尹成義,譚安勝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連　116018)

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對海目標(biāo)識別中艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)艦載無人機(jī)的方法及陣位配置*

尹成義,譚安勝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018)

針對水面艦艇編隊(duì)對海攻擊時(shí)的目標(biāo)識別需求,提出了艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)艦載無人機(jī)實(shí)施對海目標(biāo)識別的協(xié)同樣式。從引導(dǎo)識別的基本過程入手,建立了艦載無人機(jī)占領(lǐng)預(yù)定識別陣位的運(yùn)動(dòng)要素計(jì)算模型;基于以最短時(shí)間到達(dá)預(yù)定識別陣位的要求,建立了艦載無人機(jī)目標(biāo)識別時(shí),相對艦載預(yù)警直升機(jī)陣位配置的擬合模型,并針對艦載無人機(jī)識別時(shí)的反應(yīng)時(shí)間和識別距離,建立了艦載無人機(jī)陣位配置的修正模型,為水面艦艇編隊(duì)對海攻擊中的目標(biāo)識別提供了新手段。

水面艦艇編隊(duì);艦載預(yù)警直升機(jī);艦載無人機(jī);目標(biāo)識別

水面艦艇編隊(duì)實(shí)施超視距對海攻擊時(shí),不僅需要遠(yuǎn)程目標(biāo)指示,還必須對目標(biāo)進(jìn)行可靠識別,否則極易造成不必要的誤傷或被敵佯動(dòng)兵力所欺騙[1]。因此,如何可靠、有效地進(jìn)行目標(biāo)識別,成為水面艦艇編隊(duì)對海攻擊的重要一環(huán)。

目前,水面艦艇中通常搭載有多類型的艦載直升機(jī),包括艦載預(yù)警直升機(jī)、艦載無人直升機(jī)、艦載反潛直升機(jī)等。相比水面艦艇,艦載直升機(jī)具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn),并可使用多種探測手段,是進(jìn)行目標(biāo)識別的有效兵力[2]。其中,艦載預(yù)警直升機(jī)的機(jī)載雷達(dá)和艦載無人機(jī)掛載的電子偵察載荷探測距離遠(yuǎn),但其進(jìn)行目標(biāo)識別的方法都不夠直接,只能通過對比和分析目標(biāo)回波或目標(biāo)無線電信號進(jìn)行目標(biāo)類型判別,而受目前的技術(shù)水平及電子情報(bào)收集能力的限制,這種判別手段的有效性和可靠性較差。而若要相對準(zhǔn)確地對目標(biāo)進(jìn)行識別,目標(biāo)的圖像信息最為可靠和直接,因此可使用各型艦載直升機(jī)通過目視或光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)識別,從而有效判定目標(biāo)屬性。

使用目視或光電傳感器進(jìn)行目標(biāo)識別時(shí),由于受大氣能見度的影響,目標(biāo)圖像信息的獲取存在一定的距離限制,遠(yuǎn)距離無法獲取,而近距離接近敵目標(biāo),又會(huì)受到敵編隊(duì)火力的威脅。因此若使用艦載直升機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行識別,則艦載直升機(jī)將面臨較大危險(xiǎn)。而艦載無人機(jī)具有前出距離遠(yuǎn)、行動(dòng)隱蔽且不懼傷亡的優(yōu)勢,其掛載光電載荷可近實(shí)時(shí)傳輸目標(biāo)圖像,是完成目標(biāo)識別任務(wù)的理想兵力[3]。但由于艦載無人機(jī)搭載的光電載荷探測距離近,難以在大面積海區(qū)內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)需識別目標(biāo),為了能使艦載無人機(jī)快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo),可由艦載預(yù)警直升機(jī)為其提供目標(biāo)位置信息,從而提高目標(biāo)識別的效率,縮短時(shí)間[4]。

1　協(xié)同對海目標(biāo)識別引導(dǎo)決策分析

艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)艦載無人機(jī)對海目標(biāo)識別,主要是通過結(jié)合艦載預(yù)警直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)對海搜索范圍廣和掛載光電載荷的艦載無人機(jī)可獲取目標(biāo)圖像信息的優(yōu)勢,在艦載預(yù)警直升機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,引導(dǎo)艦載無人機(jī)接近目標(biāo)區(qū)域,近距離通過圖像信息對目標(biāo)進(jìn)行識別。

