察打一體無人機對地攻擊發射窗口的分析

唐小平，李智軍，胡龍兵，胡牡丹，安貴乾，孫棟梁

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

察打一體無人機對地攻擊發射窗口的分析

唐小平，李智軍，胡龍兵，胡牡丹，安貴乾，孫棟梁

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

基于察打一體無人機，針對平臺定常盤旋機動模型，推導了盤旋角、機目視線角、框架角、盤旋半徑和鎖定目標時刻機目水平距離間的關系，可為平臺機動條件下武器發射窗口的分析計算提供參考。

察打一體；盤旋機動；發射窗口；對地攻擊

0 引言

察打一體(偵察/打擊一體化)無人機集偵察和攻擊能力于一體，具有部署靈活、作戰高效、生存力強以及作戰用途廣泛等優點，同時具備偵察、監視、目標捕獲和實時打擊能力，能夠對一些稍縱即逝的目標作出快速的反應，明顯縮短“殺傷鏈”周期[1]。察打一體無人機裝載了光電偵察和目標指示任務載荷，能在高空進行大范圍的偵察，在低空可進行高分辨率詳察，并能夠對目標進行定位和激光指示，可為小型近距空地制導武器輔助引導以實現精確對地攻擊。但無人機平臺機動可能導致目標脫離偵察設備視場，故要求平臺機動過程中從鎖定目標到武器發射離機需小于一定時間，即發射窗口。因此，需建立較為準確、真實的機目相對運動模型，通過研究約束條件、角度關系以及彈道條件間的內在規律，為平臺機動發射條件下發射窗口設計提供依據。

飛機常見的機動飛行[2]包括：戰斗轉彎、橫滾、俯沖、躍升和盤旋機動等，本文僅研究無人機平臺定常盤旋機動的條件下機目位置變化規律，結合約束條件分析、設計近距空地武器發射窗口。

1 無人機平臺的機動模型

定常盤旋[2]機動可看作水平面內等高度勻速圓周運動，則無人機轉彎半徑r與速度V、坡度角∠γ的關系為：

式中，g為重力加速度。

取無人機飛行Ma為0.8，坡度角∠γ=30°，則轉彎半徑r=13.0km。

2 發射窗口的理論推導

從天向看，無人機繞O點作勻速等高盤旋機動與固定目標點T的相對位置變化關系如圖1。圖中A點為鎖定目標點，B點為武器離機點，r為無人機盤旋半徑，R為鎖定目標時刻機目水平距離，∠θ為無人機由A到B的盤旋角度，∠φ為視線角變化量，∠EHA為A點航向框架角，∠EHB為B點航向框架角。

因為導引頭航向框架角∠EH變化有一定范圍，因此對無人機機動的約束條件可以設計為框架角變化量，當框架角超過限制值可認為無人機運動導致目標脫離導引頭視場。本文航向框架角最大值可設計為15°，即

無人機盤旋角∠θ、視線角變化量∠φ以及盤旋半徑r和機目水平距離R間的關系推導如下。

2.1 理想條件

理想條件下機頭直接對準目標，即∠EHA=0。根據圖 1，在△ABT中，AT=R，AB=2r*sin(∠θ/2)，∠BAT=∠θ/2，∠ABT=π-∠θ/2-∠φ，∠BTA=∠φ，則根據正弦定理有

考慮式（3）的前兩項則有

展開式（4）有

由式（5）得到框架角變化量

∠EHA=0條件下為保證目標在視場內，框架角變化量應小于其最大值，即

式（7）即為機目水平距離R、轉彎半徑r和視線角變化量∠φ的約束關系，但實際上希望得到機目水平距離R、轉彎半徑r和無人機盤旋轉角∠θ三者的約束關系式，才能直觀的根據無人機盤旋角∠θ計算發射窗口。

因此，考慮式（3）中后兩項，則

據上式有

也即

再結合式（2）有

式（11）即為初始航向框架角EHA=0時，無人機機動盤旋的約束條件。

2.2 一般條件

將理想條件下的情況推廣到一般情況，即∠EHA≠0時

參考圖2，直接考慮式（3）中的最后兩項，則有展開式（12）有

同樣，再考慮約束條件

式（14）即為初始航向框架角EHA≠0時，滿足發射窗口要求的無人機機動盤旋的約束條件。將∠EHA=0代入式（14），則方程蛻化為式（11），表明二者的結果是一致的。

