孫兆雨,張安柯

(1 光電控制技術重點實驗室,河南洛陽 471000; 2 中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所,河南洛陽 471000)

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中遠距空空導彈射后效能動態(tài)評估

孫兆雨1,2,張安柯2

(1 光電控制技術重點實驗室,河南洛陽 471000; 2 中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所,河南洛陽 471000)

針對中遠程空空導彈發(fā)射后的效能評估問題,文中提出了基于導彈射后攻擊區(qū)的動態(tài)效能評估方法,闡述了動態(tài)評估的方案、原理和模型。并基于某型中距空空導彈數學模型,驗證了在典型空戰(zhàn)態(tài)勢下該評估方法的作用。仿真表明,基于射后攻擊區(qū)的動態(tài)評估技術能夠為飛行員提供更多態(tài)勢信息,有利于提高作戰(zhàn)效能。

動態(tài)效能評估;態(tài)勢感知;射后攻擊區(qū)

0 引言

超視距空空導彈[1]的研制和使用,使得超視距(beyond visual range,BVR)空戰(zhàn)已經成為現(xiàn)代空中作戰(zhàn)的主要打擊形式之一[2]。但目前仍存有兩個問題:

問題一:超視距空空導彈發(fā)射所使用的三線攻擊區(qū)由最大可攻擊區(qū)、最小可攻擊區(qū)、不可逃逸攻擊區(qū)級成。而不可逃逸攻擊區(qū)和最大可攻擊區(qū)之間存在幾十公里的空檔,在此之間發(fā)射導彈,飛行員在幾十秒內都無法得到關于導彈的效能信息，只能盲目等待。

問題二:超視距空空導彈的中制導過程通常采用指令+慣導的制導方式[3],這需要載機發(fā)射導彈以后仍然對目標進行跟蹤直到導彈進入末制導階段。在中制導段,載機機動受到限制。同時實戰(zhàn)表明,由于目標機動、電子干擾以及其他誤差因素,中遠距導彈命中概率較低。這就造成在某些情況下,導彈已經不能擊中目標,但載機還需要對其進行中制導,從而限制了載機機動,增加了作戰(zhàn)風險,降低了作戰(zhàn)效能。

目前對導彈效能的研究都集中在目標逃逸機動的效果[4]。針對上述問題,文獻[3]提出一種基于導彈射后截獲概率和命中概率來評估導彈效能的方法。文中將詳細介紹中遠程空空導彈射后動態(tài)評估的概念、目的,并提出了一種動態(tài)評估方案,分析其在空戰(zhàn)中的實際作用。

1 空空導彈射后動態(tài)效能評估

1.1 空空導彈射后動態(tài)效能評估

空空導彈射后動態(tài)效能評估是指:在空空導彈發(fā)射以后,根據導彈、目標的狀態(tài)信息,動態(tài)的評估導彈能否命中目標,完成作戰(zhàn)使命。

空空導彈射后動態(tài)效能評估的目的是為了:1)在導彈不能命中目標的情況下給飛行員信息提示,放棄中制導,減少被動等待時間;2)減少超視距導彈最大和不可逃逸攻擊區(qū)之間存在的信息盲區(qū)。

1.2 評估方案

基于動態(tài)效能評估的概念和目的,空空導彈動態(tài)效能評估方案思想如下:

建立一個獨立的評估系統(tǒng)模塊,將其加載到火控計算機(FCC)中,該模塊對發(fā)射后的導彈進行動態(tài)評估;該模塊在導彈發(fā)射時刻啟動;該模塊的輸入為周期更新的目標、導彈狀態(tài)信息,輸出為周期更新的評估信息;并將評估信息處理以后通過總線發(fā)送到平視顯示器(HUD)上。飛行員根據平視顯示器上信息進行判斷是否繼續(xù)對該枚導彈進行制導。

圖1 某型綜合火控系統(tǒng)結構

1.3 評估原理和模型

1.3.1 評估原理

評估系統(tǒng)的運行原理是采用機載火控計算機對導彈攻擊目標過程進行彈道模擬,根據評估時刻的導彈目標和狀態(tài)信息,利用導彈、目標三自由度運動模型,導彈推力、制導、氣動運動等數學模型,對該時刻之后的導彈攻擊過程進行彈道模擬,根據導彈命中約束條件判斷是否滿足命中條件。

