劉維國(guó) 莊錦程

（91550部隊(duì)91分隊(duì)大連116023）

飛行器航路規(guī)劃技術(shù)性能考核方法研究

劉維國(guó) 莊錦程

（91550部隊(duì)91分隊(duì)大連116023）

飛行器航路規(guī)劃性能優(yōu)劣是評(píng)價(jià)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件功能重要組成部分。在進(jìn)行航路優(yōu)劣考核評(píng)價(jià)時(shí)，需要綜合考慮影響航路性能的各項(xiàng)因素，依據(jù)影響航路綜合性能的指標(biāo)權(quán)重，完成對(duì)綜合指標(biāo)的計(jì)算、航路的選優(yōu)，評(píng)價(jià)飛行器在對(duì)抗性環(huán)境中完成任務(wù)的能力。

飛行器；航路規(guī)劃；考核；方法

Class NumberV249

1 引言

飛行器航路規(guī)劃軟件決策，具有影響因素多、信息量大、決策模型復(fù)雜、決策過(guò)程繁雜等特點(diǎn)。在進(jìn)行飛行器航路規(guī)劃軟件功能的考核時(shí)，必須綜合考慮各種決策、各種因素間的交互影響，如目標(biāo)散布范圍探測(cè)及估算、目標(biāo)誤差散布圓顯示；飛行器航路距離和發(fā)射時(shí)機(jī)計(jì)算；飛行器各航路特征點(diǎn)的選擇范圍；飛行器航路特征點(diǎn)有效性判斷；計(jì)算飛行器可攻入射角范圍；飛行器火分基準(zhǔn)方向的選擇與確定、飛行器末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)鎖點(diǎn)的選擇與導(dǎo)彈捕捉概率預(yù)測(cè)等要素［1］。

2 飛行器發(fā)射點(diǎn)與第一個(gè)航路點(diǎn)間距約束考核

飛行器發(fā)射后，要越過(guò)己方區(qū)域后，再進(jìn)行降高進(jìn)入低空突防段；同時(shí)由于飛行器發(fā)射之后，飛行器的姿態(tài)、航向均存在較大的偏差，需要一定的時(shí)間調(diào)整飛行的姿態(tài)和航向；因此，在航路規(guī)劃過(guò)程中，在一定的航程內(nèi)不能插入航路點(diǎn)。根據(jù)目標(biāo)協(xié)同作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)要求，可以得出進(jìn)入安全降高至低空突防段的距離；按照導(dǎo)彈的性能參數(shù)，可以得知導(dǎo)彈進(jìn)入預(yù)定飛行狀態(tài)需要的時(shí)間和飛行的距離。由此可以以飛行器的發(fā)射方向作為初始方向，將初始段的調(diào)整距離作為航路段長(zhǎng)度，根據(jù)Bowring公式及當(dāng)前飛行器載體平臺(tái)所在的位置，可以直接計(jì)算出第一個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)位置。設(shè)約束要求為：間距≤γ。

在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件中，設(shè)置發(fā)射點(diǎn)A與目標(biāo)點(diǎn)B之間間距S公里，由戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件規(guī)劃直接攻擊后，插入經(jīng)計(jì)算后的航路點(diǎn)A′坐標(biāo)。航路點(diǎn)A′與發(fā)射點(diǎn)A的距離S′=γ，此時(shí)可規(guī)劃出航路結(jié)果。改變導(dǎo)彈射向后重新計(jì)算新的航路點(diǎn)A′的坐標(biāo)，重復(fù)檢驗(yàn)。當(dāng)改變A′坐標(biāo)重新插入航路點(diǎn)而使得A′與發(fā)射點(diǎn)A的距離S＜γ時(shí)，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果。

