环；若大于最大迭代次数则返回记录的最小总发射时长的发射方案，即各弹的发射位置及发射时刻，并结束循环给出发射方案。
[0032]
进一步地，监测显示单元包括进程监测模块、数据监测模块和结果显示模块；
[0033]
进程监测模块实时展示运算速度、计算进度；其中，
[0034]
运算速度在全局搜索或均匀抽样模式下“准备矩阵”、“运算矩阵”的循环迭代中，监测已处理的数据量和运行时间比值，并予以显示；
[0035]
在全局搜索或均匀抽样模式下，“接收矩阵”和“运算矩阵”在循环阶段插有一个计数器；在进程监测模块中，由全排列公式可知导弹发射顺序数量，计算进度通过将计数器与顺序数量的比得到，并予以显示；
[0036]
数据监测模块将“结果矩阵”中的数据按照计算顺序予以显示；
[0037]
结果显示模块显示发射次序、发射时间间隔、暴露时长、次序总量和计算总量；其中，暴露时长为时间间隔之和。
[0038]
进一步地，所述进程监测模块包还用于控制是否进入设置状态。
[0039]
进一步地，初始条件设置单元中，不同类型导弹共有4组，每7个弹筒构成一组；弹筒类型组为多种不同类型导弹的组合。
[0040]
一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并运行以实现所述的分布式导弹时序发射地面仿真系统。
[0041]
一种分布式导弹时序发射地面仿真设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并运行以实现所述的分布式导弹时序发射地面仿真系统。
[0042]
有益效果：
[0043]
本发明能够基于暴露时间进行仿真，而且本发明中设置多种仿真导弹发射顺序的计算方式，不仅可以实现全面仿真，而且能够根据实际需要以不同的方式进行仿真，使用更加有针对性且方便灵活。同时还能够显示发射顺序，直观也提升了使用方便程度。
[0044]
同时，在本发明的系统中，对导弹发射仿真系统在对导弹发射仿真时，考虑了发射的导弹会在其尾迹留下尾涡，会对后续发射的导弹的运动状态造成干扰的问题，在后续导弹选择的过程中基于干扰的问题进行了考虑和处理，所以在理论上本发明的仿真效果会更好。
附图说明
[0045]
图1为分布式导弹时序发射地面仿真系统的处理流程图；
[0046]
图2为系统界面图中弹筒类型的组合界面图；
[0047]
图3为用户提供导弹发射需求、影响因子、平台速度数据输入端口界面图；
[0048]
图4为计算模式选择界面图；
[0049]
图5为进程监测显示界面图；
[0050]
图6为数据监测显示界面图；
[0051]
图7为结果显示界面图；
[0052]
图8为结果显示界面图(发射顺序)。
具体实施方式
[0053]
具体实施方式一：
[0054]
本实施方式为一种分布式导弹时序发射地面仿真系统，本发明基于matlab中的appdesigner开发出了一个独立的运算系统，其具有输入、运算、结果可视化的基本功能，每个功能单元以及设计思路如图1所示。
[0055]
总体来说，本发明系统软件的使用流程分为设置初始条件、计算模式选择、进程与结果的展示三个方面。初始条件负责一些工况环境的调整，可提升软件的通用性；计算模式选择提供了三种基于不同算法的模式，可适用于不同的作战要求；进程与结果中可实时体现计算结果的反馈，提高软件的交互性。
[0056]
本实施方式所述的一种分布式导弹时序发射地面仿真系统，包括初始条件设置单元、计算模式选择单元和监测显示单元；其中，
[0057]
初始条件设置单元：用于为用户提供选定弹筒类型的组合选项，以及为用户提供导弹发射需求、影响因子、平台速度数据输入端口，同时负责接受用户输入的数据信号。如图2和图3所示。
[0058]
在设置初始条件中，需要选定弹筒类型的组合，对应软件界面如图2所示，图中
①
为输入初始条件区域，
②
