劉玉亮 安景新 劉 忠 張建強(qiáng)

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇九研究所 武漢 430205)(2.海軍駐天津八三五七所軍事代表室 天津 300308)(3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

?

艦機(jī)協(xié)同防空中的沖突檢測*

劉玉亮1安景新2劉 忠3張建強(qiáng)3

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇九研究所 武漢 430205)(2.海軍駐天津八三五七所軍事代表室 天津 300308)(3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

在當(dāng)今防空作戰(zhàn)情況下中,艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)成為了當(dāng)前防空作戰(zhàn)的主要方式,但是艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中作戰(zhàn)空域會出現(xiàn)各類沖突。為保障作戰(zhàn)單位的安全,有效對沖突進(jìn)行探測,獲得沖突信息,論文利用網(wǎng)格法對艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中的空域進(jìn)行分割,形成空域單元,研究了各類作戰(zhàn)平臺對空域的使用情況,提出了基于網(wǎng)格法的沖突探測方法。

艦機(jī)協(xié)同; 網(wǎng)格法; 空域單元; 沖突檢測

Class Number E837

1 引言

在現(xiàn)代高科技海洋戰(zhàn)爭中,艦艇與航空兵的聯(lián)合作戰(zhàn)是未來的發(fā)展趨勢。組織好兩種兵力相互之間的協(xié)同,可以構(gòu)建起有效的防空體系[1～3]。但是由于艦艇在對空作戰(zhàn)中使用導(dǎo)彈與艦炮進(jìn)行防空與反導(dǎo)任務(wù),武器系統(tǒng)在使用的過程中會與己方的航空兵產(chǎn)生空域上沖突,此時則需要對艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)中的空域進(jìn)行規(guī)劃,有效地對沖突進(jìn)行檢測。

2 作戰(zhàn)空域模型

空域資源指作戰(zhàn)行動開展和實施所處的空間。在協(xié)同防空作戰(zhàn)中執(zhí)行平臺機(jī)動或武器射擊等戰(zhàn)術(shù)行動時,必須考慮各作戰(zhàn)單位之間的空間位置關(guān)系,避免兩者在空間使用上產(chǎn)生沖突,以防止誤撞、誤傷或誤擊事故的發(fā)生[4～6]。因此需要合理地對空域進(jìn)行劃分和規(guī)劃,對沖突進(jìn)行消解。

2.1 網(wǎng)格法劃分空域

圖1 空域單元劃分模型

選取空域中水面艦艇所在點O作為坐標(biāo)系原點,建立平面直角坐標(biāo)系O-XY,OX指向正東,OY指向正北,將整個空域劃分為邊長為d的正方形,將該方格作為空域單元,如圖1所示。

由圖1可見,每一個空域單元的中心可以由公式獲得該空域單元的中心,為各空域單元左下坐標(biāo)點,(m,n)為空域單元左下坐標(biāo)點,為計算空域是否占用中提供了便利[7～8]。

2.2 作戰(zhàn)單元空域

在艦機(jī)協(xié)同防空作戰(zhàn)中,作戰(zhàn)單元包括水面艦艇、航空兵以及導(dǎo)彈,以上作戰(zhàn)單元都包含在作戰(zhàn)空域,本文中根據(jù)各作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)效能對該單元的空域進(jìn)行了規(guī)劃[9]。

1) 水面艦艇空域

對于水面艦艇,主要由武器系統(tǒng)占據(jù)空域,水面艦艇上不同的武器系統(tǒng)作用距離和任務(wù)不同,射界不同,導(dǎo)致水面艦艇占據(jù)的空域由多個環(huán)形組成,其中單個環(huán)形占據(jù)如圖2所示。

2) 空中單位空域

對于空中單位所占空域,主要由導(dǎo)彈與航空兵組成,其中分為航空兵航路以及導(dǎo)彈航路,如圖3所示。

圖2 艦艇武器系統(tǒng)空域

圖3 航路空域模型

由圖4可以看出,由于導(dǎo)彈等空中單位的航路通常為曲線,因此在實際計算中,首先將各空域單元中的曲線轉(zhuǎn)化為直線,對于等效后的曲線可以視為由多條直線段構(gòu)成,但是由于部分直線段與相鄰的直線段夾角約為π/2,因此可以對部分直線段進(jìn)行合并,簡化空域單元調(diào)用時間的計算復(fù)雜程度[10]。