3 飛行器航路點(diǎn)間距約束的考核

在低空突防段的連續(xù)兩個(gè)航路轉(zhuǎn)彎點(diǎn)之間，飛行器在前一個(gè)航路點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎后，向下一個(gè)航路轉(zhuǎn)彎點(diǎn)飛行的過(guò)程中，與機(jī)動(dòng)性能的約束類(lèi)似，同樣由于飛行器的性能限制，需要一定的時(shí)間調(diào)整飛行的姿態(tài)和航向才能穩(wěn)定。因此，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件必須對(duì)兩個(gè)航路轉(zhuǎn)彎點(diǎn)之間的距離進(jìn)行約束［3］。利用第一個(gè)航路點(diǎn)距離考核時(shí)的航路設(shè)計(jì)，可以再插入經(jīng)計(jì)算后的第二個(gè)航路點(diǎn)A″（A″插入符合航路點(diǎn)間距要求），對(duì)本約束條件進(jìn)行考核。當(dāng)重新計(jì)算后，改變航路點(diǎn)A′與發(fā)射點(diǎn)A的距離S，當(dāng)S小于間距要求時(shí)，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果。

4 飛行器機(jī)動(dòng)性能約束的考核

機(jī)動(dòng)性能約束包括水平機(jī)動(dòng)約束、垂直機(jī)動(dòng)約束和縱向機(jī)動(dòng)約束，分別從水平方向、垂直方向和縱向限制了航路規(guī)劃算法的搜索空間。在水平平面內(nèi)，機(jī)動(dòng)性能約束主要體現(xiàn)為導(dǎo)彈的最小轉(zhuǎn)彎半徑；在垂直平面內(nèi)，機(jī)動(dòng)性能約束主要體現(xiàn)為導(dǎo)彈的最大爬升角和最大下滑角；在縱向上，機(jī)動(dòng)性能約束則主要體現(xiàn)為飛行速度的變化范圍。

4.1 最小轉(zhuǎn)彎半徑約束

在過(guò)點(diǎn)轉(zhuǎn)彎和不過(guò)點(diǎn)轉(zhuǎn)彎兩種方式下，導(dǎo)彈在任何一個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)處轉(zhuǎn)彎至下一個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：KAK是兩個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離，一般由Bowring公式求得；θ是轉(zhuǎn)彎角度；rmin是最小轉(zhuǎn)彎半徑。如圖3所示。

4.2 最大爬升/下滑角約束

假設(shè)最大爬升與下滑角分別是αu和αd，T1和T2分別代表某一控制周期的起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)，Δd表示導(dǎo)彈T2狀態(tài)時(shí)偏離T1狀態(tài)飛行方向的距離【9】，如圖4所示。

為滿(mǎn)足最大爬升角限制，須使：

同理，進(jìn)行下滑機(jī)動(dòng)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足：

其中，||T1T2是一個(gè)控制周期內(nèi)導(dǎo)彈的飛行距離。

4.3 考核方法

由于受導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)性能的限制，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件在航路規(guī)劃時(shí)，不能隨意以任意角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，必須充分考慮導(dǎo)彈的性能參數(shù)進(jìn)行約束【12】。飛行器除了需要考慮攻擊海上目標(biāo)時(shí)繞島飛行的水平方向機(jī)動(dòng)性能約束外，還需考慮越島飛行或攻擊陸上目標(biāo)時(shí)而進(jìn)行的垂直和縱向機(jī)動(dòng)性能的約束。水平方向機(jī)動(dòng)約束考核可以通過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃考核；垂直和縱向機(jī)動(dòng)性能考核則需要通過(guò)設(shè)計(jì)臨近地形的高程規(guī)劃，結(jié)合越障能力進(jìn)行考核。設(shè)導(dǎo)彈射向α，允許最大轉(zhuǎn)彎角β，目標(biāo)點(diǎn)航向?yàn)棣?180°。

自發(fā)射點(diǎn)A經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A′轉(zhuǎn)角度θ攻擊目標(biāo)點(diǎn)B′。AA′（發(fā)射點(diǎn)A與轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A′之間距離）和A′B（轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A′與目標(biāo)點(diǎn)位置2之間距離）滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件規(guī)劃要求（在最大射程和最小可規(guī)劃射程之間），A′B′與A′B之間的夾角θ′為目標(biāo)點(diǎn)從位置B′運(yùn)動(dòng)到位置B時(shí)航路轉(zhuǎn)彎角的變化值。

