張艷霞， 呂 輝， 孫兆雨

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000； 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000；3.陸裝駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室，河南 洛陽 471000)

0 引言

空面多目標(biāo)攻擊一次進(jìn)入可同時(shí)攻擊多個(gè)地面/海面目標(biāo)，減少開艙次數(shù)、載機(jī)滯空時(shí)間和攻擊航路，降低投彈時(shí)被探測概率，可大大提高整體作戰(zhàn)能力。目前的多目標(biāo)攻擊主要實(shí)現(xiàn)方式有：基于智能算法進(jìn)行尋優(yōu)的多目標(biāo)攻擊模型[1]，其綜合運(yùn)用蟻群算法、遺傳算法和粒子群算法，該算法依賴于多次迭代計(jì)算，更新時(shí)間不可控，難以直接應(yīng)用于機(jī)載實(shí)時(shí)計(jì)算環(huán)境；多目標(biāo)可攻擊扇區(qū)瞄準(zhǔn)法[2]，該算法實(shí)現(xiàn)在攻擊一個(gè)指定目標(biāo)的同時(shí)，能夠攻擊其他多個(gè)目標(biāo)，適用于空戰(zhàn)環(huán)境，但在空面攻擊時(shí)效能較低?；趨f(xié)同攻擊區(qū)的空空作戰(zhàn)已較為成熟[3-4]，而基于公共投放區(qū)的空面多目標(biāo)攻擊技術(shù)研究較少，因此，本文提出一種基于公共投放區(qū)的空面多目標(biāo)攻擊技術(shù)。主要方法為：某航向下，根據(jù)攻擊列表順序，依次求解列表中各目標(biāo)投放區(qū)與多目標(biāo)公共投放區(qū)(初始為NTB(當(dāng)前列表中第一個(gè)目標(biāo))投放區(qū))的交集，若交集滿足同時(shí)攻擊條件，則更新為多目標(biāo)公共投放區(qū)，列表遍歷完成后，得到該航向下可同時(shí)攻擊的一個(gè)多目標(biāo)批次，依次遍歷進(jìn)入航向，得到能夠攻擊最多目標(biāo)的一個(gè)多目標(biāo)攻擊批次，將對應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)及進(jìn)入航向作為攻擊占位信息，同理，對攻擊列表中剩余目標(biāo)進(jìn)行求解，直到列表中無剩余目標(biāo)，即可得到多個(gè)攻擊批次劃分結(jié)果及對應(yīng)攻擊航路。

1 多目標(biāo)作戰(zhàn)場景

一次多目標(biāo)攻擊過程如圖1所示。

圖1 編隊(duì)多目標(biāo)攻擊過程Fig.1 Process of multi-target attacks

假設(shè)本次攻擊規(guī)劃為圖1中的5個(gè)目標(biāo)，根據(jù)分配給5個(gè)目標(biāo)的武器類型，計(jì)算相應(yīng)的單目標(biāo)投放區(qū)[5]，進(jìn)而計(jì)算多目標(biāo)公共投放區(qū)，可以看出T1和T2存在公共投放區(qū)，且可投放航路符合連續(xù)投彈條件，T3,T4,T5存在公共投放區(qū)，且可投放航路符合連續(xù)投彈條件，故將5個(gè)目標(biāo)分為2個(gè)攻擊批次?？梢?，公共投放區(qū)求解是一種進(jìn)行多目標(biāo)攻擊的求解途徑。

2 公共投放區(qū)模型研究

2.1 公共投放區(qū)

公共攻擊區(qū)是以載機(jī)為中心的各個(gè)目標(biāo)實(shí)時(shí)攻擊區(qū)的公共部分，但該方法計(jì)算得到的多目標(biāo)公共攻擊區(qū)為不規(guī)則的立體空間，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，不易用于工程應(yīng)用[6]。

將攻擊區(qū)從以載機(jī)為中心映射到以地面目標(biāo)為中心，求得各目標(biāo)的投放區(qū)，進(jìn)而得到公共投放區(qū)，可更直觀地完成多目標(biāo)攻擊過程，如圖2所示。

圖2 多目標(biāo)攻擊公共投放區(qū)Fig.2 Public release zone of multi-target attacks

多目標(biāo)可投放區(qū)是指在單機(jī)多目標(biāo)攻擊過程中，存在于預(yù)定攻擊的目標(biāo)集合周圍的一個(gè)空間區(qū)域，載機(jī)在該區(qū)域內(nèi)，只要滿足投放高度、速度和姿態(tài)等約束條件，同時(shí)投放的多枚制導(dǎo)炸彈就能以給定精度、落角命中各自的目標(biāo)，而在此區(qū)域外進(jìn)行投放，就無法保證所有制導(dǎo)炸彈都能有效地命中目標(biāo)。

