基于行為模型的飛機目標(biāo)想定模型自動生成與實現(xiàn)?

殷 哲 閆抒升 李連華 李廣強

（空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019）

1 引言

雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練模型中心是雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練體系公共基礎(chǔ)支撐條件的重要組成部分，能夠提供各類模型資源，并對模型進行存儲、調(diào)用和管理，為各類訓(xùn)練信息系統(tǒng)和訓(xùn)練模擬器材運行提供模型服務(wù)，從而產(chǎn)生并輸出各類目標(biāo)實體數(shù)據(jù)，使得雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練更加貼近實戰(zhàn)，提升模擬訓(xùn)練質(zhì)量效益。飛機目標(biāo)行為模型是模型中心的模型資源庫中重要目標(biāo)模型之一，可為雷達模擬器提供飛機目標(biāo)數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練自動生成想定航線的基礎(chǔ)模型。因此，構(gòu)建飛機目標(biāo)行為模型是建設(shè)雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練模型中心的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國內(nèi)外對飛機的航跡模擬仿真已經(jīng)比較成熟，例如文獻［1～7］提出飛機目標(biāo)直線運動模型、圓弧運動模型、跑道線運動模型、“∞”字運動模型等典型運動模型；文獻［8～9］還提出了預(yù)警機跑道形和橫8字形巡邏航線。總的來看，現(xiàn)有資料主要對飛機目標(biāo)的典型運動模型進行了研究或基于上述模型對預(yù)警機雷達探測進行了分析。雖然提出了空中目標(biāo)運動模型在模擬仿真想定生成中的運用，但也僅描述了飛機目標(biāo)在空中的運動狀態(tài)，并未描述飛機目標(biāo)從起飛、執(zhí)行任務(wù)到降落的完整過程，而這一實際過程是完成雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練探測飛機目標(biāo)的關(guān)鍵組成部分。此外，文獻中大多通過給定的多個航路點綜合成一條多邊形航線，進行曲線擬合從而生成航線或是將飛機典型運動模型進行組合，在二維態(tài)勢圖上拖動目標(biāo)進行拐點定位，無法實現(xiàn)通過給定任務(wù)區(qū)域及要求即自動生成目標(biāo)航線。

本文基于飛機目標(biāo)典型運動模型，結(jié)合雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練和航空兵訓(xùn)練的戰(zhàn)術(shù)背景與要求，對預(yù)警模擬訓(xùn)練中飛機目標(biāo)行為模型進行了分類及分析研究，提出了想定生成模型，實現(xiàn)了根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容，輸入邊界控制條件，從而自動生成想定航線，完整描述飛機目標(biāo)起降、執(zhí)行任務(wù)過程的功能。相較于當(dāng)前手動繪制想定航線時只能就單批想定目標(biāo)繪制航線的方法，大幅提高了想定制作的便捷性，提高了想定生成的質(zhì)量和效率。

2 飛機目標(biāo)想定模型

根據(jù)相關(guān)訓(xùn)練法規(guī)要求，本文將預(yù)警模擬訓(xùn)練中飛機目標(biāo)想定模型分為如下三類：

1）“轉(zhuǎn)場想定模型”是指飛機從起始地點機動至預(yù)定地點的運動過程，是執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時采用較多的戰(zhàn)術(shù)行為之一。

2）“警巡想定模型”主要用于模擬航空兵在一定時間和空域內(nèi)，使用少量兵力進行空中巡查、警戒；模擬使用航空器進行偵察；監(jiān)視空中、水面目標(biāo)，為有關(guān)指揮所和作戰(zhàn)單元提供空情等戰(zhàn)斗行動，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域巡邏和規(guī)劃航線巡邏。

3）“訓(xùn)飛想定模型”是指用于模擬飛行訓(xùn)練的航跡模型。其中，較多采用“∞”字飛行軌跡，是飛行員進行領(lǐng)航等專業(yè)訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

