飛行器迎面攔截導(dǎo)引仿真

陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210007)

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飛行器迎面攔截導(dǎo)引仿真

陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210007)

以航母編隊(duì)防空作戰(zhàn)推演為背景,基于仿真方法對(duì)其中的航空器迎面攔截問題進(jìn)行了分析研究。針對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì),限于非軍事因素,要求任務(wù)單元能夠在目標(biāo)正前方威懾距離外與目標(biāo)面對(duì)面對(duì)峙,從而達(dá)到威懾?cái)r截效果,旨在迫使對(duì)方后退,最大限度避免火力接觸,這一點(diǎn)與導(dǎo)彈擊毀式攔截不同。迎面攔截分為兩個(gè)部分,首先在與目標(biāo)同方向運(yùn)動(dòng)過程中,向目標(biāo)對(duì)稱靠近,然后再沿圓弧路徑飛行更改航向,達(dá)到與目標(biāo)面對(duì)面對(duì)峙。論文設(shè)計(jì)了攔截算法,并通過仿真驗(yàn)證了算法的有效性。

威懾; 迎面攔截; 圓弧導(dǎo)引

Class Number TP391

1 引言

從傳統(tǒng)意義上講,攔截是指采用相應(yīng)的武器或戰(zhàn)斗單元對(duì)敵方來襲武器或戰(zhàn)斗單元進(jìn)行毀傷打擊或完全摧毀的手段,避免已方遭受打擊,達(dá)到最大限度保護(hù)自己的目的。攔截技術(shù)是在精確制導(dǎo)武器出現(xiàn)之后被提出的,隨著精確制導(dǎo)武器(常見如各類導(dǎo)彈)技術(shù)的擴(kuò)散,其威脅也在持續(xù)增加,也促使著人類開始研究如何對(duì)其進(jìn)行防御。美國(guó)在二戰(zhàn)結(jié)束后,冷戰(zhàn)初期就率先提出了“導(dǎo)彈防御”的概念[1],在以后幾十年里,世界各國(guó)對(duì)精確制導(dǎo)技術(shù)及相應(yīng)攔截防御技術(shù)都開展了積極研究,防御思想基本采用動(dòng)能殺傷攔截方式,即直接碰撞方式殺傷目標(biāo)[2～3]。關(guān)于導(dǎo)彈攔截,國(guó)內(nèi)專家學(xué)者們已做了大量研究,已有不少研究成果[1～8]。

但是,到了冷戰(zhàn)時(shí)期,尤其是近二三十年來,隨著現(xiàn)代軍事科技的飛速發(fā)展,一些大規(guī)模高端武器裝備不斷出現(xiàn),加之上世紀(jì)兩次世界大戰(zhàn)給人類帶來的巨大災(zāi)難,各國(guó)政要在使用武力前也要考慮使用武力帶來的后果、造成的破壞、對(duì)本國(guó)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展的影響、國(guó)際國(guó)內(nèi)政治及輿論的壓力等多種因素。故而在一些場(chǎng)合,雙方的戰(zhàn)斗單元雖然劍拔弩張地對(duì)峙,卻彼此都保持冷靜,盡力避免火力攻擊,產(chǎn)生摩擦。因此,在這樣的環(huán)境下,伴飛、跟蹤監(jiān)視、“擋道”式攔截、逼退等成為較常見的對(duì)抗方式。這些對(duì)抗方式一般多見于戰(zhàn)斗單元的對(duì)峙,畢竟導(dǎo)彈之類屬火力攻擊武器,容易擦槍走火。如2013年12月,美軍考本斯號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦對(duì)正在我國(guó)南海執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)的我國(guó)航母編隊(duì)展開逼近偵察,被我軍一艘兩棲戰(zhàn)艦攔路擋住,最終被迫撤退。由此可見,上述對(duì)抗方式屬威懾式對(duì)抗,更多取決于國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技等實(shí)力。

至于空中攔截,由于航空器速度較快,為避免碰撞引起摩擦,從現(xiàn)有的一些報(bào)道來看,大多采用近距離伴飛,跟蹤監(jiān)視,直至逼退的方式。但在作戰(zhàn)模擬過程中,尤其是航母編隊(duì)作戰(zhàn)過程中,航母是敵方空中戰(zhàn)斗單元奔襲的主要目標(biāo),當(dāng)有敵方空中戰(zhàn)斗單元(通常為戰(zhàn)斗機(jī))向航母靠近,則需調(diào)動(dòng)附近位置執(zhí)行巡邏任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)前去攔截,要求采用更具威懾力的迎面攔截逼退方式。目前關(guān)于戰(zhàn)斗機(jī)威懾?cái)r截以及導(dǎo)彈迎面攔截或者有交會(huì)角約束攔截的研究并不多[9],因此,開展戰(zhàn)斗機(jī)迎頭攔截研究具有積極意義,它比伴飛及跟蹤監(jiān)視等方式更有威懾力,更是國(guó)家實(shí)力的表現(xiàn)。本文基于模擬航母編隊(duì)防空作戰(zhàn)的需要,對(duì)戰(zhàn)斗單元空中迎面威懾式攔截進(jìn)行相關(guān)研究。