2.2 公共攻擊區(qū)求解模型研究

單目標(biāo)投放區(qū)可以為一個(gè)多邊形區(qū)域，那么公共投放區(qū)求解問題就可以看作是兩個(gè)任意多邊形求解問題。

以多邊形1(ABCDEFGH)和多邊形2(A1B1C1D1E1F1G1H1)為例說明多邊形交集求解模型,如圖3所示。

圖3 多邊形交集示意圖Fig.3 Intersection of polygons

求解步驟如下：

1) 將兩個(gè)多邊形各點(diǎn)存儲在鏈表中；

2) 首先遍歷兩個(gè)多邊形各邊求解的交點(diǎn)，若存在交點(diǎn)，則分別鏈接至對應(yīng)頂點(diǎn)后；

3) 遍歷各頂點(diǎn)計(jì)算公共區(qū)域，找到兩個(gè)多邊形公共頂點(diǎn)存儲為交集區(qū)域的起始點(diǎn)，即為圖中的N；

4) 求解公共投放區(qū)，從交集的表頭N開始判斷N和N的next1點(diǎn)D(在多邊形1中的下一個(gè)點(diǎn))的中點(diǎn)是否在多邊形2中，若在，則鏈接該點(diǎn)，否則，改變方向，向next2點(diǎn)(在多邊形2中的下一個(gè)點(diǎn))擴(kuò)展，判斷M和M的next2點(diǎn)H1的中點(diǎn)是否在多邊形1中，若在就繼續(xù)擴(kuò)展，到A1點(diǎn)后，A1的next2點(diǎn)N為起始點(diǎn)，多邊形閉合，求解完畢。

2.3 最長攻擊航路及進(jìn)入點(diǎn)計(jì)算

假設(shè)公共投放區(qū)在NTB直角坐標(biāo)系的位置如圖4所示，求解進(jìn)入該公共投放區(qū)的最長進(jìn)入航向及對應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)，分為以下兩種情況。

圖4 最長航向計(jì)算示意圖Fig.4 Calculation of heading with the longest attacking route

1) 載機(jī)航向可偏移。

在規(guī)劃航路階段，載機(jī)未進(jìn)入完成該批次攻擊占位，其進(jìn)入點(diǎn)可在[Zmin,Zmax]區(qū)間內(nèi)變化，求解時(shí)每隔一個(gè)ΔZ，作一條平行于X軸的直線，求解該直線與投放區(qū)的交集并從小到大排序得到交點(diǎn)為：x0，x1，…，x2k+1，，則對應(yīng)的航路段長度為

L=L0+L1+…+Li+…+Lk

(1)

式中：

Li=x2i+1-x2i。

(2)

通過比較求得所有交線中最長的航路段長Lmax及對應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)坐標(biāo)(x2i,z2i)及離開點(diǎn)坐標(biāo)(x2i+1,z2i+1)。

2) 航向不可偏移。

當(dāng)設(shè)定載機(jī)進(jìn)入航線，在飛行航線上進(jìn)行多目標(biāo)攻擊，此時(shí)，載機(jī)航向不可偏移，求解時(shí)，求過載機(jī)當(dāng)前位置的直線z=zNTB與投放區(qū)的交集，并求解對應(yīng)的最長的航路段長Lmax及對應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)坐標(biāo)(x2 i，z2 i)及離開點(diǎn)坐標(biāo)(x2i+1,z2i+1)。

3 多目標(biāo)攻擊模型研究

3.1 多目標(biāo)攻擊模塊作戰(zhàn)使用

多目標(biāo)攻擊模塊與其他模塊的交互關(guān)系如圖5所示。

圖5 多目標(biāo)攻擊模塊與其他模塊的交互關(guān)系Fig.5 Interaction between multi-targetattacking module and other modules

火控解算模塊根據(jù)雷達(dá)、光雷傳感器及友機(jī)、指揮中心獲取的目標(biāo)信息，慣導(dǎo)、GPS、大氣機(jī)獲取的載機(jī)信息，外掛獲取的武器信息,以及指揮中心或長機(jī)獲取的任務(wù)信息進(jìn)行威脅評估，進(jìn)而進(jìn)行編隊(duì)內(nèi)目標(biāo)分配，各目標(biāo)攻擊武器類型匹配，然后，多目標(biāo)攻擊模塊根據(jù)當(dāng)前攻擊列表及匹配武器類型，進(jìn)行NTB與其他目標(biāo)公共投放區(qū)的解算，求解在滿足攻擊NTB目標(biāo)的同時(shí)，兼顧攻擊更多目標(biāo)的目標(biāo)集合及攻擊進(jìn)入點(diǎn)與最優(yōu)進(jìn)入航向，進(jìn)而生成攻擊航路，引導(dǎo)戰(zhàn)斗機(jī)攻擊占位[7-8]?；鹂亟馑隳K將解算的多目標(biāo)攻擊結(jié)果、攻擊航路、進(jìn)入航向、攻擊提示信息、攻擊決策信息以及評估信息送顯示器顯示，在網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜戰(zhàn)場中，為飛行員提供更多、更有效的引導(dǎo)信息，輔助飛行員作戰(zhàn)[9]。