3 飛機目標(biāo)想定生成算法

3.1 飛機目標(biāo)轉(zhuǎn)場想定模型

在轉(zhuǎn)場想定生成的算法中，通過確定飛機的起始位置（控制點）、高度和目標(biāo)速度和飛行時間來實現(xiàn)航線自動生成。如圖1所示，首先根據(jù)想定內(nèi)容確定起始點A、F，轉(zhuǎn)場模型中需要經(jīng)歷爬升運動階段AB、改平階段BC、直線飛行階段CD、俯沖預(yù)備階段DE和俯沖運動階段EF。

圖1 轉(zhuǎn)場模型側(cè)視平面圖

爬升階段AB中，A、B點坐標(biāo)為A(XA,YA,?A)，B(XB,YB,?B)，飛機俯仰角為α，加速度為a，初始速度為v0，在任一Ai時刻速度為Vi，設(shè)置增速后速度為VN，按照仿真步長 ?t推算目標(biāo)飛行位置，其推算模型為

俯沖階段EF中，飛機俯仰角為?α，做減速運動，模型與上式一致。

圖中BC、DE階段，通過調(diào)整俯仰角α實現(xiàn)飛機改平和俯沖的航向變換。

直線運動中，C、D點坐標(biāo)為C(XC,YC,?)，D(XD,YD,?)，飛機目標(biāo)沿航向β運動，在任一Ci時刻速度為Vi，設(shè)置增速后速度為VM，則模型自動查詢數(shù)據(jù)庫所設(shè)定型號飛機該高度層常用加速度a，按照仿真步長 ?t推算目標(biāo)飛行位置，在每一個周期判斷當(dāng)前速度Vi+1是否大于或等于VN，是則改變狀態(tài)以VN速度勻速運動并按照勻速運動模型推算，否則繼續(xù)按照加速運動模型推算，其推算模型為

在基于仿真步長推算過程中，需要在每一個周期判斷當(dāng)前速度Vi+1是否大于或等于VM，是則改變狀態(tài)以VM速度勻速運動并按照勻速運動模型推算，否則繼續(xù)按照加速運動模型推算。

3.2 飛機目標(biāo)警巡想定模型

生成飛機目標(biāo)警巡模型的想定模型時，通過確定警戒巡查地域的中心點坐標(biāo)、警巡范圍、飛機起降點坐標(biāo)、飛行高度、飛行速度和飛行時間，來自動生成想定航線。如圖2所示，首先，根據(jù)預(yù)先確定的航線中心點M與特征點之間的位置關(guān)系，模型自動確定航線特征點A、B、C的坐標(biāo)。其次，模型處理時，由于警巡想定模型可以分解為直線運動模型AC、DE、EA和圓弧運動模型CD、EB的組合，因此生成航線時可以基于不同運動形態(tài)進行分段處理，直線運動階段可參考前述相關(guān)內(nèi)容。運動方向如圖2所示，完成警巡后，飛機從E點返回起始點A。

圖2 警巡模型俯視平面圖

計算圓弧運動時，以CD段為例：

其中v為飛機目標(biāo)飛行速度，g為重力加速度，c為飛機轉(zhuǎn)彎坡度；

2）根據(jù)想定計劃確定飛機轉(zhuǎn)彎方向；

3）根據(jù)C點位置，半徑r和AC向轉(zhuǎn)彎方向的垂直矢量確定圓心O的位置；

4）∠DOE=a*cos(r EO)，EO為O到E點的距離（EO≥r）；

5）OE的矢量方向：K1=a*tan(YE?YOXE?XO)；

6）當(dāng)飛機目標(biāo)向左轉(zhuǎn)時：OD的方向矢量K2=K1+∠DOE；

當(dāng)飛機目標(biāo)向右轉(zhuǎn)時：OD的方向矢量K2=K1?∠DOE；

7）根據(jù)上式中得到的K2，半徑r和圓心O的坐標(biāo)來確定D點位置。假定飛機轉(zhuǎn)彎坡度為45°，且飛機在第i?1個仿真步長時間結(jié)束時位于點Wi?1，經(jīng)過一個仿真步長 ?t，到達點Wi處，航向為β，切向速度為V，那么點Wi的坐標(biāo)為

