預警機指揮引導編隊協同對海作戰系統建模與仿真

張艷霞, 張　安, 孫海洋

(西北工業大學電子信息學院, 陜西 西安 710129)

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預警機指揮引導編隊協同對海作戰系統建模與仿真

張艷霞, 張安, 孫海洋

(西北工業大學電子信息學院, 陜西 西安 710129)

摘要：從大系統的角度出發,對預警機指揮引導有人機/無人機編隊協同對海作戰系統進行了閉環設計,實現從作戰方案裝訂到任務完成后返航整個作戰過程的建模與仿真。整個過程提出了多種新的算法及思想,其中包括純追蹤、平行接近、捕獲法3種自動引導模型和引導員手動引導模型,以消除僚機與長機的相對位置偏差為思想設計的編隊隊形變換模型,以禁飛區對編隊具有排斥力為思想設計的威脅規避模型等。最后通過Visual C++對各模型進行仿真實現,通過具有強大圖形顯示功能的二維仿真軟件MapX和三維仿真軟件Vega Prime實現戰場態勢可視化,并通過二維/三維顯示模塊之間的通信實現二維/三維視景顯示的同步及實時切換。仿真結果表明,整個系統設計合理有效。

關鍵詞：預警機; 指揮引導; 編隊協同; 隊形變換; 威脅規避; 二維/三維視景顯示

0引言

在現代海戰中,預警機作為空中編隊的“眼睛”,是整個指揮控制系統的關鍵節點,而指揮引導在系統中起著承上啟下、協調全局、涉及全面貫徹和實現指揮員意圖的重要作用[1]。在發達國家,預警機對有人機指揮引導作戰已經運用到了實戰中,但關鍵技術難以查閱[2]。國內對預警機指揮引導的研究也備受關注,相關研究也正在進行,其中文獻[3]對預警機指揮控制編隊問題進行了相關研究。文中涉及到自動引導方式的介紹,但并沒有給出具體算法模型。文獻[4]設計了一個無人機編隊算法模型,但模型過于復雜,不適宜工程應用,文獻[5]利用離散粒子群算法對無人機進行三維航路規劃,但算法實時性不高。文獻[6-8]研究了指揮引導控制率問題,但仿真驗證中均采用對空作戰。總的來說,研究大多集中在各模塊算法的改進上,而對整個系統的流程設計、各模塊的具體實現方法和仿真實現的綜合研究較少。

因此,本文在對整個指揮引導系統進行分析的基礎上,對系統中各個模型進行建模,并在二維仿真軟件MapX[9]和三維仿真軟件Vega Prime[10-11]上實現整個戰場態勢的可視化,整個系統的設計新穎、復雜。

1預警機指揮引導系統設計

預警機指揮引導直升機/無人機編隊協同對海作戰過程為:預警機發現敵方目標后,通過威脅評估及任務分配,將作戰任務分配給多個指揮引導臺,而指揮引導臺在指揮引導過程中,如果負載過重,可通過任務規劃分系統將部分作戰任務轉至其他指揮引導臺以均衡負載。

預警機指揮引導分系統根據作戰任務,引導機群飛向目標,并監視機群的飛行路線,保證它們不偏離預定飛行計劃,不誤入戰區[7],當直升機上的機載傳感器探測到目標時,由直升機引導編隊向目標靠近,若此過程中直升機丟失目標信息,則由預警機繼續提供引導指令,直到直升機再次探測到目標。當編隊到達攻擊區后,無人機實施火力打擊,打擊后,效能評估分系統評估目標是否被摧毀,如果已被摧毀,則編隊安全返航,否則進行二次打擊。