導彈攻擊目標過程如圖2所示,t0時刻載機(紅色)發(fā)射導彈后,評估系統(tǒng)開始啟動,根據t0時刻導彈和目標狀態(tài)信息,模擬t0時刻之后導彈攻擊目標的運動軌跡,根據導彈命中約束條件,判斷得到導彈命中有效性評估信息;t1,t2,…,tk時刻到來時,評估系統(tǒng)的工作原理與t0時刻相同,每經過一個評估周期T,評估系統(tǒng)都按上述方法進行評估。直到評估信息顯示導彈不能命中目標或者中制導段結束。

圖2 導彈攻擊目標過程

1.3.2 評估模型

導彈和目標數學模型是評估系統(tǒng)的關鍵。六自由度導彈運動模型精度高,但過于復雜,不能滿足評估系統(tǒng)實時性要求,所以文中采用三自由度導彈運動方程。導彈運動模型、彈目相對運動模型、大氣模型、制導律模型、發(fā)動機推力模型等數學模型在文獻[6-7]中已有詳細介紹,此處不再贅述。

1.3.3 目標運動假設

在實際空戰(zhàn)中,目標將采取的機動是不可預測的,如果利用目標機動估計值來評估導彈有效性可能會出現(xiàn)錯誤信息。所以在效能評估時,對目標進行一個假設:假設目標將來的機動為做勻速直線運動。該假設的思想是:如果在當前評估時刻,導彈不能擊中一個直線運動的目標,那么導彈更不可能命中一個智能體操縱的飛機。

1.4 評估信息

選擇哪種物理量作為評估系統(tǒng)的評估信息非常重要,評估信息既用于導彈有效性評估,也作為評估結果反饋給飛行員。綜合考慮導彈攻擊過程和飛行員的決策可行性及可靠性,作為評估信息的物理量選取分為兩種情況。導彈能夠命中目標時:①導彈截獲概率;②導彈殺傷概率;③導彈射后可攻擊距離與彈目距離的比值。導彈不能夠命中目標時:①導彈不能命中目標的起始時間;②累計不能命中時間。

導引頭截獲概率的詳細計算方法可以參考文獻[8-9],導引頭截獲概率按下式計算:

Pc=PaPrPv

(1)

式中,Pa、Pr、Pv分別為角度截獲、距離截獲、速度截獲概率。

導彈殺傷概率計算方法可以參考文獻[10]導彈單發(fā)殺傷概率計算公式為:

Φ2(y,z)G(x,y,z)dxdydz

(2)

式中:f(y,z)為制導誤差概率密度;Φ1(x/y,z)為引爆點沿x軸散步的概率密度;Φ2(y,z)為引信起爆概率;G(x,y,z)為戰(zhàn)斗部在(x,y,z)點目標坐標殺傷概率。

導彈射后可攻擊距離的概念和計算方法可見文獻[11],射后可攻擊距離與彈目距離的比值為:

K=Dgj/DTM

(3)

式中:Dgj為射后可攻擊距離;DTM為導彈和目標距離。K值是判斷導彈有效性的重要指標。

導彈不能命中目標的起始時間可由K值確定,如果在tk時刻起,K<1,則導彈不能命中目標的起始時間為tk。累計不能命中時間Tno可由下式得出:

Tno=nT

(4)

式中:n是指導彈不能命中目標的累計的評估周期數;T為評估周期。

1.5 評估系統(tǒng)要求

1)評估系統(tǒng)須實時獲取目標、導彈信息

評估系統(tǒng)必須實時獲取目標、導彈信息才能對導彈效能進行評估。目標狀態(tài)信息可由機載雷達獲取。導彈狀態(tài)信息可通過載機和導彈間的雙向數據鏈路獲取;也可通過模擬導彈飛行來獲得導彈狀態(tài)信息,但其存在較大誤差。