1.1引導(dǎo)對海目標(biāo)識別基本過程

艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別,就是艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)艦載無人機(jī)占領(lǐng)目標(biāo)某一陣位,使其能夠完成識別目標(biāo)的任務(wù)。其原理就是根據(jù)艦載預(yù)警直升機(jī)所掌握的目標(biāo)位置及其運(yùn)動(dòng)要素,以及艦載無人機(jī)在空中的位置,求出艦載無人機(jī)達(dá)到目標(biāo)某一陣位的飛行航向和飛行時(shí)間[5]。艦載預(yù)警直升機(jī)不斷計(jì)算,隨即將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給艦載無人機(jī)操作員,艦載無人機(jī)操作員按此航向操縱艦載無人機(jī)飛行,艦載無人機(jī)即可飛到所需陣位。

1.2無人機(jī)占領(lǐng)預(yù)定陣位運(yùn)動(dòng)要素計(jì)算模型

為了確定艦載無人機(jī)的飛行航向,建立直角坐標(biāo)系xOy,y軸為正北,x軸為正東,艦載預(yù)警直升機(jī)位于O點(diǎn),如圖1所示。

此時(shí)目標(biāo)位于M點(diǎn),航向?yàn)镃m、速度為vm;艦載預(yù)警直升機(jī)測得目標(biāo)的方位為αm、距離為Dm,測得艦載無人機(jī)的方位為αU、距離為DU。若艦載無人機(jī)需占領(lǐng)到目標(biāo)陣位點(diǎn)U,U點(diǎn)的陣位要素為到艦載無人機(jī)的距離為Dt、舷角為qm(右舷為正,左舷為負(fù))。

若假設(shè)目標(biāo)位置不變,艦載無人機(jī)需要占領(lǐng)目標(biāo)陣位點(diǎn)U′,則U′點(diǎn)的坐標(biāo)xU′,yU′為

艦載無人機(jī)現(xiàn)在點(diǎn)U0的坐標(biāo)xU0,yU0為

則艦載無人機(jī)現(xiàn)在點(diǎn)U0到U′點(diǎn)的坐標(biāo)差ΔxU、ΔyU為

(1)

U′點(diǎn)看U0點(diǎn)的方位βm可用下式計(jì)算：

(2)

角qU可由下式計(jì)算：

qU=180°-Cm+βm

(3)

由于目標(biāo)并非靜止不動(dòng),而是以航向Cm、速度vm航行,因此艦載無人機(jī)需按速度三角形修正航向。在ΔU0U′U中,根據(jù)正弦定理,艦載無人機(jī)實(shí)際飛行航向與相對航向夾角φ可用下式計(jì)算：

(4)

根據(jù)圖1可知,艦載無人機(jī)占領(lǐng)陣位的航向CU為

CU=βm+φ

(5)

艦載無人機(jī)由U0點(diǎn)占領(lǐng)點(diǎn)陣位所需時(shí)間t為

(6)

1.3仿真計(jì)算與分析

設(shè)艦載預(yù)警直升機(jī)發(fā)現(xiàn)艦船目標(biāo)時(shí),目標(biāo)到艦載預(yù)警直升機(jī)的距離為240km,方位30°,目標(biāo)的航速為20kn,此時(shí),艦載無人機(jī)的飛行速度為190km/h,為可靠識別目標(biāo),要求占領(lǐng)目標(biāo)右舷正橫即舷角90°,識別距離為20km,則根據(jù)式(5)和(6)計(jì)算艦載無人機(jī)相對艦載預(yù)警直升機(jī)不同方位距離下的艦載無人機(jī)的占領(lǐng)識別陣位航向及所需時(shí)間如表1及圖2所示。