（1）飛機向左轉(zhuǎn)時

3.3 飛機目標(biāo)訓(xùn)飛想定模型

確定訓(xùn)飛區(qū)域和中心點O的位置信息，輸入飛行高度、速度、時間，算法根據(jù)O點與控制點E、F的位置關(guān)系確定E、F點坐標(biāo)，來自動生成想定航線。其中，飛行時間不小于飛機完成一次訓(xùn)飛任務(wù)的時間。如圖3所示，航線由直線運動和圓弧運動組成。其中O→B、C→D、A→O為直線運動階段；B→C、D→A為圓弧運動階段。仿真時，可分別參照前述直線運動和圓弧運動模型進行分段處理。

圖3 訓(xùn)飛模型俯視平面圖

4 模擬訓(xùn)練飛機目標(biāo)想定自動生成仿真

4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

由于仿真過程中需要用到機體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系統(tǒng)，為解決可能出現(xiàn)的地圖處理與相關(guān)態(tài)勢信息系統(tǒng)（MGS）的2D和3D態(tài)勢呈現(xiàn)不一致等問題，本文中的模型處理采用WGS-84大地坐標(biāo)（L，B，h），機體坐標(biāo)（X，Y，Z），其中Y軸正向代表正北方向，X軸正向代表正東方向，Z軸方向垂直于水平面，向上為正向，向下為負向。構(gòu)建模型時，需要將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)，處理完畢后轉(zhuǎn)回經(jīng)緯度坐標(biāo)進行圖形數(shù)據(jù)顯示［11～13］。

4.2 飛機目標(biāo)想定模型生成仿真

以南京祿口國際機場（經(jīng)緯度：118.78，32.05）為想定的初始位置，任務(wù)高度為8305m，飛行速度為200m/s，時間為各想定模型至少完成一次任務(wù)為時間起點，仿真步長為均為0.4s，仿真結(jié)果如下。

1）轉(zhuǎn)場想定模型以南京祿口國際機場（經(jīng)緯度：118.78，32.05）至北京首都國際機場（經(jīng)緯度：116.5，39.37）航線為例，飛機從南京至北京的轉(zhuǎn)場任務(wù)中，模擬飛機實際飛行過程的爬升、改平、平直飛行、減速飛行、低頭、俯沖等運動。其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 飛機目標(biāo)轉(zhuǎn)場模型仿真示例

2）警巡想定模型如圖5所示，A（118.8，32.05，300）點為飛機初始位置，巡航2圈，警巡區(qū)域范圍如圖5所示。仿真過程中，輸入中心點B（117.5，33.25，8035）的經(jīng)緯度坐標(biāo)，模型開始自動生成飛機目標(biāo)從A地起飛，于B地地域附近警戒、巡查，最后返回至A地的航線。

圖5 飛機目標(biāo)警巡模型仿真示例

3）訓(xùn)飛想定模型飛機目標(biāo)飛行訓(xùn)練中，通常采用“∞”字飛行路徑進行訓(xùn)練，如圖6所示，根據(jù)想定內(nèi)容確定飛行訓(xùn)練區(qū)域范圍，飛機從A（118.8，32.05，300）地起飛，以B（118.8，32.04，8305）為中心點進行訓(xùn)練飛行，繞行2圈，最終返回A地。

圖6 飛機目標(biāo)訓(xùn)飛模型仿真示例

5 自動生成實現(xiàn)

生成想定模型的過程主要是由想定自動生成軟件調(diào)用模型資源庫中的飛機目標(biāo)行為模型，結(jié)合依據(jù)模擬訓(xùn)練需求制定的訓(xùn)練腳本即任務(wù)基本信息進行轉(zhuǎn)換和編輯，進而生成飛機目標(biāo)想定模型的仿真數(shù)據(jù)，由態(tài)勢顯示工具加載仿真數(shù)據(jù)態(tài)勢并同步數(shù)字地圖展現(xiàn)給用戶。

