多預警機協同探測能力及航線規劃

祁 煒, 李 俠, 蔡萬勇, 金加根

(空軍預警學院, 湖北 武漢 430019)

?

多預警機協同探測能力及航線規劃

祁 煒, 李 俠, 蔡萬勇, 金加根

(空軍預警學院, 湖北 武漢 430019)

針對帶狀責任探測區多架預警機協同探測問題,根據是否進行更高層級的多情報源信息融合處理,定義了兩種協同模式。構建了多預警機實時探測覆蓋區估算模型;提出了穩定覆蓋度概念和定量公式;討論了帶狀責任探測區中多預警機部署問題,給出了具體的協同部署優化決策模型。對兩種協同模式下多預警機部署問題進行仿真分析,結果表明Model2明顯優于Model1,所構建的各種估算與決策模型考慮了各種主要的內、外因素,具有實用價值。

預警機; 協同探測; 實時探測覆蓋區; 航線規劃

0 引 言

在承擔邊境防空預警作戰任務時,預警機的責任探測區通常呈較長帶狀分布,且需要多架預警機協同探測。預警機協同模式可分為兩種:Model1——各預警機獨立遂行局域性責任子區探測任務,相互之間只進行橫向的跨區任務交接,各自感知的目標信息不進行更高層級的融合處理和情報共享,這是目前常用的一種協同模式；Model2——各預警機獨立遂行局域性責任子區探測任務,相互之間不僅進行跨區任務交接,且各自感知的目標信息進行更高層級的融合處理和情報共享,具體多源目標信息融合處理由指定的某架預警機的信息融合分系統(或上級情報中心)承擔。目前,人們大多關注于Model1的多預警機聯合探測問題的研究,如文獻[1-2]提出了預警機實時探測覆蓋區的概念,并給出了單架預警機的具體算例。文獻[3]提出了多預警機并立和串接組合協同探測的概念,并指出在預警機架數有限的前提下,串接航線易造成穩定覆蓋區域不穩定,易形成盲區的結論。文獻[4]提出了一種基于累積檢測概率矩陣2-范數的單機航線優化準則,并討論了多預警機飛行時間間隔和航線間隔對重點監視區域累積發現概率的影響問題。文獻[5-6]從目標進入預警機覆蓋區概率的角度,討論了雙平行線和橫8兩種巡航航線飛行時預警機的瞬時覆蓋率問題。文獻[7]基于突防目標機與預警機的相對位置和速度關系,提出了探測強效區和探測弱效區的概念,并進行了相應的作戰效能仿真分析。文獻[8]提出了預警機兵力使用策略,并討論了單架預警機航線規劃問題。文獻[9]基于雷達干擾自衛距離公式,討論了有源干擾條件下的多預警機部署優化問題。上述文獻未涉及多預警機目標信息融合處理和情報共享。

本文構建了兩種協同模式的多預警機實時探測覆蓋區估算模型,提出了穩定覆蓋度的概念和定量公式;討論了帶狀責任探測區中多預警機部署問題,并給出了具體的部署優化決策模型;對兩種協同模式的多預警機部署問題進行仿真分析。通過仿真分析,證明了Model2優于Model1,且隨著責任探測區L的增加,以及預期的覆蓋度要求越高時,Model2更加優于Model1。本文構建的各種估算與決策模型考慮了各種主要的內、外因素,具有實用價值。

1 單預警機實時探測覆蓋區

對于單架預警機而言,實時探測覆蓋區是指其在特定高度巡航航線任意位置,均能以規定的發現概率Pd和虛警概率Pfa,對位于高度層H上的指定目標遂行有效探測的區域。所謂指定目標是指目標類型和目標的雷達散射截面(radar cross section,RCS)值均已確定,所謂有效探測是指對目標進行數據率為fc的不間斷探測。不失一般性,以常用的雙平行線航線為例,如圖1所示,令雙平行線航線的中心O1,0為坐標原點,航線轉彎頂點分別為O1,1(-a1,-b1)、O1,2(a1,-b1)、O1,3(a1,b1)、O1,4(-a1,b1),機載雷達最大探測距離為R1。

圖1 單預警機實時探測覆蓋區(雙平行線航線)Fig.1 Real-time detection covered area of single aircraft early warning (double parallel line flight)

圖1中陰影部分S1,0即為單架預警機的實時探測覆蓋區(簡稱實時區),其4個頂點平面坐標分別為

S10[1]的具體估算公式為

S10=S11+S12-S13

(1)

式中,S11為四邊形A1B1C1D1面積;S12為4條弧對應4個圓心的扇形面積之和;S13為4個弓形面積;θ1為∠A1O1,1D1,且

(2)

通常,a1∈[30 km,45 km],b1∈[10 km,15 km][10],當R1=370 km時,S10∈[391 478 km2,416 389 km2]。由式(1)和式(2)可知,單架預警機的實時探測覆蓋區的大小主要由具體規劃的雙平行線航線和實際最大探測距離決定,而R1與目標反射截面積σ、脈沖積累數m、信噪比S/N、氣象衰減系數δ、氣象衰減區間距dq、不同目標類型的起伏插損Lf等內外部因素有關[11],即