表1　艦載無人機(jī)相對預(yù)警直升機(jī)不同方位距離下的運(yùn)動(dòng)要素

圖2　艦載無人機(jī)占領(lǐng)識別陣位隨時(shí)間變化

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)及圖2中的占領(lǐng)識別陣位時(shí)間的變化規(guī)律分析可知,對于相對位置及運(yùn)動(dòng)要素相同目標(biāo)的識別,艦載無人機(jī)配置的位置不同其占領(lǐng)識別陣位所需時(shí)間也不同,而在對抗激烈的現(xiàn)代海戰(zhàn)中,進(jìn)行目標(biāo)識別的基本要求就是快速準(zhǔn)確。因此,艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)艦載無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別,對艦載無人機(jī)配置的基本要求是以最短時(shí)間到達(dá)預(yù)定的識別陣位,為此應(yīng)對艦載無人機(jī)的陣位配置進(jìn)行優(yōu)化。

2　協(xié)同對海目標(biāo)識別陣位優(yōu)化配置

由于在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之前,其目標(biāo)位置具有不確定性,因此,配置艦載無人機(jī)時(shí),只能在平均意義下實(shí)現(xiàn)時(shí)間最短,而為實(shí)現(xiàn)平均意義下的時(shí)間最短,對于艦載無人機(jī)的配置而言就是使艦載無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)可能位置的平均距離最短。

2.1陣位優(yōu)化配置的基本模型

為尋求艦載無人機(jī)的優(yōu)化配置陣位,作如下假設(shè):

1)艦載預(yù)警直升機(jī)沿搜索區(qū)某側(cè)中心線飛行,艦載無人機(jī)飛行方向和速度與艦載直升機(jī)保持一致;

2)艦載預(yù)警直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)對海上艦船目標(biāo)的有效探測半徑為rc,艦載無人機(jī)光電載荷的有效識別距離為ru;

3)忽略目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,即假設(shè)目標(biāo)是靜止的。

若艦載預(yù)警直升機(jī)采用縱飛推掃搜索方式,其主要依靠機(jī)載雷達(dá)的前半扇區(qū)來探測目標(biāo)。若以艦載預(yù)警直升機(jī)為原點(diǎn),其搜索運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸,艦載預(yù)警直升機(jī)右側(cè)正橫方向?yàn)閤軸,建立直角坐標(biāo)系,如圖3所示。

圖3　艦載預(yù)警直升機(jī)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置

設(shè)目標(biāo)可能分布區(qū)的寬度為W(W≤2rc),則艦載預(yù)警直升機(jī)的有效搜索扇面角α為

α=2arcsin(W/(2rc))

(7)

由于艦載預(yù)警直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)對大中型水面艦艇具有較好的發(fā)現(xiàn)概率,且其沿搜索區(qū)某側(cè)中心線飛行,因此,艦載預(yù)警直升機(jī)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的位置通常應(yīng)位于以艦載預(yù)警直升機(jī)為中心半徑為rc的初始發(fā)現(xiàn)弧上,如圖2中的圓弧BC。

艦載無人機(jī)的主要作用是對目標(biāo)進(jìn)行識別,其配置位置的選擇首先應(yīng)保證識別過程所需的時(shí)間最少。而艦載無人機(jī)的識別過程所需時(shí)間主要包括飛往目標(biāo)識別陣位的時(shí)間和識別時(shí)間,而識別時(shí)間相對固定且與飛往目標(biāo)識別陣位時(shí)間相比很小,因此艦載無人機(jī)從配置陣位出發(fā)到完成目標(biāo)識別的整個(gè)過程所需要的時(shí)間主要由飛往目標(biāo)識別陣位時(shí)間決定,也就是由配置陣位與識別陣位之間的距離決定。由于目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)時(shí)的位置具有隨機(jī)性,對不同位置的目標(biāo)進(jìn)行識別時(shí)無人機(jī)所需的時(shí)間并不相同,由于假設(shè)目標(biāo)在搜索區(qū)內(nèi)是均勻分布的,應(yīng)保證所需時(shí)間在平均意義下最短。

(8)

其中，

(9)

而(x,y)來自圓弧BC,因此應(yīng)滿足：

(10)

將式(10)代人式(8)并整理、積分可得

(11)

2.2陣位優(yōu)化配置的擬合模型

表2　不同有效搜索角α下艦載無人機(jī)的相對配置點(diǎn)