2 問題描述

戰(zhàn)斗單元空中迎面威懾?cái)r截路線仿真設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 迎面威懾?cái)r截示意圖

如圖所示,當(dāng)偵察到有敵方目標(biāo)向航母奔襲,此時(shí)若從甲板上起飛戰(zhàn)斗機(jī)升空攔截就很被動(dòng),一般就近調(diào)動(dòng)正在執(zhí)行巡邏任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)(與航母的距離要小于敵目標(biāo)與航母的距離,以提高攔截的成功率)進(jìn)行攔截。以什么樣的路線向敵目標(biāo)靠近并尋找恰當(dāng)機(jī)會(huì)(即確定拐點(diǎn))掉頭與敵目標(biāo)面對(duì)面對(duì)峙,是本文研究的主要內(nèi)容。使用導(dǎo)彈攔截注重對(duì)敵目標(biāo)的摧毀,因此并不特別要求從哪個(gè)角度擊中目標(biāo)。但隨著技術(shù)發(fā)展,在能摧毀目標(biāo)的基礎(chǔ)上,對(duì)作戰(zhàn)效能也有了一定的要求,因此,對(duì)從哪個(gè)角度擊中目標(biāo)也提出了一些要求[1,12]。

圖2 任務(wù)單元與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

為研究方便,本文先研究一種較為簡(jiǎn)單的情況,先做如下假設(shè): 1) 任務(wù)單元和敵目標(biāo)為質(zhì)點(diǎn); 2) 敵目標(biāo)速度和航向已知,且大小不變,則攔截運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖2所示。圖中,T為敵目標(biāo),M為任務(wù)單元,vt和vm分別為敵目標(biāo)和任務(wù)單元的速度矢量,q為視線角,ψt和ψm為航向,ηt和ηm為速度矢量與視線的夾角,r為任務(wù)單元到目標(biāo)的距離。

由圖中運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析可知

(1)

式中,第一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程表示任務(wù)單元和目標(biāo)之間的距離變化,第二個(gè)運(yùn)動(dòng)方程表示任務(wù)單元和目標(biāo)之間相對(duì)位置的變化,以上兩個(gè)狀態(tài)量均取決于任務(wù)單元和目標(biāo)的速度及航向。角度關(guān)系為

(2)

由上述分析,若要迎面攔截,則最終有

(3)

即目標(biāo)位于任務(wù)單元速度方向上,目標(biāo)任務(wù)單元速度方向相反。

3 導(dǎo)引算法設(shè)計(jì)

圖3 導(dǎo)引算法設(shè)計(jì)

本文先考慮較為簡(jiǎn)單的情況,假定目標(biāo)的速度和航向保持不變,即保持速度矢量不變向航母奔襲,則目標(biāo)和任務(wù)單元的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況如圖3所示。

(4)

進(jìn)一步得,任務(wù)單元的攔截速度為

(5)

在攔截引導(dǎo)過程中,目標(biāo)的速度、位置和航向可實(shí)時(shí)偵察探測(cè)到,轉(zhuǎn)彎半徑R根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。那么根據(jù)這四個(gè)已知量,可逐一求解其他未知量。首先,根據(jù)目標(biāo)航向以及雙方位置(即A和B的坐標(biāo))確定β角,然后再求解其他未知量。如圖3,根據(jù)微分幾何知識(shí)可得

(6)

(7)

(8)

圓周運(yùn)動(dòng)過程中,航向變化的值與圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角相等,故圓弧段航向變化率為

(9)

4 仿真結(jié)果

對(duì)上述攔截方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。定義航母所在位置為原點(diǎn),假設(shè)敵目標(biāo)從(1000,1000)(單位為km)位置向航母靠近意圖進(jìn)行偵察,我方調(diào)動(dòng)在(900,-300)位置的任務(wù)單元執(zhí)行攔截任務(wù)。定義威懾距離為20km,即任務(wù)單元與目標(biāo)速度方向在同一條直線且迎面距離為20km時(shí),達(dá)到威懾?cái)r截效果,可有效迫使敵目標(biāo)更改飛行方向,破壞其靠近偵察的計(jì)劃。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 攔截效果仿真

