「研究生数学建模竞赛」2018年中国研究生数学建模竞赛E题第一问解析与探讨（含matlab源码）

研究生数学建模竞赛

多无人机对组网雷达的协同干扰

1. 引言

前段时间忙里偷闲，想找虐一下，于是做了一下2018年中国研究生数学建模竞赛E题，整个四天左右的时间里除了第一问比较有信心之外，另外两问头都大了。首先申明博主非科班，游走在人工智障专业程序猿一枚，所以数学功底不算强，女票数学专业还有另外有数学专业的伙伴助攻。这里只探讨一下E题的第一问，这里我会公开我们团队第一问做的解决方案以及源码，在此抛砖引玉，欢迎数模参与者与爱好者一起交流探讨！（源码在我的github上,地址：2018-Graduate-Mathematical-Modeling-Contest-E），（第一问用到的参考文献可以在这里下载：第一问参考文档合集）

2.试题回顾

组网雷达系统是应用两部或两部以上空间位置互相分离而覆盖范围互相重叠的雷达的观测或判断来实施搜索、跟踪和识别目标的系统，综合应用了多种抗干扰措施，具有较强的抗干扰能力，因而在军事中得到了广泛应用。如何对组网雷达实施行之有效的干扰，是当今电子对抗界面临的一个重大问题。

诸多干扰方式中较为有效的是欺骗干扰，包括距离欺骗、角度欺骗、速度欺骗以及多参数欺骗等。本赛题只考虑距离假目标欺骗，其基本原理如图1所示，干扰机基于侦察到的敌方雷达发射电磁波的信号特征，对其进行相应处理后，延迟（或导前）一定时间后再发射出去，使雷达接收到一个或多个比该目标真实距离靠后（或靠前）的回波信号。

图 1 对雷达实施距离多假目标欺骗干扰示意图

在组网雷达探测跟踪下，真目标和有源假目标在空间状态（如位置、速度等）上表现出显著的差异：对于真目标，其空间状态与雷达部署位置无关，在统一坐标系中，各雷达探测出的真目标空间状态是基本一致的，可以认为它们是源自于同一个目标（同源）；对于有源假目标，它们存在于雷达与干扰机连线以及延长线上，其空间状态由干扰机和雷达部署位置共同决定，不同雷达量测到的有源假目标的空间状态一般是不一致的，有理由认为其来自于不同目标（非同源），利用这种不一致性就可以在组网雷达信息融合中心将假目标有效剔除。这种利用真假目标在组网雷达观测下的空间状态差异来进行假目标鉴别的思想简称为“同源检验”，它是组网雷达对真假目标甄别的理论依据。

为了能对组网雷达实施有效干扰，现在可利用多架无人机对组网雷达协同干扰。如图2所示，无人机搭载的干扰设备对接收到的雷达信号进行相应处理后转发回对应的雷达，雷达接收到转发回的干扰信号形成目标航迹点信息，传输至组网雷达信息融合中心。由于多无人机的协同飞行，因此在融合中心就会出现多部雷达在统一坐标系的同一空间位置上检测到目标信号，基于一定的融合规则就会判断为一个合理的目标航迹点，多个连续的合理目标航迹点就形成了目标航迹，即实现了一条虚假航迹。通过协同控制无人机的飞行航迹，可在敌方的组网雷达系统中形成一条或多条欺骗干扰航迹，迫使敌方加强空情处置，达到欺骗目的。

图 2 多无人机协同干扰组网雷达系统示意图

某组网雷达系统由5部雷达组成，雷达最大作用距离均为150km，也就是只能对距雷达150 km范围内的目标进行有效检测。5部雷达的地理位置坐标分别为雷达1（80，0，0），雷达2（30，60，0），雷达3（55，110，0），雷达4（105，110，0），雷达5（130，60，0）（单位：统一为km）。雷达将检测到的回波信号经过处理后形成航迹点状态信息（本赛题主要关心目标的空间位置信息）传输到融合中心，融合中心对5部雷达获取的目标状态信息进行“同源检验”，只要有3部以上雷达的航迹点状态信息通过了同源检验，即至少有3部雷达同一时刻解算出的目标空间位置是相同的，融合中心就将其确定为一个合理的航迹点，20个连续的经融合中心确认的航迹点形成的合理航迹，将被组网雷达系统视为一条真实的目标航迹。所谓合理的航迹是要满足相应的目标运动规律，无论是运动速度还是转弯半径等均应在合理的范围内。

