殷 哲 閆抒升 李連華 李廣強(qiáng)

（空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019）

1 引言

雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練模型中心是雷達(dá)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(lèi)模型資源，并對(duì)模型進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用和管理，為各類(lèi)訓(xùn)練信息系統(tǒng)和訓(xùn)練模擬器材運(yùn)行提供模型服務(wù)，從而產(chǎn)生并輸出各類(lèi)目標(biāo)實(shí)體數(shù)據(jù)，使得雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練更加貼近實(shí)戰(zhàn)，提升模擬訓(xùn)練質(zhì)量效益。飛機(jī)目標(biāo)行為模型是模型中心的模型資源庫(kù)中重要目標(biāo)模型之一，可為雷達(dá)模擬器提供飛機(jī)目標(biāo)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練自動(dòng)生成想定航線(xiàn)的基礎(chǔ)模型。因此，構(gòu)建飛機(jī)目標(biāo)行為模型是建設(shè)雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練模型中心的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)的航跡模擬仿真已經(jīng)比較成熟，例如文獻(xiàn)［1～7］提出飛機(jī)目標(biāo)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模型、圓弧運(yùn)動(dòng)模型、跑道線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模型、“∞”字運(yùn)動(dòng)模型等典型運(yùn)動(dòng)模型；文獻(xiàn)［8～9］還提出了預(yù)警機(jī)跑道形和橫8字形巡邏航線(xiàn)?？偟膩?lái)看，現(xiàn)有資料主要對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的典型運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了研究或基于上述模型對(duì)預(yù)警機(jī)雷達(dá)探測(cè)進(jìn)行了分析。雖然提出了空中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型在模擬仿真想定生成中的運(yùn)用，但也僅描述了飛機(jī)目標(biāo)在空中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并未描述飛機(jī)目標(biāo)從起飛、執(zhí)行任務(wù)到降落的完整過(guò)程，而這一實(shí)際過(guò)程是完成雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練探測(cè)飛機(jī)目標(biāo)的關(guān)鍵組成部分。此外，文獻(xiàn)中大多通過(guò)給定的多個(gè)航路點(diǎn)綜合成一條多邊形航線(xiàn)，進(jìn)行曲線(xiàn)擬合從而生成航線(xiàn)或是將飛機(jī)典型運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行組合，在二維態(tài)勢(shì)圖上拖動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行拐點(diǎn)定位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)給定任務(wù)區(qū)域及要求即自動(dòng)生成目標(biāo)航線(xiàn)。

本文基于飛機(jī)目標(biāo)典型運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合雷達(dá)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(duì)預(yù)警模擬訓(xùn)練中飛機(jī)目標(biāo)行為模型進(jìn)行了分類(lèi)及分析研究，提出了想定生成模型，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容，輸入邊界控制條件，從而自動(dòng)生成想定航線(xiàn)，完整描述飛機(jī)目標(biāo)起降、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程的功能。相較于當(dāng)前手動(dòng)繪制想定航線(xiàn)時(shí)只能就單批想定目標(biāo)繪制航線(xiàn)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(jī)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(jī)目標(biāo)想定模型分為如下三類(lèi)：

1）“轉(zhuǎn)場(chǎng)想定模型”是指飛機(jī)從起始地點(diǎn)機(jī)動(dòng)至預(yù)定地點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)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(shí)間和空域內(nèi)，使用少量兵力進(jìn)行空中巡查、警戒；模擬使用航空器進(jìn)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(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域巡邏和規(guī)劃航線(xiàn)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(jìn)行領(lǐng)航等專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

3 飛機(jī)目標(biāo)想定生成算法

3.1 飛機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)場(chǎng)想定模型

在轉(zhuǎn)場(chǎng)想定生成的算法中，通過(guò)確定飛機(jī)的起始位置（控制點(diǎn)）、高度和目標(biāo)速度和飛行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)航線(xiàn)自動(dòng)生成。如圖1所示，首先根據(jù)想定內(nèi)容確定起始點(diǎn)A、F，轉(zhuǎn)場(chǎng)模型中需要經(jīng)歷爬升運(yùn)動(dòng)階段AB、改平階段BC、直線(xiàn)飛行階段CD、俯沖預(yù)備階段DE和俯沖運(yùn)動(dòng)階段EF。

