陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室 南京 210007)

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飛行器迎面攔截導(dǎo)引仿真

陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室 南京 210007)

以航母編隊防空作戰(zhàn)推演為背景,基于仿真方法對其中的航空器迎面攔截問題進行了分析研究。針對目標運動態(tài)勢,限于非軍事因素,要求任務(wù)單元能夠在目標正前方威懾距離外與目標面對面對峙,從而達到威懾攔截效果,旨在迫使對方后退,最大限度避免火力接觸,這一點與導(dǎo)彈擊毀式攔截不同。迎面攔截分為兩個部分,首先在與目標同方向運動過程中,向目標對稱靠近,然后再沿圓弧路徑飛行更改航向,達到與目標面對面對峙。論文設(shè)計了攔截算法,并通過仿真驗證了算法的有效性。

威懾; 迎面攔截; 圓弧導(dǎo)引

Class Number TP391

1 引言

從傳統(tǒng)意義上講,攔截是指采用相應(yīng)的武器或戰(zhàn)斗單元對敵方來襲武器或戰(zhàn)斗單元進行毀傷打擊或完全摧毀的手段,避免已方遭受打擊,達到最大限度保護自己的目的。攔截技術(shù)是在精確制導(dǎo)武器出現(xiàn)之后被提出的,隨著精確制導(dǎo)武器(常見如各類導(dǎo)彈)技術(shù)的擴散,其威脅也在持續(xù)增加,也促使著人類開始研究如何對其進行防御。美國在二戰(zhàn)結(jié)束后,冷戰(zhàn)初期就率先提出了“導(dǎo)彈防御”的概念[1],在以后幾十年里,世界各國對精確制導(dǎo)技術(shù)及相應(yīng)攔截防御技術(shù)都開展了積極研究,防御思想基本采用動能殺傷攔截方式,即直接碰撞方式殺傷目標[2～3]。關(guān)于導(dǎo)彈攔截,國內(nèi)專家學(xué)者們已做了大量研究,已有不少研究成果[1～8]。

但是,到了冷戰(zhàn)時期,尤其是近二三十年來,隨著現(xiàn)代軍事科技的飛速發(fā)展,一些大規(guī)模高端武器裝備不斷出現(xiàn),加之上世紀兩次世界大戰(zhàn)給人類帶來的巨大災(zāi)難,各國政要在使用武力前也要考慮使用武力帶來的后果、造成的破壞、對本國經(jīng)濟及社會發(fā)展的影響、國際國內(nèi)政治及輿論的壓力等多種因素。故而在一些場合,雙方的戰(zhàn)斗單元雖然劍拔弩張地對峙,卻彼此都保持冷靜,盡力避免火力攻擊,產(chǎn)生摩擦。因此,在這樣的環(huán)境下,伴飛、跟蹤監(jiān)視、“擋道”式攔截、逼退等成為較常見的對抗方式。這些對抗方式一般多見于戰(zhàn)斗單元的對峙,畢竟導(dǎo)彈之類屬火力攻擊武器,容易擦槍走火。如2013年12月,美軍考本斯號導(dǎo)彈巡洋艦對正在我國南海執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)的我國航母編隊展開逼近偵察,被我軍一艘兩棲戰(zhàn)艦攔路擋住,最終被迫撤退。由此可見,上述對抗方式屬威懾式對抗,更多取決于國家經(jīng)濟、科技等實力。

至于空中攔截,由于航空器速度較快,為避免碰撞引起摩擦,從現(xiàn)有的一些報道來看,大多采用近距離伴飛,跟蹤監(jiān)視,直至逼退的方式。但在作戰(zhàn)模擬過程中,尤其是航母編隊作戰(zhàn)過程中,航母是敵方空中戰(zhàn)斗單元奔襲的主要目標,當有敵方空中戰(zhàn)斗單元(通常為戰(zhàn)斗機)向航母靠近,則需調(diào)動附近位置執(zhí)行巡邏任務(wù)的戰(zhàn)斗機前去攔截,要求采用更具威懾力的迎面攔截逼退方式。目前關(guān)于戰(zhàn)斗機威懾攔截以及導(dǎo)彈迎面攔截或者有交會角約束攔截的研究并不多[9],因此,開展戰(zhàn)斗機迎頭攔截研究具有積極意義,它比伴飛及跟蹤監(jiān)視等方式更有威懾力,更是國家實力的表現(xiàn)。本文基于模擬航母編隊防空作戰(zhàn)的需要,對戰(zhàn)斗單元空中迎面威懾式攔截進行相關(guān)研究。

2 問題描述

戰(zhàn)斗單元空中迎面威懾攔截路線仿真設(shè)計如圖1所示。

圖1 迎面威懾攔截示意圖

如圖所示,當偵察到有敵方目標向航母奔襲,此時若從甲板上起飛戰(zhàn)斗機升空攔截就很被動,一般就近調(diào)動正在執(zhí)行巡邏任務(wù)的戰(zhàn)斗機(與航母的距離要小于敵目標與航母的距離,以提高攔截的成功率)進行攔截。以什么樣的路線向敵目標靠近并尋找恰當機會(即確定拐點)掉頭與敵目標面對面對峙,是本文研究的主要內(nèi)容。使用導(dǎo)彈攔截注重對敵目標的摧毀,因此并不特別要求從哪個角度擊中目標。但隨著技術(shù)發(fā)展,在能摧毀目標的基礎(chǔ)上,對作戰(zhàn)效能也有了一定的要求,因此,對從哪個角度擊中目標也提出了一些要求[1,12]。