將目標(biāo)點(diǎn)B設(shè)定為有速目標(biāo)，航向?yàn)榇怪盇′B線(xiàn)段指向B″（目標(biāo)點(diǎn)位置3），航向可由導(dǎo)彈射向α與最大轉(zhuǎn)彎角β計(jì)算得出。目標(biāo)點(diǎn)位于B′點(diǎn)時(shí)，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件可規(guī)劃出航路結(jié)果；當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過(guò)B點(diǎn)后，由于轉(zhuǎn)彎角度超過(guò)最大轉(zhuǎn)彎要求，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果［7］。

5 飛行器主攻角、攻擊差角的考核

水面艦艇的防空能力往往受射界和通道數(shù)量的限制，選擇導(dǎo)彈的進(jìn)入方向，一方面可以實(shí)現(xiàn)飽和攻擊，另一方面可以增大導(dǎo)彈從目標(biāo)防空較薄弱的方向或盲區(qū)進(jìn)入的概率，從而提高導(dǎo)彈的突防概率。另外，由于目標(biāo)的散布具有一定的方向性，根據(jù)目標(biāo)散布選擇導(dǎo)彈從橢圓的長(zhǎng)軸方向進(jìn)入將有利于增大導(dǎo)彈對(duì)打擊目標(biāo)的捕捉概率。

5.1 航路點(diǎn)計(jì)算檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂己?/p>

1）目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸與敵我連線(xiàn)重合

最簡(jiǎn)單的情況：導(dǎo)彈航路可能經(jīng)過(guò)的區(qū)域內(nèi)沒(méi)有島嶼、禁飛區(qū)、敵超低空反導(dǎo)火力區(qū)等需要規(guī)避的障礙，且目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸與敵我連線(xiàn)重合，如圖6所示。

由于飛行器沿目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸方向進(jìn)入具有較高的捕獲概率，在已知目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸方位Ba的情況下，一般取目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸方向?yàn)閷?dǎo)彈的主攻擊角（導(dǎo)彈攻擊角：為從真北方向開(kāi)始沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到接敵段導(dǎo)彈理論飛行方向所形成的夾角。導(dǎo)彈攻擊角以真北方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，順時(shí)針為正，值域范圍［0°，360°］。其余航路則在第一條航路的基礎(chǔ)上向左向右依次增加攻擊差角β（β以敵我連線(xiàn)為基線(xiàn)，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)）。

2）目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸與敵我連線(xiàn)不重合

此時(shí)，通常應(yīng)盡可能選擇目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸方向?yàn)閷?dǎo)彈主攻擊角方向。航路解算方法同上所述。

5.2 主攻角、攻擊差角考核方法

確定飛行器攻擊進(jìn)入方向（即攻擊角）是航路規(guī)劃的重要問(wèn)題。因此，主攻角、攻擊差角計(jì)算的正確性、合理性至關(guān)重要。在海圖上，選取不同目標(biāo)類(lèi)型和不同種類(lèi)的目標(biāo)散布，通過(guò)不斷變換目標(biāo)隊(duì)形，分別選取目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸與敵我連線(xiàn)重合、目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸與敵我連線(xiàn)不重合的各種組合［4］。檢驗(yàn)航路規(guī)劃主攻角是否選擇在目標(biāo)散布橢圓長(zhǎng)軸方向，攻擊差角是否在第一條航路的基礎(chǔ)上向左向右依次增加攻擊差角，即檢驗(yàn)主攻角、攻擊差角計(jì)算的正確性、合理性；在選擇齊射時(shí)各枚導(dǎo)彈的攻擊進(jìn)入方向時(shí)，導(dǎo)彈攻擊進(jìn)入方向和雷達(dá)捕捉模式是有效攻擊編隊(duì)中指定目標(biāo)的關(guān)鍵因素，要綜合考慮以下因素：一是考慮是否選擇敵防空薄弱方向或聯(lián)合作戰(zhàn)規(guī)定的協(xié)同攻擊方向作為導(dǎo)彈攻擊進(jìn)入方向；二是考慮是否適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)需要，即各導(dǎo)彈攻擊進(jìn)入方向能否形成多方向攻擊的態(tài)勢(shì)，以分散敵方的抗擊［12］；三是考慮在確定正確的攻擊進(jìn)入方向后的導(dǎo)彈航路規(guī)劃功能，以及使用不同的捕捉模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)編隊(duì)內(nèi)指定目標(biāo)的打擊能力［6］。