圖4　平均飛行距離隨相對位置點(diǎn)變化

圖5　相對位置點(diǎn)的線性擬合效果

為了獲得任意有效搜索角對應(yīng)的無人機(jī)配置坐標(biāo),采用數(shù)據(jù)擬合方法,以表1第3行為橫坐標(biāo),第4行為縱坐標(biāo)作圖,如圖5中的“o”點(diǎn)所示,可以發(fā)現(xiàn)a與b二者之間為線性關(guān)系,擬合函數(shù)為

a/rc=0.4255b/rc+0.5847

(12)

式(12)對應(yīng)的直線如圖5中的直線,可見該擬合函數(shù)具有極佳的擬合效果。將式(9)代人式(12)并整理,可得

(13)

2.3考慮延遲時(shí)間的修正模型

艦載預(yù)警直升機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,通常并不能立即引導(dǎo)艦載無人機(jī)進(jìn)行識別。首先需建立目標(biāo)的航跡,而建立目標(biāo)航跡通常需要連線發(fā)現(xiàn)目標(biāo)3-5次[6]。若設(shè)預(yù)警直升機(jī)的掃描周期為Ts,建立目標(biāo)航跡平均需n次掃描,則建立目標(biāo)航跡所需的時(shí)間為nTs。建立目標(biāo)航跡后,還需向艦載無人機(jī)控制臺(tái)發(fā)送指令,控制人員根據(jù)指令操縱艦載無人機(jī)沿指定航向飛行,整個(gè)過程也需要一定的時(shí)間。設(shè)總延遲時(shí)間為ty,則從首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到艦載無人機(jī)開始向預(yù)定方位飛行時(shí),所用的時(shí)間為tf,若艦載無人機(jī)的飛行速度為vu,則從艦載預(yù)警直升機(jī)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到艦載無人機(jī)開始向目標(biāo)飛,無人機(jī)的前飛距離為vu·tf,因此艦載無人機(jī)的配置陣位的縱坐標(biāo)應(yīng)為

y0=a-vutf

(14)

其中,tf由下式確定：

tf=n·Ts+ty

(15)

同時(shí),艦載無人機(jī)對目標(biāo)還有一定的識別距離,因此不必飛到目標(biāo)上方。若目標(biāo)位于圓弧上的某一點(diǎn),其航向是隨機(jī)的,無法確定,為確保占領(lǐng)目標(biāo)的某個(gè)陣位進(jìn)行目標(biāo)識別,艦載無人機(jī)應(yīng)配置在以目標(biāo)為中心,半徑為ru的圓上的某一點(diǎn),由于艦載無人機(jī)識別目標(biāo)的陣位通常是目標(biāo)的左右舷均可,若要求占領(lǐng)的陣位與目標(biāo)航向的夾角不能小于β,則為保證艦載無人機(jī)飛行的距離最短,其可能陣位應(yīng)為靠近艦載無人機(jī)一側(cè)的圓弧EF,如圖6所示。

圖6　考慮識別距離時(shí)艦載無人機(jī)配置位置確定示意圖

因此有

(16)

其中，

(17)

設(shè)艦載無人機(jī)的識別位置到發(fā)現(xiàn)弧平均距離為du,則

(18)

因此考慮延誤時(shí)間及識別半徑后,艦載無人機(jī)的相對配置陣位(0,y0)為

y0=a-vtf-du

(19)

2.4仿真計(jì)算與分析

為分析艦載無人機(jī)相對配置陣位及從相對配置陣位到達(dá)識別陣位的平均飛行距離隨搜索區(qū)不同的變化規(guī)律,利用式(11)和(19)對不同條件下的相對配置陣位進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真條件如下:艦載預(yù)警直升機(jī)對水面目標(biāo)的最大探測距離rc=240km,機(jī)載雷達(dá)掃描周期Ts=6s,建立目標(biāo)航跡所需的掃描次數(shù)n=5;艦載無人機(jī)的飛行速度vu=90km/h,操縱延誤時(shí)間ty=5s,艦載無人機(jī)識別距離ru=20km,β=45°,仿真計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　不同搜索區(qū)對應(yīng)的艦載無人機(jī)相對位置

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出:

1)艦載無人機(jī)相對預(yù)警直升機(jī)的距離y0隨W/(2rc)值的減小而增大,而艦載無人機(jī)識別所需的飛行距離隨W/(2rc)值的減小而減小;

2)由于目前我海軍裝備的艦載無人機(jī)的飛行速度通常較慢,因此在W/(2rc)較大時(shí),所需的平均識別時(shí)間較長。為此,可同時(shí)采用2架艦載無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別,將其對稱配置在艦載預(yù)警直升機(jī)飛行方向前方兩側(cè),則可顯著縮短識別過程所需的時(shí)間。

艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)兩架艦載無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別時(shí),艦載無人機(jī)的陣位配置方法可依據(jù)單機(jī)識別的情況確定,即將艦載預(yù)警直升機(jī)的初始發(fā)現(xiàn)弧沿艦載預(yù)警直升機(jī)的飛行方向平均分成2部分,然后將每一部分視為縮短的初始發(fā)現(xiàn)弧并按單機(jī)配置方法分別配置一架艦載無人機(jī),如圖7所示。

圖7　艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)兩架艦載無人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別的陣位配置示意圖

3　結(jié)束語

使用艦載預(yù)警直升機(jī)引導(dǎo)掛載光電載荷的艦載無人機(jī)實(shí)施海上目標(biāo)識別,既可有效發(fā)揮艦載無人機(jī)不懼傷亡、可提供目標(biāo)圖像信息的優(yōu)點(diǎn),提高目標(biāo)識別的安全性與可靠性,又能克服艦載無人機(jī)掛載的光電載荷目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離近,無法在大范圍海域內(nèi)快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的問題,有效提高了目標(biāo)識別效率,是解決水面艦艇編隊(duì)遠(yuǎn)程對海攻擊時(shí)目標(biāo)識別的一種有效方法。

[1]萬淳.水面艦艇戰(zhàn)術(shù)[M].南京：海軍指揮學(xué)院,2010.

[2]譚安勝.水面艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)運(yùn)籌分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[3]羅勤,郭麗燕.基于艦載無人機(jī)的海戰(zhàn)場打擊效果評估研究[J].艦船電子工程,2008,28(6):55-58.

[4]尹成義,譚安勝.水面艦艇編隊(duì)對海攻擊艦載預(yù)警直升機(jī)與無人機(jī)協(xié)同使用研究[C].2013年水面艦艇作戰(zhàn)與訓(xùn)練年會(huì)論文集,2013.

[5]楊福渠.艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮[M].北京:解放軍出版社,2004.

[6]譚安勝,郭江龍,尹成義.艦載預(yù)警直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)發(fā)現(xiàn)與建航概率模型研究[J].指揮控制與仿真,2014,35(8):5-11.

[7]譚安勝,郭江龍,尹成義.艦載預(yù)警直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)有效探測距離模型[J].指揮控制與仿真,2014,35(4): 56-59.

Method and Spacial Deployment of Shipborne Early-Warning Helicopter Guiding Shipborne UAV to Target Identification on Sea

YIN Cheng-yi,TAN An-sheng

(Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China)

Aimming at the demand on the surface ship formation indentifying the object in sea warfare,the synergistic method of shipborne early-warning helicopter guiding shipborne UVA to indentify targets on sea is proposed.Starting from the basic process of Guiding,the motive element calculation model of UVA dominating the predicted identification station is established.Based on the requirement of arriving at the predicted identification station in the minimum time,the relative fitting model of the shipborne early-warning helicopter station allocation is established upon UVA identifying the object.And aiming at the reaction time and identifying distance capacities of UVA,the adjustment model of UVA special deployment is established,which provides the new approach of the surface ship formation identifying the object upon sea attack.

surface ship formation; shipborne early-warning helicopter; shipborne UAV; target identification

1673-3819(2016)05-0070-05

2016-04-19

2016-05-15

全軍軍事類研究生資助課題(編號2013JY446)

尹成義(1977-),男,遼寧鐵嶺人,博士,副教授,研究方向?yàn)樽鲬?zhàn)指揮、水面艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)運(yùn)籌分析。

譚安勝(1963-),男,教授,博士生導(dǎo)師。

V274.1；E926.37

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.015