圖1 轉(zhuǎn)場(chǎng)模型側(cè)視平面圖

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

俯沖階段EF中，飛機(jī)俯仰角為?α，做減速運(yùn)動(dòng)，模型與上式一致。

圖中BC、DE階段，通過(guò)調(diào)整俯仰角α實(shí)現(xiàn)飛機(jī)改平和俯沖的航向變換。

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中，C、D點(diǎn)坐標(biāo)為C(XC,YC,?)，D(XD,YD,?)，飛機(jī)目標(biāo)沿航向β運(yùn)動(dòng)，在任一Ci時(shí)刻速度為Vi，設(shè)置增速后速度為VM，則模型自動(dòng)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)所設(shè)定型號(hào)飛機(jī)該高度層常用加速度a，按照仿真步長(zhǎng) ?t推算目標(biāo)飛行位置，在每一個(gè)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(yùn)動(dòng)并按照勻速運(yùn)動(dòng)模型推算，否則繼續(xù)按照加速運(yùn)動(dòng)模型推算，其推算模型為

在基于仿真步長(zhǎng)推算過(guò)程中，需要在每一個(gè)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(yùn)動(dòng)并按照勻速運(yùn)動(dòng)模型推算，否則繼續(xù)按照加速運(yùn)動(dòng)模型推算。

3.2 飛機(jī)目標(biāo)警巡想定模型

生成飛機(jī)目標(biāo)警巡模型的想定模型時(shí)，通過(guò)確定警戒巡查地域的中心點(diǎn)坐標(biāo)、警巡范圍、飛機(jī)起降點(diǎn)坐標(biāo)、飛行高度、飛行速度和飛行時(shí)間，來(lái)自動(dòng)生成想定航線(xiàn)。如圖2所示，首先，根據(jù)預(yù)先確定的航線(xiàn)中心點(diǎn)M與特征點(diǎn)之間的位置關(guān)系，模型自動(dòng)確定航線(xiàn)特征點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)。其次，模型處理時(shí)，由于警巡想定模型可以分解為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模型AC、DE、EA和圓弧運(yùn)動(dòng)模型CD、EB的組合，因此生成航線(xiàn)時(shí)可以基于不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分段處理，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)階段可參考前述相關(guān)內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)方向如圖2所示，完成警巡后，飛機(jī)從E點(diǎn)返回起始點(diǎn)A。

圖2 警巡模型俯視平面圖

計(jì)算圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，以CD段為例：

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

2）根據(jù)想定計(jì)劃確定飛機(jī)轉(zhuǎn)彎方向；

3）根據(jù)C點(diǎn)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(diǎn)的距離（EO≥r）；

5）OE的矢量方向：K1=a*tan(YE?YOXE?XO)；

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

當(dāng)飛機(jī)目標(biāo)向右轉(zhuǎn)時(shí)：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(lái)確定D點(diǎn)位置。假定飛機(jī)轉(zhuǎn)彎坡度為45°，且飛機(jī)在第i?1個(gè)仿真步長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束時(shí)位于點(diǎn)Wi?1，經(jīng)過(guò)一個(gè)仿真步長(zhǎng) ?t，到達(dá)點(diǎn)Wi處，航向?yàn)棣?，切向速度為V，那么點(diǎn)Wi的坐標(biāo)為

（1）飛機(jī)向左轉(zhuǎn)時(shí)

3.3 飛機(jī)目標(biāo)訓(xùn)飛想定模型

確定訓(xùn)飛區(qū)域和中心點(diǎn)O的位置信息，輸入飛行高度、速度、時(shí)間，算法根據(jù)O點(diǎn)與控制點(diǎn)E、F的位置關(guān)系確定E、F點(diǎn)坐標(biāo)，來(lái)自動(dòng)生成想定航線(xiàn)。其中，飛行時(shí)間不小于飛機(jī)完成一次訓(xùn)飛任務(wù)的時(shí)間。如圖3所示，航線(xiàn)由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)組成。其中O→B、C→D、A→O為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)階段；B→C、D→A為圓弧運(yùn)動(dòng)階段。仿真時(shí)，可分別參照前述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)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(jī)目標(biāo)想定自動(dòng)生成仿真

4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

由于仿真過(guò)程中需要用到機(jī)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(shì)信息系統(tǒng)（MGS）的2D和3D態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)不一致等問(wèn)題，本文中的模型處理采用WGS-84大地坐標(biāo)（L，B，h），機(jī)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(fù)向。構(gòu)建模型時(shí)，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(jìn)行圖形數(shù)據(jù)顯示［11～13］。

4.2 飛機(jī)目標(biāo)想定模型生成仿真

以南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)（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(shí)間為各想定模型至少完成一次任務(wù)為時(shí)間起點(diǎn)，仿真步長(zhǎng)為均為0.4s，仿真結(jié)果如下。