圖中,坐標(biāo)單位為km,仿真過程中,定義目標(biāo)偵察靠近的速度為300m/s,因?yàn)閿衬繕?biāo)目的是偵察不是作戰(zhàn),所以速度不會(huì)太快。選取轉(zhuǎn)彎半徑為300km,兜大彎是為了避免被敵方過早發(fā)現(xiàn),更改方向,加大攔截難度。通過計(jì)算得,任務(wù)單元的攔截速度為559.7m/s。任務(wù)單元航向變化如圖5所示。

圖5 任務(wù)單元航向變化

5 結(jié)語

本文以作戰(zhàn)仿真推演為背景,對(duì)其中的作戰(zhàn)前期威懾?cái)r截仿真進(jìn)行了研究,解決了迎面攔截仿真的問題,對(duì)仿真推演具有一定的支撐作用。本文暫先做了初期的研究工作,考慮的情況也較為簡(jiǎn)單,諸如目標(biāo)的追蹤、路徑的優(yōu)化、轉(zhuǎn)彎切圓的選擇、目標(biāo)飛行狀態(tài)發(fā)生更改后對(duì)應(yīng)的攔截策略等,還有待于進(jìn)一步研究。

[1] 譚麗芬,李海陽(yáng),唐國(guó)金.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈防御中的攔截交會(huì)角約束研究[J].航天控制,2008,26(5):60-63.

[2] 陳興林,花文華.具有終端約束的地面目標(biāo)攔截比例導(dǎo)引[J].彈道學(xué)報(bào),2010,22(2):15-18.

[3] 梁慜.彈道導(dǎo)彈攔截仿真建模技術(shù)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013(1):56-59.

[4] 王軍平,周衛(wèi)文.基于微分幾何的前向追蹤攔截制導(dǎo)律算法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2013,33(4):37-39.

[5] 葛致磊,李憲強(qiáng),郭銳.彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段攔截導(dǎo)引律研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,31(2):239-243.

[6] 李英杰,賈燕軍,李相民.近程防空導(dǎo)彈攔截巡航導(dǎo)彈的建模與仿真[J].2010,29(12):38-41.

[7] 劉家祺,歐陽(yáng)中輝,孟蕾,等.航空導(dǎo)彈攔截機(jī)動(dòng)目標(biāo)彈道仿真[J].兵工自動(dòng)化,2013,32(2):4-7.

[8] 熊俊輝,唐勝景,郭杰.基于空基攔截器的高超聲速飛行器防御攔截[J].2014,42(1):14-18.

[9] 高曉冬,于嘉暉,吳杰,等.殲擊機(jī)攔截導(dǎo)彈攔截陣位研究[J].兵工自動(dòng)化,2013,32(9):23-25.

[10] 嚴(yán)衛(wèi)生,任章,徐德民,等.迎面攔截變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引律及其應(yīng)用研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,18(4):616-619.

[11] 王重陽(yáng),葛致磊,周軍.攔截大航路目標(biāo)的終端角度約束中制導(dǎo)律設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013,30(8):100-104.

[12] 邢立旦,陳萬春,殷興良.有終點(diǎn)交會(huì)角要求的攔截彈攔截導(dǎo)引設(shè)計(jì)[J].飛行力學(xué),2007,25(4):37-39.

Simulation of Head-on Intercepting Guidance and Control Law for Aerocraft

CHEN Miao LIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing 210007)

With the problem of anti-aircraft campaign operation for aircraft carrier formation, the problem of head-on interception against aerocraft is studied in this paper. According to the dynamic statement and trend of the target, and considering many nonmilitary factors, the mission unit is required to head-on intercept the target out of overawed interval space, which can achieve the purpose of overawed interception. This method aims at making the opposed target fall back self, avoiding firepower, which is different from the attacking interception by guided missile. To realized this method, the mission unit lay aboard to the target firstly, and then adjust the orientation self by circular guidance, that can confront each other against the target. The interception method is designed in this paper, and finally the effectiveness of the proposed method is testified by simulation.

overawe, head-on interception, circular guidance

2015年1月21日,

2015年2月25日 作者簡(jiǎn)介:陳淼,男,工程師,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真與效能評(píng)估。劉曉光,男,高級(jí)工程師,研究方向:指控系統(tǒng)仿真。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.032