为控制计算与清除区域，
③
为结果的直观展示区域。
[0059]
弹筒类型组合：本发明中提供了两种功能的导弹，每7个弹筒构成一组，共有4组，每种类型导弹均有2组。在“布局”页面中，提供了6种弹筒的排列方式，在“布局”页面中点选排列类型，“导弹布局”页面即可获得反馈(“b”型、“l”型)。这样设计提高了交互性。该接口设计是为了适用于不同弹筒的布局结构，在软件中内部存在弹筒编号，通过matlab中判断语句来排列弹筒编号，从而实现不同的布局方式。
[0060]
发射需求：在实战中，使用方会接受到战斗指令，本发明所研究的舰船有两种类型的航行体，则发射需求可以是两种航行体的任意组合，比如第一发“b”、第二发“l”、第三发“l”，把指令转化为计算机能够识别的语言，即bll。其航行体发射总数不超过弹筒个数即可。还可以为用户提供优化对象和可靠性要求，优化对象为是按照最短暴露时间还是最密弹药布置。
[0061]
影响因子：影响因子的大小可以衡量弹道的偏移程度，所调整的影响因子是一个[0,1]之间的数字，其数值越小，代表影响越小，经过测试，在影响因子在0.001左右时会得到较为满意的结果。这个参数的设计是导弹运动稳定性和精准度的体现，它是经过一系列
的运算得出的，在系统中影响因子是控制导弹是否发射的阈值，在运算的每次循环判断中均需要与影响因子对比，一旦低于此值，便允许发射。
[0062]
控制平台速度：平台的速度也会影响尾涡与后续航行体的距离，在实际情况中艇速受到影响因素过多，所以我们把艇速的输入交给用户，默认速度为2.5m/s。
[0063]
以上输入数据均由appdesigner中“编辑字段(数值)”组件进行数据的储存与传输。
[0064]
计算模式选择单元：为用户提供全局搜索、均匀抽样和智能筛选模式，用于确定发射可能情况对应导弹发射排列顺序，以及相邻发射导弹的时间间隔和暴露时间；
[0065]
计算模式选择界面如图4所示。
[0066]
全局搜索对所有的发射顺序进行全排列，分别计算所有导弹发射次序对应的暴露时间，然后找到所有暴露时间的最小值；
[0067]
均匀抽样，是在全局搜索基础上，对全排列的样本进行均匀提取，保证抽取的样本能代表整体状态；在均匀抽样模式先提供抽样密度选项；
[0068]
智能筛选采用的贪心算法快速确定水下导弹发射时序；
[0069]
实际上全局搜索就是将所有发射可能情况进行计算，即对发射需求进行全排列，计算出的结果为最优结果，缺点是计算耗时较长，占用计算机资源较多，一般计算不超过5枚导弹，适用于发射导弹数量较少，且结果要求精度较高的战况。为了实现全局搜索，在系统中定义了6种数据矩阵，分别是“顺序矩阵”、“接收矩阵”、“准备矩阵”、“运算矩阵”、“结果矩阵”和“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”；
[0070]“顺序矩阵”储存了28枚导弹弹筒编号及弹筒坐标，弹筒编号是运算、结果展示的唯一序列，任何情况不会更改。
[0071]“接收矩阵”用来储存导弹发射需求的全排列，对应输入的“发射需求”信息，如果发射需求过多，此项完成需要耗费大量时间。
[0072]“准备矩阵”是在“接收矩阵”的基础上，调换数据顺序，使其能够适应运算矩阵的运算。
[0073]“运算矩阵”用于存储全局运算的结果，全局运算需要获取输入的“影响因子”和“平台速度”，并将其加入到全局运算过程中，所述的全局运算包括以下步骤：
[0074]
接收准备矩阵的信息，也就是获取用户输入的需求(按照最短暴露时间还是最密布局，可接受次发弹道可靠性概率为多少，此时的艇速，要发射弹的种类和数量)以及n发m类导弹全排列顺序方法等。
[0075]