1）轉(zhuǎn)場(chǎng)想定模型以南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)（經(jīng)緯度：118.78，32.05）至北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)（經(jīng)緯度：116.5，39.37）航線(xiàn)為例，飛機(jī)從南京至北京的轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)中，模擬飛機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程的爬升、改平、平直飛行、減速飛行、低頭、俯沖等運(yùn)動(dòng)。其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 飛機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)場(chǎng)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(diǎn)為飛機(jī)初始位置，巡航2圈，警巡區(qū)域范圍如圖5所示。仿真過(guò)程中，輸入中心點(diǎn)B（117.5，33.25，8035）的經(jīng)緯度坐標(biāo)，模型開(kāi)始自動(dòng)生成飛機(jī)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(xiàn)。

圖5 飛機(jī)目標(biāo)警巡模型仿真示例

3）訓(xùn)飛想定模型飛機(jī)目標(biāo)飛行訓(xùn)練中，通常采用“∞”字飛行路徑進(jìn)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(jī)從A（118.8，32.05，300）地起飛，以B（118.8，32.04，8305）為中心點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練飛行，繞行2圈，最終返回A地。

圖6 飛機(jī)目標(biāo)訓(xùn)飛模型仿真示例

5 自動(dòng)生成實(shí)現(xiàn)

生成想定模型的過(guò)程主要是由想定自動(dòng)生成軟件調(diào)用模型資源庫(kù)中的飛機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)換和編輯，進(jìn)而生成飛機(jī)目標(biāo)想定模型的仿真數(shù)據(jù)，由態(tài)勢(shì)顯示工具加載仿真數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)并同步數(shù)字地圖展現(xiàn)給用戶(hù)。

5.1 想定自動(dòng)生成軟件構(gòu)成

如圖7（a）中，想定編輯部件即為想定自動(dòng)生成軟件。其架構(gòu)如圖7（b）所示，實(shí)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(dòng)后，背景想定編輯模塊調(diào)用想定數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)算處理提供支持。

圖7 想定自動(dòng)生成軟件構(gòu)成

5.2 飛機(jī)目標(biāo)想定模型解算流程

想定生成的算法實(shí)現(xiàn)邏輯如圖8所示，為了得到比較可靠的航線(xiàn)數(shù)據(jù)，想定自動(dòng)生成軟件可根據(jù)腳本信息自動(dòng)設(shè)置合適的步長(zhǎng)，還可根據(jù)需要在編輯界面手動(dòng)修改。本文演示的飛機(jī)目標(biāo)步長(zhǎng)為0.4s，即每隔0.4s計(jì)算飛機(jī)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(jī)目標(biāo)自動(dòng)生成實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step1 啟動(dòng)仿真。想定生成軟件調(diào)用飛機(jī)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(jī)目標(biāo)當(dāng)前位置和速度等狀態(tài)信息，獲取目標(biāo)點(diǎn)信息。

Step3 模型解算。根據(jù)步長(zhǎng)和最近更新時(shí)間迭代計(jì)算，計(jì)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(jìn)行直線(xiàn)飛行或曲線(xiàn)飛行，同時(shí)更新一個(gè)積分步長(zhǎng)內(nèi)的飛機(jī)速度和位置等狀態(tài)信息。

Step4 判斷飛機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)或到達(dá)當(dāng)前仿真時(shí)間，若滿(mǎn)足其一，則記錄并更新飛機(jī)狀態(tài)信息，結(jié)束仿真輸出態(tài)勢(shì)信息至雷達(dá)模擬器；若均為到達(dá)，則重復(fù)進(jìn)行step3，直至飛機(jī)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)或當(dāng)前仿真時(shí)間。

5.3 應(yīng)用實(shí)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(lèi)型、區(qū)域范圍、中心點(diǎn)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(kāi)始后，軟件根據(jù)輸入的參數(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)生成并進(jìn)行二維態(tài)勢(shì)顯示，顯示內(nèi)容加載在電子地圖上，同時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)總線(xiàn)供雷達(dá)模擬器調(diào)用。如圖9所示的飛機(jī)目標(biāo)航線(xiàn)為想定生成軟件產(chǎn)生的“轉(zhuǎn)場(chǎng)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(yǔ)

飛機(jī)目標(biāo)想定的生成效率越高，越符合實(shí)際，對(duì)雷達(dá)預(yù)警模擬訓(xùn)練的促進(jìn)作用就越顯著。本文通過(guò)研究和仿真模擬，提出了具有戰(zhàn)術(shù)實(shí)踐意義的飛機(jī)目標(biāo)行為想定自動(dòng)生成的方法。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，本文提出的三種基于飛機(jī)目標(biāo)行為的想定自動(dòng)生成模型，能夠較好地模擬作戰(zhàn)飛機(jī)的典型戰(zhàn)術(shù)行為，滿(mǎn)足模擬訓(xùn)練需求，提高訓(xùn)練效率，能夠?yàn)槔走_(dá)模擬器探測(cè)飛機(jī)目標(biāo)提供快速有效的數(shù)據(jù)支撐。