6 導(dǎo)彈飛躍障礙物自動(dòng)規(guī)避考核

6.1 障礙物（敵防空火力圈）自動(dòng)規(guī)避檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂己?/p>

自動(dòng)規(guī)避檢驗(yàn)算法可以采用導(dǎo)彈航路與障礙物相交/相切的判定算法，亦可采用其它算法。對(duì)導(dǎo)彈飛行航路上的障礙物（含島嶼、禁飛區(qū)、目標(biāo)防空火力區(qū)域等）進(jìn)行自動(dòng)規(guī)避檢驗(yàn)，以障礙物為一四邊形島嶼和一半徑為R的敵防空火力圈為例進(jìn)行說(shuō)明，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后敵我態(tài)勢(shì)（主攻擊角為0）如圖7所示。

6.2 島嶼多邊形或禁飛區(qū)與航路關(guān)系判定

多邊形島嶼各頂點(diǎn)的命名規(guī)則：以最左邊靠上點(diǎn)為第一點(diǎn)、順時(shí)針排列。由于飛行器發(fā)射位置經(jīng)緯度、目標(biāo)位置經(jīng)緯度、障礙及威脅火力圈圓心經(jīng)緯度、島嶼多邊形各頂點(diǎn)經(jīng)緯度是已知的，設(shè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后敵我態(tài)勢(shì)如圖7所示［11］。以我艦艇位置為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系內(nèi)，被攻擊目標(biāo)的坐標(biāo)為(xt，yt)，敵防空火力圈圓心坐標(biāo)為(xR，yR)，多邊形各頂點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)。

根據(jù)相對(duì)坐標(biāo)建立直線(xiàn)方程或圓方程：

求取直線(xiàn)OM與直線(xiàn)B1B2的交點(diǎn)，即聯(lián)解方程組：

1）如果無(wú)實(shí)數(shù)解，則判定直線(xiàn)OM與直線(xiàn)B1B2不相交，則繼續(xù)判斷直線(xiàn)OM與直線(xiàn)B2B3的交點(diǎn)情況。

2）如果直線(xiàn)OM與直線(xiàn)B1B2有交點(diǎn)，設(shè)交點(diǎn)為()

jx1，jy1，判斷下面的條件是否成立：

注：列寫(xiě)此條件之前要先判斷x1，x2、y1，y2的大小，將坐標(biāo)值小的列寫(xiě)在前面。如果上式不成立，即交點(diǎn)(jx1，jy1)沒(méi)在島嶼多邊形或我艦位置與目標(biāo)艦的范圍內(nèi)，說(shuō)明線(xiàn)段OM與線(xiàn)段B1B2沒(méi)有交點(diǎn)，則應(yīng)繼續(xù)以同樣的方法判斷線(xiàn)段OM與線(xiàn)段B2B3是否相交［2］。

如果上式成立，說(shuō)明線(xiàn)段OM與線(xiàn)段B1B2有交點(diǎn)，即導(dǎo)彈航路與島嶼相交，則終止計(jì)算，舍棄該條航路。

3）如果線(xiàn)段OM與島嶼多邊形任意一條邊相交，則終止計(jì)算，舍棄該條航路。

6.3 敵防空火力圈與航路關(guān)系判定

如圖7所示，判斷線(xiàn)段OM是否與圓R相交，即判斷下式是否成立：

1）如果上式不成立，說(shuō)明直線(xiàn)OM與圓R無(wú)交點(diǎn)，即導(dǎo)彈航路與敵超低空反導(dǎo)火力圈不遭遇；

2）如果上式成立，說(shuō)明直線(xiàn)OM與圓R有交點(diǎn)，然后繼續(xù)判斷交點(diǎn)是否在導(dǎo)彈航路上，即判斷該點(diǎn)是否在線(xiàn)段OM上。