现考虑多架无人机对组网雷达系统的协同干扰问题。无人机的飞行速度控制在120km/h~180km/h，飞行高度控制在2000m~2500m，最大加速度不超过10。由于安全等因素的考虑，无人机间距需控制在100 m以上。鉴于无人机的RCS较小，也采用了若干隐身技术，在距雷达一定距离飞行时，真实目标产生的回波不能被雷达有效检测（本赛题可不考虑无人机产生的真实目标回波）；干扰设备产生的欺骗干扰信号经过了放大增强环节，能保证被雷达有效检测到。每架无人机均搭载有干扰设备，可独立工作。同一时刻一架无人机只能干扰一部雷达，但可在该部雷达接收机终端（雷达屏幕上）产生多个目标点，这些目标点均位于雷达与无人机连线以及延长线上，距雷达距离超过150 km的假目标信息直接被雷达系统删除；同一时刻多架无人机可以干扰同一部雷达。雷达同一时刻接收的多个目标点的状态信息均同时传送到信息融合中心。每架无人机不同时刻可干扰不同雷达。同一条航迹不同时刻的航迹点，可以由组网雷达系统中不同的三部雷达检测确定。

请建立相应的数学模型，研究下列问题：

（1）附件1给出了一条拟产生的虚假目标航迹数据，该虚假航迹数据包含20个时刻的虚假目标位置坐标信息，时间间隔为10秒。为实现较好的干扰效果，现限定每架无人机在该空域均做匀速直线运动，航向、航速和飞行高度可在允许范围内根据需要确定。请讨论如何以最少数量的无人机实现附件1要求的虚假目标航迹，具体分析每一架无人机的运动规律和相应的协同策略。

问题（1）的解算结果，需按附件4中规定格式具体给出每一架无人机对应时刻的空间位置坐标，存入文件“E队号_1.xls”中，作为竞赛附件单独上传竞赛平台，是竞赛论文评审的重要依据。

（2）对雷达实施有源假目标欺骗干扰时，干扰设备可同时转发多个假目标信息（本赛题限定每一架无人机同一时刻至多产生7个假目标信息），但它们均存在于雷达与无人机连线以及延长线上，延迟（或导前）的时间可根据实际需要确定。该组网雷达系统的每一部雷达的数据更新率为10秒（可直观理解为每间隔10秒获得一批目标的空间状态数据，无人机转发回对应雷达的假目标信息能及时获取）。协同无人机编队可产生出多条虚假航迹，以实现更好的干扰效果。实际中无人机可机动飞行，但为控制方便，无人机尽可能少做转弯、爬升、俯冲等机动动作，转弯半径不小于250m。请讨论由9架无人机组成的编队在5分钟内，完成附件1要求的虚假航迹的同时，至多还可产生出多少条虚假的航迹。给出每一架无人机的运动规律，并分析每一条虚假航迹的运动规律和合理性。

问题（2）的解算结果，需按附件4中规定的格式具体给出每一架无人机对应时刻的空间位置坐标和每一条虚假航迹的相关数据，存入文件“E队号_2.xls”中，作为竞赛附件单独上传竞赛平台。

（3）当组网雷达系统中的某部雷达受到压制干扰或其它因素的干扰时，可能在某些时刻无法正常获取回波信号，此时组网雷达系统信息融合中心可以采用下面的航迹维持策略：若之前与受干扰的雷达联合检测到目标的另2部雷达没有受到干扰，正常检测到回波信号，那么在融合中心就对这两部雷达检测的目标航迹点信息进行同源检验，若通过亦视为是合理的目标航迹点；若一条航迹中这类航迹点的个数不超过3个时（该航迹的其余航迹点仍需通过前面规定的“同源检验”），该航迹就被继续保留。针对上述航迹维持策略，协同无人机编队的飞行，有可能产生更多的虚假航迹。该组网雷达系统的每一部雷达的数据更新率仍为10秒。重新讨论由9架无人机组成的编队在5分钟内，完成附件1要求的虚假航迹的同时，至多还可产生出多少条虚假的航迹。给出每一架无人机的运动规律和协同策略，分析每一条虚假航迹的运动规律和合理性。

附件1 问题1虚假航迹点坐标数据.xls

附件2 问题1的结果.xls

附件3 问题2的结果.xls

附件4 对问题1、2提交结果的规定（请认真阅读，严格按照要求完成）

3. 前期准备

首先拿到题目，认真的读了十几遍题目，并且按题目要求在稿纸上不断复现模型，接着就是疯狂知网相关论文，还去谷歌学术上找了找相关英文文献，然后又到github上面想寻找相关repo，发现还是一无所有。差不多半天就过去了，差不多傍晚正式打印出相关论文来看，先看了中文论文“基于多机协同的组网雷达欺骗干扰策略”，“基于无人机协同的航迹欺骗干扰方法研究”，“对组网雷达的多机协同航迹欺骗干扰技术”，英文文献是看的这篇“Research on Track Deception Technology based on Jamming of Flexible Lines by Jammers”，其实这篇英文版的也是国人写的，和前面几篇中文文献大同小异。