(3)

式中,cont為由系列雷達固有技術參數決定的常量,即

(4)

對于機載預警雷達而言,防空警戒、對空引導、以及小目標探測等不同的具體任務的檢測概率要求不同,通常為0.5、0.8、0.9,且R1(Pd=0.5)>R1(Pd=0.8)>R1(Pd=0.9),而虛警概率要求均為Pfa=10-6。而不同目標類型和目標具體反射截面積對實際R1影響很大。不同檢測概率要求、不同目標類型、目標具體反射截面積時的實際R1的估算方法參考文獻[12]。

2 多預警機實時探測覆蓋區

圖2 雙預警機實時交疊覆蓋區Fig.2 Real-time overlapping covered area of double aircraft early warning

預警機1和預警機2的實時交疊覆蓋區面積的估算公式為

(5)

Scross=2(SE1D1M1s+SE1D1g+SE1B2M1s+SE1B2g)

(6)

式中

(7)

(8)

圖3 基于Pd雙預警機協同預警實時覆蓋區域Fig.3 Real-time covered area of cooperation early warning of double aircraft early warning based on Pd

i=1,2,…,N, j=1,2

(9)

(10)

圖4 多架預警機協同覆蓋責任探測區Fig.4 Multi-aircraft early warning cooperative covered detection area

3 多預警機航線規劃

對于較長的帶狀責任探測區而言,多預警機航線規劃為一個多約束條件下的決策問題。航線規劃的終級目標是實現對指定責任探測區的穩定覆蓋,具體求解的關鍵參數是各預警機航線中心間距,而約束條件包括責任探測區穩定覆蓋度要求、各預警機航線中心點連線與責任探測區的內邊界和外邊界的間距、多架預警機協同模式、以及由機載雷達實際最大探測威力決定的單預警機實時覆蓋區、由橫向的跨區任務交接決定的多預警機實時交疊覆蓋區等。定義責任探測區穩定覆蓋度ηC為

(11)

并令責任探測區的外邊界的縱坐標為yD_out,則航線規劃決策問題可具體定義為在多個約束條件下尋找一組最佳的航線中心間距,即

{di}={di}opt

(12)

如果只考慮突襲方向單側目標的預警探測問題,則只需把式(12)中yD_outW/2換成yD_outW,其他約束條件不變。此時,相當于責任區內邊界移至預警機航線中心點,責任區縱深寬度W的取值可根據具體情況而定,但這樣并不能擴大預警機的實時探測區,只是相當于移動預警機陣位,如想擴大實時探測區,可減小預警機航線a、b值或增加探測威力Rmax值。

4 仿真分析

4.1 兩種協同模式對比分析

為了方便進行兩種協同模式作戰效能的對比分析,不妨定義穩定覆蓋區得益度為

(13)

圖5 di與Ssum關系Fig.5 Relationship between diand Ssum

圖6 di與ηG關系Fig.6 Relationship between diand ηG

由圖5和圖6可得以下結論：

(1) 要求的檢測概率值越小,則兩機協同探測范圍Ssum值越大,且相互脫離的di臨界值越大,即在較小檢測概率工作方式時,能在更大的責任探測區中提供連續目標情報。

(2) 當di小于其臨界值時,隨著檢測概率的增大,ηG越大,說明要求的檢測概率值越大時,采用Model2方式工作比采用Model1方式工作的得益更明顯。

(3) 不論何種檢測概率要求,當Ssum恒定時,Model2比Model1的di臨界值都大,說明Model2可以在更大的di值時獲得相應的實時交疊覆蓋區,從而確保相鄰兩機之間實現可靠的橫向跨區任務交接。

4.2 L與N取值關系分析

(15)

圖7 L與N關系Fig.7 Relationship between L and N

由圖7可得以下結論：

(1) 隨著L的增加,采用Model2協同時,所需調用的預警機架數更少。

5 結 論

針對帶狀責任探測區防空預警作戰需求,本文提出了兩種具體協同工作模式,構建了多預警機實時探測覆蓋區估算模型、多預警機協同工作航線規劃決策模型。所構建的模型考慮了各種主要的內、外因素,可供實際預警機兵力部署決策時參考使用。因篇幅所限,所建模型尚未涉及具體的戰場氣象條件、干擾環境、動態探測盲區、安全距離等因素,而這些因素對預警機實際作戰效能的具體影響,則有待進一步研究。

[1] Liu B, Shen Q, Li W Q.Airborneearlywarningsystem[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2012:211-215.(劉波,沈齊, 李文清. 空基預警探測系統[M].北京: 國防工業出版社, 2012: 211-215.)[2] Liu B, Wang H J, Chen C H. Airborne early waring radar power coverage analysis and routes design[J].AirForceEquipmentResearch,2012,6(1):21-24.(劉波,王懷軍,陳春暉.預警機雷達威力覆蓋分析與航線設計[J].空軍裝備研究院,2012,6(1): 21-24.)

