高超聲速巡航導彈載機目標識別模型*

劉 旭,李為民,謝 鑫,劉永蘭

(空軍工程大學防空反導學院, 西安 710051)

高超聲速巡航導彈載機目標識別模型*

劉 旭,李為民,謝 鑫,劉永蘭

(空軍工程大學防空反導學院, 西安 710051)

高超聲速巡航導彈對現有空防體系構成極大挑戰,高效的目標識別是后續攔截打擊的基礎。通過分析,選擇其載機作為識別對象,確定目標尺寸、編隊情況、目標高度、目標速度、情報這五類識別因素。結合模糊綜合評價方法,構建了載機目標識別模型,給出了因素集、評價集和兩者之間的隸屬關系。最后通過示例,驗證了所構建模型的可行性、有效性以及實時性。

高超聲速巡航導彈;載機;目標識別模型;模糊綜合評價

0 引言

高超聲速巡航導彈攔截打擊是一個時敏性作戰過程,越早識別目標,越有利于后續的攔截作戰。從文獻[1]可以看出,高超聲速巡航導彈未來的發射平臺可能包括陸基、海基、空基以及臨近空間等平臺。空基平臺進行搭載發射具有機動靈活、易于實現等特點,可能成為高超聲速巡航導彈未來的主要發射方式。在這種發射方式中,導彈有很長一段時間是掛載在載機上飛行的。在這一階段,載機目標大,飛行速度慢,若能及時識別其為高超聲速巡航導彈載機,則有可能在導彈脫離載機前進行快速攔截,取得機彈同毀的攔截效果,或者為后續的導彈攔截作戰提供更長的反應時間,提高攔截成功率。

在關于高超聲速巡航導彈目標識別的已有研究中,大都只針對導彈本身進行目標識別。文獻[2]研究了高超聲速巡航導彈的目標特性,定性分析了高超聲速巡航導彈的物理特性、功能特性和環境特性;文獻[3]對高超聲速巡航導彈的探測識別難點進行了定性研究,并給出了相關建議;文獻[4]對高超聲速鈍頭雙錐體的紅外輻射特性進行了定量研究,但并非針對高超聲速巡航導彈,且缺乏識別方面的后續研究。在高超聲速巡航導彈載機目標識別方面,還未有公開文獻。

文中選擇了高超聲速巡航導彈載機作為識別目標。詳細分析了載機的飛行過程,基于載機飛行過程中所呈現出的各類特征,確定載機的識別因素。結合模糊綜合評價方法,建立其識別模型。通過示例仿真來驗證模型的可行性。

1 高超聲速巡航導彈載機目標識別因素確定

1)高超聲速巡航導彈載機作戰過程

從文獻[5-6]進行分析,考慮到載機投放高超聲速巡航導彈時對初始速度、高度等因素的要求,一般選擇大型飛機作為載機,導彈固定在飛機機翼下方。在待命狀態下,載機停置于基地中,根據指令轉換戰備等級,接到作戰命令后,載機起飛,以較大飛行速度和爬升角飛行爬升,在達到導彈對初始速度、高度的要求后,投放高超聲速巡航導彈,之后載機返回基地進行休整或進入下一個任務流程。

2)識別因素確定

分析高超聲速巡航導彈載機的作戰過程,考慮目前對空目標探測方式現狀,選擇雷達作為探測手段,確定“目標尺寸、編隊情況、飛行速度、飛行高度、情報”作為主要識別因素。

①情報因素。情報是現代防空作戰目標識別中十分重要的因素。情報包括上級情報和友鄰情報。對于上級情報,應該充分信任。對于友鄰情報,應該重點參考。需要指出的是,由于情報獲取手段多樣,可能會出現情報沖突的情況,所以指揮員掌握的情報信息往往是“模糊”的,這在后續的模型構建中會采用模糊綜合評價法進行處理。

②目標尺寸。高超聲速巡航導彈一般由大型載機掛載,如轟炸機、運輸機等。通過雷達、紅外、可見光等探測手段,獲取目標的尺寸信息,通過分析目標尺寸大小,可以排除戰斗機、偵察機等干擾因素。一般來說,目標尺寸越接近大型飛機,則是高超聲速巡航導彈載機的可能性就越大。