指揮引導過程為:編隊起飛—編隊飛行—火力打擊—返航,編隊飛行又包括:自動引導、手動引導、隊形變換和威脅規避。整個過程如圖1所示。

圖1　預警機指揮引導過程圖

本文對7個模塊都進行建模和仿真實現,限于篇幅,下面重點對引導解算、隊形變換、威脅規避3個模塊進行詳細介紹。

2預警機指揮引導原理分析

本文將三維引導問題分解到水平和垂直兩個面內研究,根據本機信息、目標位置、引導方式和引導目的,在水平面內解算飛機(有人機和無人機)的應飛航向,在垂直面內解算飛機的應飛俯仰,飛機飛行控制系統根據當前應飛航向、應飛俯仰、應飛速度解算各個操作舵面的偏轉信號,最終完成對飛機的精準控制[7]。具體過程如圖2所示。其中采用經典的PID控制器設計飛機的飛行控制系統。所以,要完成預警機對編隊的指揮引導,關鍵是解算出飛機每一時刻的應飛航向、應飛俯仰和應飛速度,下面重點研究指揮引導過程的具體解算模型。

圖2　預警機指揮引導原理

3功能模塊實現

3.1引導解算模塊

引導解算模塊主要研究怎樣根據目標的相對運動來調整飛機的控制指令,引導飛機飛到攻擊區。就自動化程度而言,引導方式分為自動引導和手動引導兩種,其中自動引導使用較廣泛的導引方法有純追蹤、平行接近法、捕獲法,此外飛機也可根據系統初始設計的方案線進行引導飛行。手動引導是由引導操作員直接對飛機進行引導,本文采用引導員直接設置航路點,引導飛機按航路點序列飛行。指揮引導方式分類如圖3所示。

圖3　指揮引導方法分類

引導過程中,編隊長機根據引導模塊解算的引導指令飛行,編隊僚機和直升機跟隨長機飛行,并保持編隊隊形,具體飛行指令由編隊控制模塊解算得到。

3.1.1自動引導

捕獲法借鑒平行接近法的思想,將位于無人機前距離為DA的點A按照平行接近法接近目標,這樣可以保證無人機與目標之間保持一個終端距離DA。這一距離決定于武器的射程或機載無線電雷達的作用距離,當無人機前距離為DA的A與目標重合時,即發射武器或開始近距引導。捕獲法二維矢量圖如圖 4所示。

圖4　捕獲法二維矢量圖

可以求得A坐標為

(1)

式中,(xC,yC)為無人機當前位置;φC為無人機航向角。則AM的視線角為

(2)

其中,at(x,y)為反正切函數

(3)

則

(4)

式中,φM為目標航向角。由正弦定理得

(5)

解得

(6)

無人機的應飛航向

(7)

式中，mc(x)=x|[0,2π)為主周期函數,可將x值映射到[0,2π)范圍內。

參考文獻純追蹤、平行接近法原理可[12]。

3.1.2手動引導

手動引導時,引導員直接設置(添加、刪除、插入、修改)航路點,使無人機按設置航路點序列飛行,以實現引導員對無人機航路的實時操控。無人機航路飛行過程如圖5所示。

圖5　無人機航路飛行過程圖

(1) 方位調節

在航路點過渡處方位的調節過程,即圖5的俯視圖如圖6所示。

圖6　航路點方位調整過程圖

無人機每一時刻的應飛航向為

(8)

式中，(x0,y0,z0)為無人機在地理坐標系中的坐標;(xm,ym,zm)為應飛航路點在地理坐標系中的坐標,當無人機與應飛航路點的距離小于設定值時,將應飛航路點信息更改為下一個航路點。

(2) 高度調節

當兩個相鄰航路點高度不同,或需要改變無人機高度時,如無人機返航降落時,則要對無人機進行高度調節。以增大無人機高度為例研究,高度調節過程如圖7所示。

圖7　高度調節過程圖

整個調整過程包括3個階段:調整段、直飛段、恢復段。具體調整算法流程圖如圖8所示。

圖8　向上高度調節流程圖

①調整段下一步長應飛俯仰角為:θYF=θ+Δθ;

②直飛段下一步長應飛俯仰角為:θYF=θ；

③恢復段下一步長應飛俯仰角為:θYF=θ-Δθ。

3.2威脅規避模塊

在直升機/無人機編隊向目標飛行過程中,若編隊即將進入(距離小于安全距離)禁飛區(氣候惡劣區、地方威脅區)時,編隊打亂,編隊中各成員飛機分別進行威脅規避,飛機根據威脅規避解算,得到調整指令,使飛機向遠離禁飛區的方向飛行。