[3] Liu B, Chen C H, Shen Q. A study on flight course for airborne early warning radars coordinated detection[J].ModernRadar, 2012, 34(6): 1-4. (劉波, 陳春暉, 沈齊. 機載預警雷達協同探測航線模式研究[J]. 現代雷達, 2012, 34(6): 1-4.)

[4] Fu Y, Tang Z Y, Sun Y J. Cooperative detection routes optimization of AEW radar[J].InfraredandLaserEngineering, 2014, 43(12): 4177-4185. (付瑩, 湯子躍, 孫永健. 機載預警雷達協同探測航線優化[J]. 紅外與激光工程, 2014, 43(12): 4177-4185.)

[5] Liu X F. Analysison dynamic perofrmance of AEW radar initiative detection space[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2005: 36-58. (劉新飛. 機載預警雷達主動探測空間動態性能分析[D]. 長沙:國防科學技術大學, 2005: 36-58.)

[6] Liu X F, Yan H X, Pan L, et al. Analysis of dynamic perfor-mance of AEW radar detecting area[J].ComputerSimulation,2006,23(8):40-43.(劉新飛,閆紅星,潘亮,等.機載預警雷達探測空間動態性能分析[J].計算機仿真,2006,23(8):40-43.)

[7] Jia L S, Wu W H, Gao W, et al. Analysis on early warning airspace of airspace patrolling route adopted by foreign airborne early warning airplanes[J].JournalofNavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,2011,26(1):36-40.(賈臨生,吳文海,高偉,等.國外固定翼預警機空域巡邏航線的預警空域分析[J].海軍航空工程學院學報,2011,26(1):36-40.)

[8] Chen Y X, Zhang Y, Zhuang J, et al. Method on demand determination of early warning airplane based on combat direction[J].FireControl&CommandControl,2014,36(8):94-97.(陳云翔,張毅, 莊駿, 等.基于作戰方向的預警機需求確定方法[J]. 火力與指揮控制, 2014, 36(8): 94-97.)

[9] Wang G S, Li Q, Qian Q F, et al. Deployment and optimization to multi-AWACSs under the active jamming condition[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(11):2973-2980.(王國師,李強, 錢瓊芬, 等.有源干擾條件下多預警機空中部署及優化[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(11): 2973-2980.)

[10] Lu J, Li N J, Cao C, et al.Introdutiontoairborneearlywarningsystem[M]. 2nd ed. Beijing: National Defense Industry Press, 2011: 60-62.(陸軍, 酈能敬, 曹晨,等.預警機系統導論[M]. 2版. 北京: 國防工業出版社, 2011: 60-62.)

[11] Skolnik Merrill I.Introductiontoradarsystems[M]. 3rd ed. Boston: McGraw Hill, 2001: 88-94.

[12] Wan F B, Li X, Hua L F, et al. Study on problems of radar detection range conversion between different types of target[J].ModemRadar, 2007, 29(12): 18-21. (萬凡兵, 李俠, 花良發, 等.不同目標類型之間雷達探測距離換算的研究[J]. 現代雷達, 2007, 29(12): 18-21.)

Multi-AEW cooperative detection capability and flight planning

QI Wei, LI Xia, CAI Wan-yong, JIN Jia-gen

(AirForceEarlyWarningAcademy,Wuhan430019,China)

In view of the problem of multi-aircraft early warning (AEW) cooperative detection for the ribbon responsibility area, two cooperative modes are defined based on whether or not higher level multiple information sources are utilized. Firstly, a real-time detection covered area’s estimation model of multi-AEW is given, and the concept of stable coverage degree and a quantitative equation are proposed respectively. Secondly, the decision-model of multi-AEW optimal deployment is discussed and the definite optimal model with cooperative deployment is also given. Finally, the simulation instance of two models is provided, the results show the Model2 is much better than Model1, and various major internal and external factors of estimation and decision model are considered, so the results is valuable.

aircraft early warning (AEW); cooperation probing; real-time detection covered area; flight planning

2015-11-27;

2016-06-21;網絡優先出版日期:2016-11-09。

TN 951

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.13

祁 煒(1981-),男,講師,博士研究生,主要研究方向為預警裝備效能評估與驗證。

E-mail:bluewind19810328@163.com

李 俠(1956-),男,教授,主要研究方向為雷達裝備技術、雷達裝備作戰運用及效能評估。

E-mail:xliax004@sina.com蔡萬勇(1981-),男,講師,博士,主要研究方向為雷達裝備作戰運用與仿真。E-mail:wbh8927@sina.com金加根(1973-),男,副教授,博士,主要研究方向為雷達信息融合及目標跟蹤。E-mail:jinjiagen@126.com

網絡優先出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20161109.0905.008.html