求取直線(xiàn)OM與圓R的交點(diǎn)，即聯(lián)解方程組

顯然，方程組至少有一組解，不妨設(shè)有兩組解(xp1，yp1)、(xp2，yp2)，然后判斷以下條件是否成立：

以上任意一個(gè)條件成立，說(shuō)明線(xiàn)段直線(xiàn)OM與圓R有交點(diǎn)，則舍棄該條航路。

6.4 障礙物及敵防空火力圈自動(dòng)規(guī)避檢驗(yàn)考核

1）在電子海圖上，設(shè)置多個(gè)障礙物與敵防空火力圈，對(duì)于自動(dòng)規(guī)劃出的導(dǎo)彈飛行航路，可以通過(guò)讀取障礙物及敵防空火力圈幾何圖形地理坐標(biāo)，采用導(dǎo)彈航路與障礙物相交/相切的判定算法進(jìn)行逐一檢驗(yàn)［10］。

2）通過(guò)不斷放大電子海圖的比例尺，檢驗(yàn)自動(dòng)規(guī)劃的導(dǎo)彈飛行航路上是否存在障礙物。

3）在電子海圖上設(shè)置威脅源（坐標(biāo)可知），設(shè)計(jì)導(dǎo)彈飛行航路，測(cè)算航路與威脅源最短距離Ri，若Ri大于威脅源火力攻擊距離（雷達(dá)探測(cè)距離），則航路規(guī)劃合理，否則不合理；設(shè)計(jì)不同的威脅源，進(jìn)行上述方法的反復(fù)檢驗(yàn)；同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)鄰近威脅源構(gòu)成威脅網(wǎng)，檢驗(yàn)導(dǎo)彈航路設(shè)計(jì)規(guī)避中的的威脅度［5］。

4）在電子海圖上設(shè)置威脅源（坐標(biāo)可知），設(shè)計(jì)導(dǎo)彈飛行航路，設(shè)計(jì)不同的威脅源，進(jìn)行上述方法的反復(fù)檢驗(yàn)；同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)鄰近威脅源構(gòu)成威脅網(wǎng)，檢驗(yàn)導(dǎo)彈航路設(shè)計(jì)規(guī)避中的的威脅度。

5）利用數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)，檢查生成的航跡是否可以自動(dòng)進(jìn)行地形回避，并利用地形進(jìn)行威脅回避。

6）設(shè)置不同組合的威脅信息（包括威脅的位置、類(lèi)型、覆蓋范圍、信息傳輸能力等）進(jìn)行威脅目標(biāo)的排序檢查，檢查目標(biāo)排序變化合理性［8］。

7 結(jié)語(yǔ)

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件航路規(guī)劃是指根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和已知約束條件通過(guò)科學(xué)的預(yù)先設(shè)計(jì)，使導(dǎo)彈沿著一條優(yōu)化、安全、隱蔽的航路飛向預(yù)定的目標(biāo)區(qū)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的攻擊計(jì)劃與飛行航線(xiàn)，可以充分發(fā)揮導(dǎo)彈的飛行性能，提高其飛行安全性，要導(dǎo)引巡航導(dǎo)彈盡量避開(kāi)敵人的各種防空威脅，滿(mǎn)足飛行的各種物理約束，使巡航導(dǎo)彈具有較高的生存能力和命中精度。有效地提高導(dǎo)彈突防能力和生存能力，以獲取較高的作戰(zhàn)效能。

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Research of Assessment Method for Function of Air Route Planning for Aerobat

LIU WeiguoZHUANG Jincheng
（Unit 91，No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）

The function of air route planning for the aerobat is the important component for the tactics of software.In the evaluation for the air route planning，all factors are demanded to be accounted.According to the weight of the index of the function of the air route，the count of the index and better choose of air route are accomplished.And the capacity of aerobat in antagoni smsurroundings is evaluated.

aerobatair，route planning，assessment，method

V249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.006

2016年12月11日，

2017年1月27日

劉維國(guó)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)及作戰(zhàn)使用。