劉 旭,李為民,謝 鑫,劉永蘭

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)目標(biāo)識(shí)別模型*

劉 旭,李為民,謝 鑫,劉永蘭

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

高超聲速巡航導(dǎo)彈對(duì)現(xiàn)有空防體系構(gòu)成極大挑戰(zhàn),高效的目標(biāo)識(shí)別是后續(xù)攔截打擊的基礎(chǔ)。通過(guò)分析,選擇其載機(jī)作為識(shí)別對(duì)象,確定目標(biāo)尺寸、編隊(duì)情況、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、情報(bào)這五類識(shí)別因素。結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建了載機(jī)目標(biāo)識(shí)別模型,給出了因素集、評(píng)價(jià)集和兩者之間的隸屬關(guān)系。最后通過(guò)示例,驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的可行性、有效性以及實(shí)時(shí)性。

高超聲速巡航導(dǎo)彈;載機(jī);目標(biāo)識(shí)別模型;模糊綜合評(píng)價(jià)

0 引言

高超聲速巡航導(dǎo)彈攔截打擊是一個(gè)時(shí)敏性作戰(zhàn)過(guò)程,越早識(shí)別目標(biāo),越有利于后續(xù)的攔截作戰(zhàn)。從文獻(xiàn)[1]可以看出,高超聲速巡航導(dǎo)彈未來(lái)的發(fā)射平臺(tái)可能包括陸基、?；?、空基以及臨近空間等平臺(tái)?？栈脚_(tái)進(jìn)行搭載發(fā)射具有機(jī)動(dòng)靈活、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),可能成為高超聲速巡航導(dǎo)彈未來(lái)的主要發(fā)射方式。在這種發(fā)射方式中,導(dǎo)彈有很長(zhǎng)一段時(shí)間是掛載在載機(jī)上飛行的。在這一階段,載機(jī)目標(biāo)大,飛行速度慢,若能及時(shí)識(shí)別其為高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī),則有可能在導(dǎo)彈脫離載機(jī)前進(jìn)行快速攔截,取得機(jī)彈同毀的攔截效果,或者為后續(xù)的導(dǎo)彈攔截作戰(zhàn)提供更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間,提高攔截成功率。

在關(guān)于高超聲速巡航導(dǎo)彈目標(biāo)識(shí)別的已有研究中,大都只針對(duì)導(dǎo)彈本身進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。文獻(xiàn)[2]研究了高超聲速巡航導(dǎo)彈的目標(biāo)特性,定性分析了高超聲速巡航導(dǎo)彈的物理特性、功能特性和環(huán)境特性;文獻(xiàn)[3]對(duì)高超聲速巡航導(dǎo)彈的探測(cè)識(shí)別難點(diǎn)進(jìn)行了定性研究,并給出了相關(guān)建議;文獻(xiàn)[4]對(duì)高超聲速鈍頭雙錐體的紅外輻射特性進(jìn)行了定量研究,但并非針對(duì)高超聲速巡航導(dǎo)彈,且缺乏識(shí)別方面的后續(xù)研究。在高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)目標(biāo)識(shí)別方面,還未有公開(kāi)文獻(xiàn)。

文中選擇了高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)作為識(shí)別目標(biāo)。詳細(xì)分析了載機(jī)的飛行過(guò)程,基于載機(jī)飛行過(guò)程中所呈現(xiàn)出的各類特征,確定載機(jī)的識(shí)別因素。結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法,建立其識(shí)別模型。通過(guò)示例仿真來(lái)驗(yàn)證模型的可行性。

1 高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)目標(biāo)識(shí)別因素確定

1)高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)作戰(zhàn)過(guò)程

從文獻(xiàn)[5-6]進(jìn)行分析,考慮到載機(jī)投放高超聲速巡航導(dǎo)彈時(shí)對(duì)初始速度、高度等因素的要求,一般選擇大型飛機(jī)作為載機(jī),導(dǎo)彈固定在飛機(jī)機(jī)翼下方。在待命狀態(tài)下,載機(jī)停置于基地中,根據(jù)指令轉(zhuǎn)換戰(zhàn)備等級(jí),接到作戰(zhàn)命令后,載機(jī)起飛,以較大飛行速度和爬升角飛行爬升,在達(dá)到導(dǎo)彈對(duì)初始速度、高度的要求后,投放高超聲速巡航導(dǎo)彈,之后載機(jī)返回基地進(jìn)行休整或進(jìn)入下一個(gè)任務(wù)流程。

2)識(shí)別因素確定

分析高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)的作戰(zhàn)過(guò)程,考慮目前對(duì)空目標(biāo)探測(cè)方式現(xiàn)狀,選擇雷達(dá)作為探測(cè)手段,確定“目標(biāo)尺寸、編隊(duì)情況、飛行速度、飛行高度、情報(bào)”作為主要識(shí)別因素。