根據人工勢場法的啟發,當飛機即將進入禁飛區(即φ<90°)時,要調整飛機向遠離禁飛區(即φ>90°)的方向飛行。整個調整過程如圖9所示。飛機在A點時即將進入禁飛區,即與禁飛區距離小于安全距離dan。此時如果攻擊機速度方向VC在AO連線的上方,則攻擊機向上方機動;反之,攻擊機向下方機動。機動半徑R≤dan/2。

圖9　幾何法威脅規避圖

以向上機動為例:實時判斷φ的大小,如果φ<90°,則應增大航向,應飛航向為:φYF=φ+Δφ當φ>90°。其中Δφ為每個步長的航向調整量,Δφ=ωT=ngΔT/VC,n為水平方向設定過載。

3.3編隊控制模塊

一般來說,在開始投入戰斗之前,機群各成員之間應具有一定的外形和尺寸,這種外形和尺寸的結合被稱為作戰編隊。編隊控制模塊能實現引導過程中編隊隊形的相互變換。

3.3.1無人機隊形控制模塊

將編隊中無人機的經緯高轉換到地理坐標系中得到各無人機的位置,如圖10所示。在地理坐標系中計算編隊中各僚機距離長機的縱向距離ax和橫向距離bx(長機右側為正,左側為負),其中下角標x表示僚機編號,(x0,y0,z0)為長機位置信息,φC為無人機航向角。

(9)

如果ax、bx與編隊隊形設置的縱向距離Ax和橫向距離Bx不同,則每個步長,需在原有速度的基礎上,加上航向方向的調整速度vax和垂直航向方向的調整速度vbx,其中

(10)

式中，a為設定加速度；sign(x)為符號函數。即應飛速度為

圖10　無人機位置圖

3.3.2直升機隊形控制模塊

在有人機/無人機混合編隊中,由于直升機需跟隨無人機編隊飛行,所以,本文將每過一個時間Δt的長機位置存儲為一個航路點序列,使有人機按照該航路點序列飛行,直升機飛行指令解算模型與無人機手動引導模型相同。

4仿真結果與分析

仿真開始前,手動添加方案(包括編隊ID,各編隊飛機信息、目標名稱、各實體初始位置、姿態等),及設置各種初始條件。

4.1引導開始

仿真開始后系統界面如圖11所示,界面最左段顯示整個方案的實體信息,在“起飛”按鈕上方的下拉列表中選擇要起飛的編隊ID,點擊“起飛”按鈕,該編隊起飛,對該編隊的引導開始。

圖11　仿真主界面

4.2攻擊引導

編隊起飛后,進入攻擊引導階段,此階段可以實現引導模式管理、威脅規避、編隊隊形變換等功能。

(1) 引導模式管理

在編隊引導過程中,可以對已起飛編隊的狀態進行瀏覽,編隊的引導方式也可在自動引導和手動引導之間相互轉換,執行結果如圖12所示。

對引導模式為手動引導的編隊,可對編隊飛行航路點進行管理;對引導模式為自動引導的編隊,則可在4種自動引導方式(方案線、純追蹤、平行接近、捕獲法)之間相互轉換,執行結果如圖13所示。