3 空域調(diào)用判據(jù)

由前文可知,對于空域資源占用判據(jù)可以轉(zhuǎn)化為對空域單元格的調(diào)用判定。因此,在這里定義,將作戰(zhàn)單元視為質(zhì)點,當(dāng)該單元完全進(jìn)入某一空域單元格中時,認(rèn)為該空域單元被調(diào)用;若該作戰(zhàn)單元處于空域單元格之間時,認(rèn)為處于上一個空域單元中。

一般情況下,可以通過對航路上每一個點是否處于空域單元格內(nèi)對是否調(diào)用進(jìn)行判斷。但是實際上,可以利用直線距離空域單元格中心的距離來判斷。

圖4 航跡曲線等效圖

圖5 空域占用判據(jù)

由圖可得,當(dāng)空域單元中心O距離航路直線距離小于中心到頂點的距離時,則認(rèn)為該航路經(jīng)過該空域單元,即:

即:

此時該空域單元會被航路占用。同時,對于空域調(diào)用的時間,以作戰(zhàn)單位進(jìn)入該空域單元邊界的時刻作為起始時間,以離開該空域單元邊界的時刻作為結(jié)束時間。當(dāng)作戰(zhàn)單位以速度v沿航路在空域單元中經(jīng)過時,占用時間為

其中,lmn為航路在該空域單元中的長度。

同理,該方法可以對武器系統(tǒng)空域的邊界進(jìn)行判定,對于所有邊界經(jīng)過的區(qū)域認(rèn)為該空域單元被調(diào)用,內(nèi)部包含的空域單元為武器系統(tǒng)調(diào)用的空域單元。調(diào)用時間為武器系統(tǒng)從啟動到打擊結(jié)束的時間。

4 空域沖突檢測

在按照網(wǎng)格法對空域中的沖突進(jìn)行探測時,將空域分為多種類型。第一類為航路空域,即導(dǎo)彈航路及航空兵航路,該類型空域始終位于整體空域中,直至使用該空域的單位被摧毀或離開整體空域;第二類為水面艦艇武器系統(tǒng)空域,該類型空域在武器系統(tǒng)未被激活時并未在界面上顯示,只有當(dāng)武器系統(tǒng)被賦予作戰(zhàn)任務(wù)時調(diào)用空域,則該武器系統(tǒng)空域調(diào)用空域單元格。

想要取得較為理想的效果,基本要求是:能夠?qū)τ跊_突及時發(fā)現(xiàn),能夠有效分辨沖突類型,沖突時序圖如圖6所示。

圖6 沖突時序圖

由圖4可得,在進(jìn)行沖突檢測時,要根據(jù)以下兩個基本原則:

1) 在相同時序內(nèi)占用相同類型的空域單元時,發(fā)生沖突。

2) 在相同時序內(nèi)占用不同類型的空域單元時,需進(jìn)行判定沖突是否發(fā)生。

其中,當(dāng)在相同時序內(nèi)占用不同類型的空域單元時,進(jìn)行沖突判定,若此時武器系統(tǒng)空域還未進(jìn)入激活狀態(tài),則未發(fā)生沖突;若武器系統(tǒng)空域已經(jīng)進(jìn)入激活狀態(tài),則發(fā)生沖突。

對于某一空域單元,同時擁有多個狀態(tài),可以作為一個矩陣,即:

因此整個空域可以視為由多個狀態(tài)矩陣組成的矩陣,即:

一旦各作戰(zhàn)單位在某一個或幾個空域單元發(fā)生沖突,可以迅速通過從矩陣中找到?jīng)_突的位置。在矩陣Amn中,可以將所有狀態(tài)取值為0和1,當(dāng)該矩陣為空矩陣,即當(dāng)該矩陣中所有數(shù)值均為0時,該空域未被調(diào)用;當(dāng)有某一作戰(zhàn)單元或武器系統(tǒng)調(diào)用該空域時,將其在矩陣Amn中狀態(tài)變?yōu)?,此時表示該空域單元被調(diào)用;當(dāng)空域中包含兩個及以上的非零數(shù)據(jù)時,則認(rèn)為該空域單元中發(fā)生沖突。