基于顺序矩阵中的导弹信息，利用约束函数确定第n种方法的第i发导弹发射方法；计算第i发导弹排列顺序对应的前发弹和次发弹的空间间隔，然后将前发弹和次发弹的时间间隔从0开始带入约束函数(影响函数)，计算是否达到用户的可靠性要求(影响函数的是否满足要求，即si是否小于等于阈值sss)，若未达到则将要求带入影响函数(就是说将要求的影响带入影响函数的反函数，就可以得到评价距离d的范围)通过范围就可得到可行的时间间隔，最终确定n种方法的第i发导弹发射方法，并将对应的顺序信息以运算矩阵的形式保存；
[0076]
约束函数即影响函数，是基于评价距离d＝|δd+v
·
δt|及影响
确定的评价距离-影响曲线，其中v为艇速，δd为空间间隔，δt为时间间隔三变量；θ1和θ2分别为首次发弹在垂向运动两个弹长位置时的俯仰角。
[0077]“结果矩阵”会储存每种导弹发射排列顺序的时间间隔，并且将导弹顺序对应的每段时间间隔加和，这个加和之后的值即为暴露时间。
[0078]“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”是筛选出“结果矩阵”中最短的暴露时间对应的发射顺序。
[0079]
均匀抽样，是在全局搜索上发展起来的，全局搜索需要占用大量计算资源，且随着发射导弹数量的增加，计算量增速很快。所以采取抽样的方式计算，为了避免抽样会导致错过最优解，所以对全排列的样本进行均匀提取，保证抽取的样本能代表整体状态。均匀抽样指的是按照固定间隔取一部分排列进行计算，它是按照每隔相同数量的序列进行抽取的，这里使用到了抽样密度旋钮，图4下侧有抽样密度旋钮，旋钮对应数值为一个百分比数据，它的值越小，代表抽取数据越是少，同时计算效率也越高；通过鼠标拖拽可实现调整数值，该算法计算耗时较短，但结果可能是局部最优解，导弹数量在8～12之间较为合适，适用于时间较紧迫，且结果要求精度较小的战况。
[0080]
智能筛选是根据贪心算法进行计算，可用于运算任意枚导弹，可在较短运算时间内得到满意结果，适用于时间及其紧迫，且结果要求精度较高的战况。实际上智能筛选根据贪心算法进行即可，为了减少发射过程中导弹发射之间的影响，同时保证避免陷入局部最优，优选方案为采用基于带扰动贪心算法快速确定水下导弹发射时序：具体过程包括以下步骤：
[0081]
1、将迭代次数置为1并记录迭代次数i＝1。
[0082]
2、在备选弹中随机确定首发弹的发射方案，包括首发弹的位置及时刻，将首发弹发射时刻记为0时刻。
[0083]
3、第k发弹选择：由给定的影响函数及给定的影响限制分别计算第k发弹下所有备选弹的时间间隔δt，按照时间间隔大小对备选弹进行排序，根据前一发弹(第k-1发弹)的时间间隔以及扰动策略选择此发弹的发射方案，记录发射位置及时刻。其中影响函数表征水下发射导弹对于其它待发导弹的影响，影响限制为安全发射限制，即认为导弹发射时计算得到的下发弹的影响小于影响限制时才可进行下发弹的发射，也就是说选择时是在满足影响限制的情况中进行。
[0084]
影响函数可以表示为前k-1发弹发射后尾涡与第k发弹的间距d1,d2...d
k-1
对第k发弹的影响，该影响实际上是可以通过间距d
k-1
的影响、d
k-2
的影响、
……
、d1的影响叠加确定，即s＝f(d1,d2...d
k-1
)。对于当前待发弹，即第k发弹而言，由于前d
k-2
的影响、
……
、d1的影响只是δt的函数，此时根据影响限制就能确定一个δt，进而可以通过δt进行排序；
[0085]
4、若发射任务没有完成，则k＝k+1并返回步骤3继续循环；若发射任务全部完成，则记录此时最后一发弹的发射时刻，并与此前记录的发射时刻进行对比(就是将当前任务完成时对应的最后一发弹的发射时刻与之前任务完成是对应的最后一发弹的发射时刻对比)，若此时最后一发弹的发射时刻小于此前记录的最后一发弹的发射时刻，则记录此时的发射方案并对此前的记录进行覆盖，反之则不进行操作，发射方案包括各发弹的发射时刻、发射弹位置及发射总时长。
[0086]