5.1 想定自動生成軟件構(gòu)成

如圖7（a）中，想定編輯部件即為想定自動生成軟件。其架構(gòu)如圖7（b）所示，實際模擬訓(xùn)練中，訓(xùn)練腳本轉(zhuǎn)換模塊將腳本轉(zhuǎn)換為可供調(diào)用的想定數(shù)據(jù)，在軟件界面上錄入作戰(zhàn)行動后，背景想定編輯模塊調(diào)用想定數(shù)據(jù)進行編輯，最終生成想定模型。其中，本文提出的想定模型算法主要為軟件中想定編輯模塊的運算處理提供支持。

圖7 想定自動生成軟件構(gòu)成

5.2 飛機目標(biāo)想定模型解算流程

想定生成的算法實現(xiàn)邏輯如圖8所示，為了得到比較可靠的航線數(shù)據(jù)，想定自動生成軟件可根據(jù)腳本信息自動設(shè)置合適的步長，還可根據(jù)需要在編輯界面手動修改。本文演示的飛機目標(biāo)步長為0.4s，即每隔0.4s計算飛機位置并吐出數(shù)據(jù)。

圖8 想定生成解算流程圖

根據(jù)解算流程，飛機目標(biāo)自動生成實現(xiàn)步驟如下：

Step1 啟動仿真。想定生成軟件調(diào)用飛機目標(biāo)行為模型，根據(jù)訓(xùn)練腳本確定目標(biāo)任務(wù)的邊界條件和可變參數(shù)，生成訓(xùn)練想定。

Step2 想定編輯。讀取想定中的邊界條件和可變參數(shù)。獲取飛機目標(biāo)當(dāng)前位置和速度等狀態(tài)信息，獲取目標(biāo)點信息。

Step3 模型解算。根據(jù)步長和最近更新時間迭代計算，計算方向矢量和轉(zhuǎn)彎半徑，根據(jù)速度和方向矢量的夾角判斷進行直線飛行或曲線飛行，同時更新一個積分步長內(nèi)的飛機速度和位置等狀態(tài)信息。

Step4 判斷飛機是否到達目標(biāo)點或到達當(dāng)前仿真時間，若滿足其一，則記錄并更新飛機狀態(tài)信息，結(jié)束仿真輸出態(tài)勢信息至雷達模擬器；若均為到達，則重復(fù)進行step3，直至飛機到達目標(biāo)點或當(dāng)前仿真時間。

5.3 應(yīng)用實例

根據(jù)設(shè)定的訓(xùn)練內(nèi)容在圖7（a）和（b）（（b）圖為（a）圖子菜單）所示界面中輸入任務(wù)類型、區(qū)域范圍、中心點坐標(biāo)、起始位置經(jīng)緯度坐標(biāo)、初始速度、任務(wù)高度等想定編輯參數(shù)。仿真開始后，軟件根據(jù)輸入的參數(shù)實現(xiàn)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)生成并進行二維態(tài)勢顯示，顯示內(nèi)容加載在電子地圖上，同時發(fā)送至數(shù)據(jù)總線供雷達模擬器調(diào)用。如圖9所示的飛機目標(biāo)航線為想定生成軟件產(chǎn)生的“轉(zhuǎn)場想定模型”、“訓(xùn)飛想定模型”和“警巡想定模型”。

圖9 軟件應(yīng)用界面

6 結(jié)語

飛機目標(biāo)想定的生成效率越高，越符合實際，對雷達預(yù)警模擬訓(xùn)練的促進作用就越顯著。本文通過研究和仿真模擬，提出了具有戰(zhàn)術(shù)實踐意義的飛機目標(biāo)行為想定自動生成的方法。從實際應(yīng)用結(jié)果來看，本文提出的三種基于飛機目標(biāo)行為的想定自動生成模型，能夠較好地模擬作戰(zhàn)飛機的典型戰(zhàn)術(shù)行為，滿足模擬訓(xùn)練需求，提高訓(xùn)練效率，能夠為雷達模擬器探測飛機目標(biāo)提供快速有效的數(shù)據(jù)支撐。