圖12　引導模式轉換模塊執行界面

圖13　引導模式管理模塊執行界面

(2) 威脅規避

在威脅規避模塊點擊“添加禁飛區”按鈕,手動添加禁飛區,飛機將對已存在的禁飛區進行威脅規避,威脅規避模塊可對已有禁飛區參數進行查看和設置,執行界面如圖14所示。

圖14　威脅規避模塊執行界面

(3) 編隊控制模塊

在編隊飛行過程中,可進行隊形轉換及編隊距離、速度設置,執行結果如圖15所示。

4.3返航引導

編隊到達攻擊區后,各無人機進行攻擊瞄準,達到投彈條件后,投放武器,目標摧毀后的無人機安全返航,直升機等待編隊內所有無人機投彈后,安全返航,執行過程如圖16所示。

圖15　編隊控制執行界面

圖16　編隊返航執行界面

4.4三維實體

本系統支持二維/三維視景實時切換,三維視景下的執行界面如圖17所示。

圖17　三維實體模型圖

在三維視景下,直觀逼真地顯示了整個仿真過程,三維仿真視景中設計了多種特效:如預警機虛擬掃描圈顯示,飛機聲音,武器爆炸效果等。其中武器爆炸效果如圖18所示,可以看出武器若未命中目標則濺起水花,若命中目標則產生燃氣火焰。

圖18　武器爆炸效果圖

從仿真結果看出:①每種引導方式下,預警機均可對編隊進行有效引導,仿真結果符合引導解算模塊理論分析; ②編隊對已存在和動態添加的禁飛區可以進行有效的威脅規避,仿真結果符合威脅規避模塊理論分析; ③編隊在飛行過程中,可有效地完成各種隊形之間的相互轉換,仿真結果符合編隊控制模塊理論分析。從仿真結果看出,系統也實現了編隊起飛、火力打擊、返航等模塊。總體上,整個系統和系統中各模型的算法設計合理有效。

5結論

本文在對預警機指揮引導系統分析的基礎上,采用獨特的思考角度,摒棄以往對模型算法改進的固定思維,從大系統的角度,詳細分析并建立指揮引導系統所包含的全部模塊模型,實現了預警機指揮引導編隊協同作戰中編隊航跡的管理、編隊隊形轉換、編隊參數的設置、威脅規避、動態航路設置、多種引導方式互換、火力打擊、安全返航及無人機無偏差降落多種功能,并在MapX和Vega Prime軟件上實現整個過程的二維/三維視景仿真。整個系統子模塊包含全面,設計模型新穎,仿真實現復雜逼真。整個系統的設計不僅支撐預警機預警指揮引導任務電子系統的研究和開發,而且為預警機指揮引導系統研發提供全要素、全流程的演示驗證環境,具有很大的研究意義和廣泛的應用前景。

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張艷霞(1989-),女,碩士研究生,主要研究方向為先進控制理論與應用。

E-mail:15114889971@163.com

張安(1962-),男,教授,主要研究方向為現代火力控制原理。

E-mail:zhangan@nwpu.edu.cn

孫海洋(1991-),男,博士研究生,主要研究方向為復雜系統建模。

E-mail:822121407@qq.com

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150921.2138.028.html

Research on modeling and simulation of formation cooperation under

air early warning command and guidance on the sea battles

ZHANG Yan-xia, ZHANG An, SUN Hai-yang

(SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China)

Abstract:From the perspective of large-scale systems, the system of manned aircraft/unmanned aerial vehicle formation cooperation in naval warfare under air early warning command and guidance is designed in closed-loop. Modeling and simulation of the entire operational process from combat scheme binding to aircrafts return after the mission are realized. Several new algorithms and ideas are proposed in the whole process, including three automatic guidance models that are pure track, parallel approach and capture method, and the manual guidance model. The formation transformation model is inspired by the idea of eliminating the relative position deviates between the leader and the wingman, and the threat avoidance model is inspired by the idea that no-fly zones have repulsive forces to the formation. Finally, the models are simulated using Visual C++. The battlefield visualization is realized through 2D simulation software MapX and 3D simulation software Vega Prime, both of which have powerful graphical display functions. Communication between 2D and 3D display modules guarantees the synchronization scenario display and real-time switching. Simulation results verify the rationality and effectiveness of the overall system.

Keywords:AWACS; command and guidance; formation cooperative; formation transformation; threat avoidance; 2D / 3D visual display

作者簡介：

中圖分類號：TG85

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.15

基金項目：西北工業大學研究生創意創新種子基金(Z2015110)資助課題

收稿日期：2015-03-13；修回日期：2015-06-08；網絡優先出版日期：2015-09-21。