③飛行速度。高超聲速巡航導彈在投放前,需要載機達到一定速度[5-6],根據這一特性可以對高超聲速巡航導彈載機進行識別。我們知道,大型飛機為了飛行安全,其飛行速度一般較為平穩,一般不會超過音速。如果已經識別目標為大型飛機,而其飛行速度又過大,則有較大可能是高超聲速巡航導彈載機。

④飛行高度。由于高超聲速巡航導彈的主要巡航軌跡在臨近空間,所以需要載機提供較高的初始高度,加之自身助推器助推,才能到達這一空域進行巡航飛行,這一初始高度達到15 000 m以上[5-6]。一般來說,軍用戰斗飛機為了便于隱身突防,一般采取超低空飛行方式,飛行高度不過數百米,而民用航空飛機飛行高度不會超過10 000 m。在確定目標的飛行高度后,則可進行初步識別判斷。

⑤編隊情況。高超聲速巡航導彈的主要作戰任務是消滅時敏點目標,而非大面積打擊。執行任務所需保障飛機不多。可以認為,如果雷達探測結果是大規模目標群,則存在高超聲速巡航導彈載機的可能性較低;如果結果是小規模目標群,則可能性不定;如果結果是單目標,則可能性較大。

2 基于模糊綜合評判的識別模型構建

模糊綜合評判在諸多文獻中已有詳細介紹,論文不再繁述。參考文獻[7,10],基于分析對模型的關鍵參數進行設計,構建了論文所用的模糊綜合評判識別模型。

1)確定因素集

確定因素集為:目標尺寸、編隊情況、飛行速度、飛行高度、情報。用U={u1,u2,u3,u4,u5}表示。

2)確定評價集

確定評價集為“確定”(確定目標為高超聲速巡航導彈載機)、“否定”(否定目標為高超聲速巡航導彈載機)、“不明”(目標類型不明,有待進一步觀察),用V={v1,v2,v3}表示。

3)確定隸屬函數

①情報。將情報識別結果歸納為5種:確認、較確認、未明、較否認、否認。其模糊隸屬度如表1。

表1 情報模糊隸屬度

②目標尺寸。

對于“確定”類:

(1)

對于“否定”類:

(2)

對于“不明”類:

(3)

其中,c為飛機實際長度,d為探測所得長度。

③載機飛行速度。

對于“確定”類:

(4)

對于“否定”類:

(5)

對于“不明”類:

(6)

其中,a為高超聲速巡航導彈初始速度,v為觀測到速度。

④飛行高度。

對于“確定”類:

(7)

對于“否定”類:

(8)

對于“不明”類:

(9)

其中,b為高超聲速巡航導彈對初始高度要求,h為探測得到目標飛行高度。

⑤編隊情況。將觀測結果歸納為3類:大規模編隊飛行(大于5架),小規模編隊飛行(2～5架),單架飛行。其模糊隸屬度如表2。

表2 編隊情況模糊隸屬度

4)歸一化處理

5)確定模糊權向量

采用層次分析法確定各因素的權重為:

A=(a1,a2,…,a6)={0.3,0.25,0.2,0.15,0.1}

6)令:

3 示例驗證

1)案例設置

參考2010年3月26日搭載于B-52H上進行發射的高超聲速巡航導彈飛行過程[8-9],設置案例的相關參數如下:高超聲速巡航導彈初始速度和高度要求為a=0.85 Ma、b=15 150 m;載機最大翼展為c=56 m;載機接到任務后,單獨起飛執行作戰任務,以v=0.8 Ma的速度和30°爬升角均速爬升,105 s后達到導彈初始速度和高度要求,投放高超聲速巡航導彈。假設我方雷達從載機起飛一直對其處于探測狀態,探測周期為5 s,即在載機起飛后第5n(n=1,2,…,21)s,我方雷達分別對目標進行了探測。

2)識別結果

②編隊情況。載機與打擊目標之間的距離在導彈射程(約1 000 km)附近,雷達在這個距離對目標編隊情況有較好的分辨能力。雷達對目標的探測結果為“單架飛行”。

③飛行速度。載機與打擊目標之間的距離在導彈射程(約1 000 km)附近,雷達在這個距離對目標速度有較好的探測能力。雷達對目標速度的探測結果為“v=0.8 Ma”。