5 實例分析

假設(shè)以水面艦艇所在位置為直角坐標(biāo)系原點,對空域進(jìn)行劃分,空域單元大小為1000m,飛行器A1坐標(biāo)為(-2,1),飛行器A2坐標(biāo)為(3,-2.5),飛行器A3坐標(biāo)為(2,1)。飛行器的飛行計劃已經(jīng)規(guī)劃完畢,飛行速度為200m/s。當(dāng)前時刻T=0,水面艦艇在時刻T=2沿方向左舷45°發(fā)射一枚導(dǎo)彈,速度為600m/s,整體態(tài)勢如圖7所示,整體沖突檢測效果如圖8所示。

圖7 空域態(tài)勢圖

圖8 沖突檢測效果圖

序號位置沖突單位沖突時間1A-32，32()飛行器A1和導(dǎo)彈[4．35，6．71]∩[0，5．44]2A-32，-72()飛行器A3和限制區(qū)域[21．36，26．01]3A-52，-72()飛行器A3和限制區(qū)域[26．01，30．66]

由上述圖標(biāo)可以得出,該方法可以有效對空域中產(chǎn)生的各類沖突進(jìn)行檢測,并給出相應(yīng)的沖突類型及沖突信息。

6 結(jié)語

本文主要通過利用基于網(wǎng)格法分割空域的方法對空域中可能出現(xiàn)的沖突進(jìn)行檢測,經(jīng)過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以有效探測出空域中的各類沖突。但是由于對空作戰(zhàn)任務(wù)中情況負(fù)責(zé)多變,不能單純地在二維平面中進(jìn)行分析,因此需要對下一步工作進(jìn)行拓展,在三維直角坐標(biāo)系中進(jìn)行分析,進(jìn)一步提高沖突檢測方法的實用性和有效性。

[1] 徐圣亮,姜青山,張培珍,等.艦機(jī)協(xié)同防空作戰(zhàn)理論的研究與進(jìn)展[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010,32(7):135-139.

[2] O’NEIL W D. The cooperative engagement capability(CEC) transforming naval anti-air warfare[D]. Center for Technology and National Security Policy,2007.

[3] 張最良.軍事運籌學(xué)[M].北京:軍事科學(xué)出版社,1993.

[4] 吳紅星,葉志林,沈培華,等.艦機(jī)協(xié)同防控體系構(gòu)建及效能[J].四川兵工學(xué)報,2008,29(6):96-97.

[5] HWANG J. S Analysis of effectiveness of CEC(Cooperative Engagement Capability) Using Schutzer’s C2 Theory[D]. Naval Postgraduate School,2003,12.

[6] HOPK INS J. The cooperative engagement capability[J]. APL Technical Digest,1995.

[7] 余亮,邢昌風(fēng),石章松.協(xié)同防空作戰(zhàn)中的空域資源建模研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2014(1).

[8] Reich P G. Analysis of Long-range air traffic system, Separation standards[J]. Journal of Institute of Navigation,1966,19(1):1-12.

[9] Hu J H, Lygeros J, Prandidi M, et al. Aircraft conflict prediction and resolution using Brownian motion[C]//Phoenix A Z. Proc IEEE Conf Decision Control,1999,12(1):2438-2443.

[10] Parimal Kopardekar, Karl Bilmoria, Banavar Sridhar. Initial Concepts for Dynamic Airspace Configuration[C]//7thAIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference(ATIO),2007:18-20.

Conflict Detection of Warship-aircraft Cooperatively Anti-aircraft

LIU Yuliang1AN Jingxin2LIU Zhong3ZHANG Jianqiang3

(1. 709thResearch Insititure, China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430205) (2. Representative Office of Navy in 8357 Reseaich Institute, Tianjin 300308) (3. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In the situation of air combat, the warship-aircraft cooperatively anti-aircraft become the main form of air defense, but there are many conflicts in airspace. In order to guarantee the safety of the unit, the conflicts are detected effectually and the information of conflicts is obtained. In this paper, the airspace of warship-aircraft cooperatively anti-aircraft is comminuted by using the grid method and the airspace cells are obtained. The use of various kinds of platforms of airspace is studied, and a detection method of conflict based on grid method is proposed.

warship-aircraft cooperatively anti-aircraft, grid method, airspace cell, conflict detection

2015年2月3日,

2015年3月27日

劉玉亮,男,碩士,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。安景新,男,碩士,研究方向:系統(tǒng)工程。劉忠,男,教授,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。

E837

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.010