5、迭代结束后，与最大迭代次数进行比较，若小于等于最大迭代次数则令i＝i+1，
并返回步骤2进入新迭代循环；若大于最大迭代次数则返回记录的最小总发射时长的发射方案，即各弹的发射位置及发射时刻，并结束循环给出发射方案。
[0087]
监测显示单元：展示运算速度、计算进度和数据监测，数据监测结果包括发射次序、发射时间间隔、暴露时长、次序总量和计算总量。
[0088]
监测显示单元包括进程监测模块、数据监测模块和结果显示模块；
[0089]
进程监测模块：如图5所示，在“监测”页面中，有设置开关按钮，用于控制是否进入设置状态；设置开关按钮旁边附有“计算状态”显示灯，可以直观显示设置状态。下侧的计算速度仪表盘能够显示处理数据的速度，在运行过程中会有进度显示。
[0090]
在“监测”页面中会展示滚动计算数据，显示发射顺序以及对应时长。
[0091]“运算速度”使用到了appdesigner中内置的“半圆形仪表”组件，在全局搜索/均匀抽样中的“准备矩阵”、“运算矩阵”的循环迭代中，监测已处理的数据量和运行时间比值，将数值表示在“半圆形仪表”中。
[0092]“计算进度”使用到了“数值进度条”组件，在耗费时间较长“接收矩阵”和“运算矩阵”中，循环阶段插入一个计数器，由全排列公式可知导弹发射顺序数量，将计数器/顺序数量表示在“数值进度条”上。
[0093]
数据监测模块：如图6所示，“数据监测”使用到了“表”组件，将“结果矩阵”中的数据按照计算顺序填充到“表”中。
[0094]
结果显示模块：如图7和图8所示，在“结果”页面中有发射次序、发射时间间隔、暴露时长、次序总量和计算总量，图7和图8中结果选择的是全局搜索算法，因而次序总量和计算总量相同，如果选择另外两种算法，其值是不同的。在“导弹分布”页面中，会以动画的形式显示发射顺序，并且在弹筒左侧显示序号。
[0095]
发射次序和发射时间间隔为截取的“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”中的发射次序和时间间隔。暴露时长为时间间隔之和。动画显示发射顺序使用到了appdesigner中的“plot”、“leftarrow”和“text”命令，可以实现绘图、箭头标准和文本标准功能，通过简单的几何元素、颜色区分来表示弹筒、发射状态。绘制的数据均来自“最优导弹发射顺序和时间间隔矩阵”。
[0096]
具体实施方式二：
[0097]
本实施方式为一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并运行以实现所述的分布式导弹时序发射地面仿真系统。
[0098]
应当理解，包括本发明描述的任何方法对应的可以被提供为计算机程序产品、软件或计算机化方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置，以执行过程。存储介质可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质包括：只读存储器rom、随机存取存储器ram、可擦除可编程存储器(例如，eprom和eeprom)以及闪存层；或者适合于存储电子指令的其他类型的介质。
[0099]
具体实施方式三：
[0100]
本实施方式为分布式导弹时序发射地面仿真设备，所述设备包括处理器和存储器，应当理解，包括本发明描述的任何包括处理器和存储器的设备，设备还可以包括其他通过信号或指令进行显示、交互、处理、控制等以及其他功能的单元、模块；
[0101]
所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并运行以实
现所述的分布式导弹时序发射地面仿真系统。
[0102]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。