圖2 任務(wù)單元與目標運動關(guān)系

為研究方便,本文先研究一種較為簡單的情況,先做如下假設(shè): 1) 任務(wù)單元和敵目標為質(zhì)點; 2) 敵目標速度和航向已知,且大小不變,則攔截運動關(guān)系如圖2所示。圖中,T為敵目標,M為任務(wù)單元,vt和vm分別為敵目標和任務(wù)單元的速度矢量,q為視線角,ψt和ψm為航向,ηt和ηm為速度矢量與視線的夾角,r為任務(wù)單元到目標的距離。

由圖中運動關(guān)系分析可知

(1)

式中,第一個運動方程表示任務(wù)單元和目標之間的距離變化,第二個運動方程表示任務(wù)單元和目標之間相對位置的變化,以上兩個狀態(tài)量均取決于任務(wù)單元和目標的速度及航向。角度關(guān)系為

(2)

由上述分析,若要迎面攔截,則最終有

(3)

即目標位于任務(wù)單元速度方向上,目標任務(wù)單元速度方向相反。

3 導(dǎo)引算法設(shè)計

圖3 導(dǎo)引算法設(shè)計

本文先考慮較為簡單的情況,假定目標的速度和航向保持不變,即保持速度矢量不變向航母奔襲,則目標和任務(wù)單元的相對運動狀況如圖3所示。

(4)

進一步得,任務(wù)單元的攔截速度為

(5)

在攔截引導(dǎo)過程中,目標的速度、位置和航向可實時偵察探測到,轉(zhuǎn)彎半徑R根據(jù)實際情況設(shè)定。那么根據(jù)這四個已知量,可逐一求解其他未知量。首先,根據(jù)目標航向以及雙方位置(即A和B的坐標)確定β角,然后再求解其他未知量。如圖3,根據(jù)微分幾何知識可得

(6)

(7)

(8)

圓周運動過程中,航向變化的值與圓弧對應(yīng)的圓心角相等,故圓弧段航向變化率為

(9)

4 仿真結(jié)果

對上述攔截方法進行仿真驗證。定義航母所在位置為原點,假設(shè)敵目標從(1000,1000)(單位為km)位置向航母靠近意圖進行偵察,我方調(diào)動在(900,-300)位置的任務(wù)單元執(zhí)行攔截任務(wù)。定義威懾距離為20km,即任務(wù)單元與目標速度方向在同一條直線且迎面距離為20km時,達到威懾攔截效果,可有效迫使敵目標更改飛行方向,破壞其靠近偵察的計劃。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 攔截效果仿真

圖中,坐標單位為km,仿真過程中,定義目標偵察靠近的速度為300m/s,因為敵目標目的是偵察不是作戰(zhàn),所以速度不會太快。選取轉(zhuǎn)彎半徑為300km,兜大彎是為了避免被敵方過早發(fā)現(xiàn),更改方向,加大攔截難度。通過計算得,任務(wù)單元的攔截速度為559.7m/s。任務(wù)單元航向變化如圖5所示。

圖5 任務(wù)單元航向變化

5 結(jié)語

本文以作戰(zhàn)仿真推演為背景,對其中的作戰(zhàn)前期威懾攔截仿真進行了研究,解決了迎面攔截仿真的問題,對仿真推演具有一定的支撐作用。本文暫先做了初期的研究工作,考慮的情況也較為簡單,諸如目標的追蹤、路徑的優(yōu)化、轉(zhuǎn)彎切圓的選擇、目標飛行狀態(tài)發(fā)生更改后對應(yīng)的攔截策略等,還有待于進一步研究。

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Simulation of Head-on Intercepting Guidance and Control Law for Aerocraft

CHEN Miao LIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing 210007)

With the problem of anti-aircraft campaign operation for aircraft carrier formation, the problem of head-on interception against aerocraft is studied in this paper. According to the dynamic statement and trend of the target, and considering many nonmilitary factors, the mission unit is required to head-on intercept the target out of overawed interval space, which can achieve the purpose of overawed interception. This method aims at making the opposed target fall back self, avoiding firepower, which is different from the attacking interception by guided missile. To realized this method, the mission unit lay aboard to the target firstly, and then adjust the orientation self by circular guidance, that can confront each other against the target. The interception method is designed in this paper, and finally the effectiveness of the proposed method is testified by simulation.

overawe, head-on interception, circular guidance

2015年1月21日,

2015年2月25日 作者簡介:陳淼,男,工程師,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真與效能評估。劉曉光,男,高級工程師,研究方向:指控系統(tǒng)仿真。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.032