3 發射窗口的計算

對式（14）進行整理可得

求解方程f(θ)=0可得滿足一定初值和彈道條件下的∠θ，無人機作運動角速率ω，則從武器鎖定到發射離機的發射窗口Tfire=∠θ/ω。

f(θ)=0是超越方程，可以借助MATLAB符號計算工具箱[3]采用圖解法求解。初始框架角∠EHA和盤旋半徑與機目水平距離的比值r/R可設定如下：假設近距空地武器鎖定目標時刻機目水平距離R分別為6.5km、13.0km、20km和30km，Ma=0.8時無人機轉彎半徑為r=13.0km，則r/R的值分別為2/1、1/1、13/20和13/30；∠EHA初值可設計為-2°、0°、5°和10°，則f(θ)變化規律如圖3和圖4所示，而滿足f(θ)=0的∠θ即為方程的解。

根據上述圖解法∠θ結果統計如表1。

表1 無人機盤旋角∠θ結果統計

從統計結果和求解圖上看，框架角增量主要是無人機盤旋角產生的增量，即式（14）中線性部分占據主導作用（從f(θ)曲線的線性度亦可看出）。初始框架角EHA一定的條件下，無人機盤旋半徑與機目水平距離比值r/R越小，允許的盤旋角度∠θ越大；若比值r/R一定，初始航向框架角越大，允許無人機的盤旋角度∠θ越小。

無人機平臺飛行馬赫數0.8，則速度近似為V= 0.8*340=272m/s，盤旋半徑r=13.0km，則無人機盤旋運動的角速度為：

據表1中∠θ結果，武器應該在B點之前離機，則發射窗口Tfire=∠θ/ω的計算結果見表2。

表2 發射窗口Tfire結果統計

據表2，無人機定常盤旋的條件下，當比值r/R如一定時，航向框架角初值EHA越小，允許的框架角相對變化量越大，則從鎖定目標到發射武器具有更為寬裕的發射窗口；當航向框架角初值EHA一定時，允許的框架角相對變化量也是定值，若比值r/R越小，機目水平距離R越大，而無人機運動引起視線角變化量越小，允許無人機較大的盤旋角，因此武器發射窗口越大。在實際工程應用中，可取比值r/R=2時數據，結合不同航向框架角初值設置相應的提示時間，為平臺盤旋機動條件下發射近距武器提供理論依據。

4 結語

根據無人機平臺定常盤旋機動模型，分析并推導了滿足約束條件要求的發射窗口，并據此計算了典型條件下武器的發射窗口。該方法有效地解決了察打一體無人機搭載小型近距空地武器在機動條件下發射窗口問題，可為相關工程問題研究提供參考。

[1]吳輝，周洲，王蜀涵.偵察/打擊一體化無人機作戰效能分析方法研究[J].飛行力學，2009，27(2)：34-37.

[2]方振平，陳萬春，張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社.2005.11.

[3]黃忠霖，黃京.控制系統MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業出版社.2010.9.

>>>作者簡介

唐小平，男，1987年出生，2013年畢業于哈爾濱工程大學，碩士，工程師，現從事制導律設計研究工作。

Analysis on Launching Window of Air-to-Ground Attack for Reconnaissance and Strike Integrated UAV

Tang Xiaoping,Li Zhijun,Hu Longbing,Hu Mudan,An Guiqian,Sun Dongliang
(AVIC-HONGDU,Nanchang，Jiangxi 330024)

According to the model of reconnaissance and strike integrated UAV’S hovering，this thesis derives the hovering angle，the Line Of Sight(LOS)angle，the frame angle，hovering radius and the horizontal distance of aircraft and the locked target during locking target，which can provide reference to calculation and analysis of the launching window for short-range air-to-ground missiles.

Reconnaissance and Strike Integrated；Hovering maneuver；Launching window；Air-to-ground attack

2017-04-10）