①情報(bào)因素。情報(bào)是現(xiàn)代防空作戰(zhàn)目標(biāo)識(shí)別中十分重要的因素。情報(bào)包括上級(jí)情報(bào)和友鄰情報(bào)。對(duì)于上級(jí)情報(bào),應(yīng)該充分信任。對(duì)于友鄰情報(bào),應(yīng)該重點(diǎn)參考。需要指出的是,由于情報(bào)獲取手段多樣,可能會(huì)出現(xiàn)情報(bào)沖突的情況,所以指揮員掌握的情報(bào)信息往往是“模糊”的,這在后續(xù)的模型構(gòu)建中會(huì)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行處理。

②目標(biāo)尺寸。高超聲速巡航導(dǎo)彈一般由大型載機(jī)掛載,如轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等。通過(guò)雷達(dá)、紅外、可見(jiàn)光等探測(cè)手段,獲取目標(biāo)的尺寸信息,通過(guò)分析目標(biāo)尺寸大小,可以排除戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)等干擾因素。一般來(lái)說(shuō),目標(biāo)尺寸越接近大型飛機(jī),則是高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)的可能性就越大。

③飛行速度。高超聲速巡航導(dǎo)彈在投放前,需要載機(jī)達(dá)到一定速度[5-6],根據(jù)這一特性可以對(duì)高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)進(jìn)行識(shí)別。我們知道,大型飛機(jī)為了飛行安全,其飛行速度一般較為平穩(wěn),一般不會(huì)超過(guò)音速。如果已經(jīng)識(shí)別目標(biāo)為大型飛機(jī),而其飛行速度又過(guò)大,則有較大可能是高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)。

④飛行高度。由于高超聲速巡航導(dǎo)彈的主要巡航軌跡在臨近空間,所以需要載機(jī)提供較高的初始高度,加之自身助推器助推,才能到達(dá)這一空域進(jìn)行巡航飛行,這一初始高度達(dá)到15 000 m以上[5-6]。一般來(lái)說(shuō),軍用戰(zhàn)斗飛機(jī)為了便于隱身突防,一般采取超低空飛行方式,飛行高度不過(guò)數(shù)百米,而民用航空飛機(jī)飛行高度不會(huì)超過(guò)10 000 m。在確定目標(biāo)的飛行高度后,則可進(jìn)行初步識(shí)別判斷。

⑤編隊(duì)情況。高超聲速巡航導(dǎo)彈的主要作戰(zhàn)任務(wù)是消滅時(shí)敏點(diǎn)目標(biāo),而非大面積打擊。執(zhí)行任務(wù)所需保障飛機(jī)不多。可以認(rèn)為,如果雷達(dá)探測(cè)結(jié)果是大規(guī)模目標(biāo)群,則存在高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)的可能性較低;如果結(jié)果是小規(guī)模目標(biāo)群,則可能性不定;如果結(jié)果是單目標(biāo),則可能性較大。

2 基于模糊綜合評(píng)判的識(shí)別模型構(gòu)建

模糊綜合評(píng)判在諸多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹,論文不再繁述。參考文獻(xiàn)[7,10],基于分析對(duì)模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),構(gòu)建了論文所用的模糊綜合評(píng)判識(shí)別模型。

1)確定因素集

確定因素集為:目標(biāo)尺寸、編隊(duì)情況、飛行速度、飛行高度、情報(bào)。用U={u1,u2,u3,u4,u5}表示。

2)確定評(píng)價(jià)集

確定評(píng)價(jià)集為“確定”(確定目標(biāo)為高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī))、“否定”(否定目標(biāo)為高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī))、“不明”(目標(biāo)類型不明,有待進(jìn)一步觀察),用V={v1,v2,v3}表示。

3)確定隸屬函數(shù)

①情報(bào)。將情報(bào)識(shí)別結(jié)果歸納為5種:確認(rèn)、較確認(rèn)、未明、較否認(rèn)、否認(rèn)。其模糊隸屬度如表1。

表1 情報(bào)模糊隸屬度

②目標(biāo)尺寸。

對(duì)于“確定”類:

(1)

對(duì)于“否定”類:

(2)

對(duì)于“不明”類:

(3)

其中,c為飛機(jī)實(shí)際長(zhǎng)度,d為探測(cè)所得長(zhǎng)度。

③載機(jī)飛行速度。

對(duì)于“確定”類:

(4)

對(duì)于“否定”類:

(5)

對(duì)于“不明”類:

(6)

其中,a為高超聲速巡航導(dǎo)彈初始速度,v為觀測(cè)到速度。

④飛行高度。

對(duì)于“確定”類:

(7)

對(duì)于“否定”類:

(8)

對(duì)于“不明”類:

(9)

其中,b為高超聲速巡航導(dǎo)彈對(duì)初始高度要求,h為探測(cè)得到目標(biāo)飛行高度。

⑤編隊(duì)情況。將觀測(cè)結(jié)果歸納為3類:大規(guī)模編隊(duì)飛行(大于5架),小規(guī)模編隊(duì)飛行(2～5架),單架飛行。其模糊隸屬度如表2。

表2 編隊(duì)情況模糊隸屬度

4)歸一化處理

5)確定模糊權(quán)向量

采用層次分析法確定各因素的權(quán)重為:

A=(a1,a2,…,a6)={0.3,0.25,0.2,0.15,0.1}

6)令:

3 示例驗(yàn)證

1)案例設(shè)置

參考2010年3月26日搭載于B-52H上進(jìn)行發(fā)射的高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行過(guò)程[8-9],設(shè)置案例的相關(guān)參數(shù)如下:高超聲速巡航導(dǎo)彈初始速度和高度要求為a=0.85 Ma、b=15 150 m;載機(jī)最大翼展為c=56 m;載機(jī)接到任務(wù)后,單獨(dú)起飛執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),以v=0.8 Ma的速度和30°爬升角均速爬升,105 s后達(dá)到導(dǎo)彈初始速度和高度要求,投放高超聲速巡航導(dǎo)彈。假設(shè)我方雷達(dá)從載機(jī)起飛一直對(duì)其處于探測(cè)狀態(tài),探測(cè)周期為5 s,即在載機(jī)起飛后第5n(n=1,2,…,21)s,我方雷達(dá)分別對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了探測(cè)。

2)識(shí)別結(jié)果

②編隊(duì)情況。載機(jī)與打擊目標(biāo)之間的距離在導(dǎo)彈射程(約1 000 km)附近,雷達(dá)在這個(gè)距離對(duì)目標(biāo)編隊(duì)情況有較好的分辨能力。雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)結(jié)果為“單架飛行”。

③飛行速度。載機(jī)與打擊目標(biāo)之間的距離在導(dǎo)彈射程(約1 000 km)附近,雷達(dá)在這個(gè)距離對(duì)目標(biāo)速度有較好的探測(cè)能力。雷達(dá)對(duì)目標(biāo)速度的探測(cè)結(jié)果為“v=0.8 Ma”。

④飛行高度。隨著n的增大,載機(jī)飛行高度不斷增加。設(shè)載機(jī)飛行高度探測(cè)結(jié)果為函數(shù)h=15150n/21。

⑤情報(bào)。假設(shè)情報(bào)綜合后識(shí)別結(jié)果為“未明”。

3)隸屬度確定

得出的探測(cè)結(jié)果按模型中的隸屬關(guān)系進(jìn)行換算,得到第n次探測(cè)各因素對(duì)于各評(píng)判的模糊隸屬度。進(jìn)行歸一化化處理后得出仿真結(jié)果,見(jiàn)圖1。

圖1 第n次探測(cè)“確認(rèn)”、“否認(rèn)”、“未明”的模糊隸屬值

4)算法實(shí)時(shí)性分析

對(duì)所建評(píng)價(jià)體系算法的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析,仿真得出各次探測(cè)所需時(shí)間,見(jiàn)圖2。

圖2 算法實(shí)時(shí)性分析

5)結(jié)果分析

由圖1,以得出以下結(jié)論:

①構(gòu)建的目標(biāo)識(shí)別模型能較好的計(jì)算出不同探測(cè)次數(shù)下各評(píng)判的模糊隸屬度結(jié)果,說(shuō)明模型具有一定的可行性。

②在探測(cè)初期(n取值較小),評(píng)判子集“未明”或“否認(rèn)”具有較高隸屬度;在探測(cè)后期(n取值較大)評(píng)判子集“確定”具有較高隸屬度,說(shuō)明對(duì)高超聲速巡航導(dǎo)彈載機(jī)進(jìn)行探測(cè)時(shí),在探測(cè)初期,不易識(shí)別目標(biāo),隨著載機(jī)飛行速度和高度越接近導(dǎo)彈初始速度和高度要求,越容易識(shí)別。這與實(shí)際是相符的,說(shuō)明模型具有一定有效性。

③通過(guò)計(jì)算,得出算法運(yùn)行平均時(shí)間為0.45 s,參考文獻(xiàn)[10-11]可知,所建評(píng)價(jià)體系算法在實(shí)時(shí)性上有較好表現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中僅為拋磚引玉,可為此方面研究提供相關(guān)思路和一定理論成果。后續(xù)研究應(yīng)包括兩個(gè)方向:1)如何完善識(shí)別因素集,使得識(shí)別更加準(zhǔn)確;2)面對(duì)高超聲速巡航導(dǎo)彈其他發(fā)射方式(陸基發(fā)射、潛射、臨近空間平臺(tái)發(fā)射),如何建立目標(biāo)識(shí)別模型。

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Target Recognition Model of Hypersonic Cruise Missile Carrier-aircraft

LIU Xu,LI Weimin,XIE Xin,LIU Yonglan

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Hypersonic cruise missile challenges air-space defense nowadays seriously. An study on target recognition of hypersonic missile is important for it’s latter interception. Though analysis, carrier-aircraft of hypersonic cruise missile is chosen as recognition object, and the size, formation, altitude, speed, information are chosen as recognition factor. With the way of fuzzy comprehensive evaluation, target recognition of carrier-aircraft is built, factors gather and evaluation gather and subjection relationship of them are get out. At last, an example is taken to demonstrate the validity and feasibility and real time of model which built above.

hypersonic cruise missile; carrier-aircraft; target recognition model; fuzzy comprehensive evaluation

2014-03-08

國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助

劉旭(1987-),男,湖南湘鄉(xiāng)人,博士研究生,研究方向:高空高速目標(biāo)防御。

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