3.2 多目標(biāo)攻擊模型研究

基于公共投放區(qū)的多目標(biāo)攻擊求解過程如圖6所示。

圖6 多目標(biāo)攻擊解算流程Fig.6 Calculation of multi-target attacks

當(dāng)輸入的多目標(biāo)攻擊解算有效字為1且目標(biāo)未分配完畢時(shí)，進(jìn)行本次多目標(biāo)攻擊解算，若指定進(jìn)入航向，進(jìn)行該航向下的多目標(biāo)攻擊解算，否則，遍歷進(jìn)入航向，若本次航向下的多目標(biāo)攻擊結(jié)果比之前記錄的解算結(jié)果更優(yōu)(可同時(shí)攻擊目標(biāo)數(shù)目更多，或同樣目標(biāo)數(shù)目下可投放航路段更長)，更新記錄的多目標(biāo)解算結(jié)果，否則解算結(jié)果保持不變，航向遍歷完成后，得到本次多目標(biāo)解算結(jié)果，包括公共投放區(qū)信息、可同時(shí)攻擊的目標(biāo)數(shù)、目標(biāo)編號、進(jìn)入航向、進(jìn)入點(diǎn)等。同理，依次求解剩余目標(biāo)可同時(shí)攻擊批次信息，直至攻擊列表所有目標(biāo)被分配完畢，即可得到多個(gè)攻擊結(jié)果及對應(yīng)攻擊進(jìn)入點(diǎn)及進(jìn)入航向，引導(dǎo)飛行員或無人機(jī)攻擊占位。

由圖6可知，多目標(biāo)攻擊解算中的關(guān)鍵計(jì)算模型為指定航線下的多目標(biāo)攻擊解算，其解算流程如圖7所示。

圖7 指定航向下的多目標(biāo)攻擊解算流程Fig.7 Calculation of multi-target attacks on designated heading

首先計(jì)算NTB目標(biāo)的投放區(qū)，作為公共投放區(qū)的初始解，再遍歷計(jì)算非NTB目標(biāo)的投放區(qū)，并將其與公共投放區(qū)進(jìn)行交集運(yùn)算，若交集不存在，則直接跳過該目標(biāo)，若交集存在，則計(jì)算該航向通過公共投放區(qū)的最長航路，若最長航路滿足多目標(biāo)投彈條件，則更新計(jì)算結(jié)果，否則公共投放區(qū)保持不變；遍歷完所有目標(biāo)后，輸出該航向下最優(yōu)的多目標(biāo)投放方案。

4 仿真研究

設(shè)計(jì)多目標(biāo)攻擊仿真軟件，軟件根據(jù)輸入?yún)?shù)文件計(jì)算多目標(biāo)攻擊結(jié)果，并進(jìn)行界面顯示，驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)的正確性及合理性[10]。

4.1 同種武器多目標(biāo)攻擊仿真(仿真1)

假設(shè)飛機(jī)攜帶5枚相同的衛(wèi)星制導(dǎo)炸彈，攻擊5個(gè)目標(biāo)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 多目標(biāo)攻擊仿真1結(jié)果Fig.8 Multi-target attacking result of Simulation 1

圖8中，紅色區(qū)域?yàn)榍蠼獾墓餐斗艆^(qū)區(qū)域，藍(lán)色線為進(jìn)入航線，結(jié)果顯示，本次可同時(shí)攻擊5個(gè)目標(biāo)以及可同時(shí)攻擊的目標(biāo)編號、進(jìn)入航線、進(jìn)入點(diǎn)信息等。

4.2 不同武器多目標(biāo)攻擊仿真(仿真2)

假設(shè)飛機(jī)攜帶3枚不同的制導(dǎo)炸彈，攻擊3個(gè)目標(biāo)，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 多目標(biāo)攻擊仿真2結(jié)果Fig.9 Multi-target attacking result of Simulation 2

5 結(jié)論

多目標(biāo)攻擊的仿真試驗(yàn)結(jié)果說明公共投放區(qū)算法模型正確可行，系統(tǒng)能夠正確進(jìn)行多目標(biāo)攻擊解算，解算結(jié)果正確，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?。在待攻擊目?biāo)中，依次進(jìn)行多目標(biāo)攻擊解算，可將所有目標(biāo)劃分為可同時(shí)攻擊的多個(gè)多目標(biāo)批次，根據(jù)各批次對應(yīng)的進(jìn)入點(diǎn)，進(jìn)而得到多目標(biāo)攻擊區(qū)航路，解算結(jié)果可以引導(dǎo)飛行員攻擊占位及多目標(biāo)攻擊。