4. 简要分析

看完之后就感觉第一问和论文里描述的有一些相似之处也有不同之处。相似之处：首先论文“基于多机协同的组网雷达欺骗干扰策略”讨论的是二维平面情况下，第一问可以通过定高不考虑Z轴，也就是让无人机在XOY平面上飞行；不同之处：就在于第一问是要求无人机做匀速直线运动，速度不可变，所以这里的约束条件我们就考虑用距离来约束。由于无人机做匀速直线运动，我们建立多无人机协同干扰的航迹优化模型，将5个雷达与20个时刻的虚假目标的坐标相连，产生100条直线。确定无人机高度、平面与100条直线所交的点都是无人机可能出现的位置坐标。根据无人机的速度来判断点与点之间的距离是否满足无人机的飞行路径。若点与点之间的距离无法满足无人机的飞行路径，则增派飞机单独飞过此点。最后通过遍历所有可能路径，用Matlab 编程求出至少需要33架无人机完成此虚假目标航迹。通过遍历所有符合要求的路径我们也能发现，要形成那20个虚假目标点，无人机至始至终都只能干扰某一个雷达。

5. 模型假设

假设1：无人机在空间区域做匀速直线运动，确定航向、航速和飞行高度。

假设2：不考虑转弯、爬升、俯冲，并确定无人机的飞行高度为。

假设3：无人机飞行时视为一个质点，一台无人机同一时刻只能干扰一台雷达。

假设4：不会受到暴风雨、导弹攻击等各种因素的干扰，即无人机可正常运行。

假设5：不考虑无人机产生的真实目标回波，即每间隔获得一批目标的空间状态数据。

6.模型分析

问题一是给出了一条拟产生的包含20个时刻的虚假目标位置坐标信息，时间间隔为10秒虚假目标航迹数据，为实现较好的干扰效果，现限定每架无人机在该空域均做匀速直线运动，航向、航速和飞行高度可在允许范围内根据需要确定。现讨论如何以最少数量的无人机实现附件1要求的虚假目标航迹，具体分析每一架无人机的运动规律和相应的协同策略。

由题意得飞行的路程为，飞行的高度在之间，最大幅度不会超过。可求得飞行的角度在2.86°的范围内波动，所以可把无人机看成是在水平范围内做匀速直线运动，如图1：

雷达可以发射N个光波，无人机一次只能接收改变一个，三个雷达需要三台无人机，雷达、无人机、假目标始终在一条直线上，一个假目标需要三台雷达确定虚假航迹，现考虑一架无人机与雷达形成的直线在处的交点与另一架无人机与雷达形成的直线在处的交点之间的距离是否满足可行性？若不满足则需要增加无人机的个数。多架无人机对组网雷达进行干扰的示意图如图2所示：

图3为雷达辐射范围的俯视图，分别为五个雷达的地理位置，辐射半径为。蓝色区域为五部雷达产生辐射的共同范围。

附件1给出了一条拟产生的虚假目标航迹数据，该虚假航迹数据包含20个时刻的虚假目标位置坐标信息，时间间隔为10秒，表1为不同时间间隔时，无人机之间的飞行范围：

将问题一给出的条件进行梳理，根据题目和参考文献，给出以下解决方案：

现固定无人机的飞行高度为，无人机做匀速直线运动。无人机的飞行速度控制在。用这个平面去截假目标与雷达的连线得到可能是无人机位置的点。
根据，判断无人机从一点到另外一点是否是可行线，若超出或者没进入无人机的飞行范围，则不满足条件；反之，满足。
分配路线，确定它们的起始点与终点，若两个点之间满足的行线有3条，则需要三架无人机，若没有3条，则需要增派飞机。
最后根据空间直线公式求得具体无人机的位置坐标。无人机每个时刻的位置坐标的求解过程如下：

求解每架无人机从第1时刻到第20时刻坐标：

定高H=2500m

无人机在平面上的位置如图4：

7.模型建立

雷达坐标图

根据题目中所给的五部雷达所组成的组网雷达系统的地理位置坐标，及附表中所给出的一条拟产生的虚假目标航迹数据。为了便于找出可能的航迹点，用MATLAB画出五部雷达与20个虚假目标之间可能产生的连线，如下图：

平面上的五个坐标为雷达点，其中红线为虚假目标的航迹线蓝色连线为五个雷达点分别与20个虚假目标确认形成的连线。

遗传算法（Genetic Algorithm）是 1975 年 Michigan 大学的 J.Holland 提出模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。优胜劣汰是遗传算法的显著特点，对于问题1我们将无人机可能飞到的位置信息罗列而出，算出点与点之间可能的路线，优胜劣汰淘汰掉不佳的路线，保留良好的路线。如图6，表达了无人机点与点之间可能的路线。