④飛行高度。隨著n的增大,載機飛行高度不斷增加。設載機飛行高度探測結果為函數h=15150n/21。

⑤情報。假設情報綜合后識別結果為“未明”。

3)隸屬度確定

得出的探測結果按模型中的隸屬關系進行換算,得到第n次探測各因素對于各評判的模糊隸屬度。進行歸一化化處理后得出仿真結果,見圖1。

圖1 第n次探測“確認”、“否認”、“未明”的模糊隸屬值

4)算法實時性分析

對所建評價體系算法的實時性進行分析,仿真得出各次探測所需時間,見圖2。

圖2 算法實時性分析

5)結果分析

由圖1,以得出以下結論:

①構建的目標識別模型能較好的計算出不同探測次數下各評判的模糊隸屬度結果,說明模型具有一定的可行性。

②在探測初期(n取值較小),評判子集“未明”或“否認”具有較高隸屬度;在探測后期(n取值較大)評判子集“確定”具有較高隸屬度,說明對高超聲速巡航導彈載機進行探測時,在探測初期,不易識別目標,隨著載機飛行速度和高度越接近導彈初始速度和高度要求,越容易識別。這與實際是相符的,說明模型具有一定有效性。

③通過計算,得出算法運行平均時間為0.45 s,參考文獻[10-11]可知,所建評價體系算法在實時性上有較好表現。

4 結束語

文中僅為拋磚引玉,可為此方面研究提供相關思路和一定理論成果。后續研究應包括兩個方向:1)如何完善識別因素集,使得識別更加準確;2)面對高超聲速巡航導彈其他發射方式(陸基發射、潛射、臨近空間平臺發射),如何建立目標識別模型。

[1] 劉旭, 李為民, 任曉虹. 高超聲速巡航導彈及其攔截策略研究 [J]. 飛航導彈, 2011(4): 47-49.

[2] 王幸運, 王穎龍, 王還鄉. 高超聲速巡航導彈目標特性分析 [J]. 飛航導彈, 2012(5): 21-23.

[3] 張國華. 臨近空間目標探測分析 [J]. 現代雷達, 2011, 33(6): 13-15.

[4] 高鐵鎖, 董維中, 江濤, 等. 高超聲速鈍頭雙錐體高溫流場輻射研究 [J]. 空氣動力學學報, 2010, 28(4): 410-413.

[5] 呼衛軍, 周軍. 臨近空間飛行器攔截策略與攔截武器能力分析 [J]. 現代防御技術, 2012, 40(1): 11-15.

[6] 王還鄉, 李為民, 上官強. 高超聲速飛行器巡航段攔截作戰需求分析 [J]. 戰術導彈技術, 2012(2): 36-40.

[7] 馬洪文, 魏俊, 高艷章, 等. 基于模糊綜合評判的裝備維修保障系統效能評估 [J]. 兵工自動化, 2010, 29(7): 32-34.

[8] 白延隆, 白云. X-51A飛行器飛行試驗的故障分析 [J]. 飛航導彈, 2012(3): 27-30.

[9] 陳敬一, 王華. 對近期美國高超聲速飛行器飛行試驗的分析 [J]. 飛航導彈, 2012(1): 16-20.

[10] 章顯, 高乾坤, 陶卿. 一種基于在線學習的彈道識別方法 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(2): 110-112.

[11] 王森, 楊建軍, 孫鵬. 基于多特征綜合模糊識別方法的彈道中段目標識別 [J]. 彈箭與制導學報, 2011, 31(5): 23-25.

Target Recognition Model of Hypersonic Cruise Missile Carrier-aircraft

LIU Xu,LI Weimin,XIE Xin,LIU Yonglan

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Hypersonic cruise missile challenges air-space defense nowadays seriously. An study on target recognition of hypersonic missile is important for it’s latter interception. Though analysis, carrier-aircraft of hypersonic cruise missile is chosen as recognition object, and the size, formation, altitude, speed, information are chosen as recognition factor. With the way of fuzzy comprehensive evaluation, target recognition of carrier-aircraft is built, factors gather and evaluation gather and subjection relationship of them are get out. At last, an example is taken to demonstrate the validity and feasibility and real time of model which built above.

hypersonic cruise missile; carrier-aircraft; target recognition model; fuzzy comprehensive evaluation

2014-03-08

國防科技重點實驗室基金資助

劉旭(1987-),男,湖南湘鄉人,博士研究生,研究方向:高空高速目標防御。

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