2)評估系統(tǒng)必須能夠同時評估多枚導彈效能。

3)評估系統(tǒng)需兼顧準確性和過程快速性。

上面介紹了評估系統(tǒng)的方案、原理、要求等。下文將分析在典型空戰(zhàn)情況下,利用射后攻擊區(qū)評估導彈效能的作用。

2 仿真分析

在超視距空中攔截作戰(zhàn)中,第一波攻擊發(fā)生在幾十甚至一百公里以外,評估系統(tǒng)在空戰(zhàn)攔截的典型應用如下。

表1 初始狀態(tài)參數

在超視距攔截作戰(zhàn)中,假設我方飛機掛載超視距空空導彈，載機和目標初始狀態(tài)信息如表1所示。此時目標已經進入我機超視距空空導彈最大可攻擊區(qū)內,我機鎖定目標并發(fā)射一枚超視距空空導彈進行攔截，評估系統(tǒng)開始工作并持續(xù)計算導彈對目標的射后可攻擊距離。10 s后敵機發(fā)現(xiàn)我方發(fā)射導彈后進行左轉彎機動，機動加速度為4 g。機載評估系統(tǒng)通過雷達傳感器和彈載數據鏈獲得更新后的目標和導彈的速度、角度和位置等信息，近實時地解算發(fā)射后的導彈對該目標的射后攻擊距離，解算得出的導彈射后攻擊距離和彈目相對距離變化趨勢(如圖3所示),導彈飛行軌跡(如圖4所示)。

圖4 導彈攔截軌跡

從圖4可以看出，雖然發(fā)射時刻目標處于我機導彈的最大攻擊區(qū)范圍內，但是由于目標采取規(guī)避機動，導彈并沒有擊中目標；從圖3中更能直觀的得出已發(fā)射導彈的命中效能信息，從彈目距離以及射后可攻擊區(qū)的變化趨勢可以看出：當我機發(fā)射導彈時刻，相對距離小于射后最大可攻擊距離；當我機發(fā)射導彈17 s以后，導彈的射后最大攻擊距離小于彈目距離，K<1，據此評估系統(tǒng)將反饋飛行員已發(fā)射的導彈不能命中目標的提示信息，飛行員因此可選擇放棄中制導。而在此次超視距攔截過程中，導彈中制導階段需要耗時1 min左右，也就是說在本次攔截作戰(zhàn)中評估系統(tǒng)能夠為飛行員節(jié)約40 s的寶貴時間，這在瞬息萬變的空中交戰(zhàn)中至關重要。上述實例說明,采用射后攻擊距離做評估信息的評估系統(tǒng),能夠為飛行員提供更多空中態(tài)勢信息,及時采取措施,降低作戰(zhàn)風險,提高作戰(zhàn)效能。

3 結束語

文中首先闡述了一種中遠程空空導彈動態(tài)效能評估方案,分析了評估原理和評估信息的選擇,研究了評估系統(tǒng)的要求;最后利用一個空戰(zhàn)實例驗證了該動態(tài)效能評估方法的有效性。

超視距空空導彈射后動態(tài)效能評估能夠為飛行員提供更多信息,克服超視距作戰(zhàn)中導彈飛行過程中的信息盲區(qū),減少被動等待時間,更好地實現(xiàn)“殺傷敵方,保衛(wèi)自己”的目的?？湛諏椛浜髣討B(tài)效能評估涉及到載機導彈、目標等狀態(tài)和運動信息,該方案需要研究的內容包括,導彈狀態(tài)信息的獲取方式、評估系統(tǒng)的運算效率以及評估系統(tǒng)與當前火控系統(tǒng)的融合問題。

[1] 樊會濤. 空戰(zhàn)制勝“四先”原則 [J]. 航空兵器, 2013(1): 3-7.

[2] 吳文海, 周思羽, 高麗, 等. 超視距空戰(zhàn)過程分析 [J]. 飛行力學, 2011, 29(6): 45-47.

[3] 高曉光, 羅鵬升, 田省民, 等. 空空武器射后有效性分析 [J]. 火力指揮與控制, 2010, 35(12): 86-89.

[4] AKDAG Remzi. A comparative study on practical evasive maneuvers against proportional navigation missiles: AIAA 2005-6352 [R]. 2005.

[5] RAIVIO T, RANTA J. Optimal missile avoidance trajectory synthesis in the endgame [C]∥ AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. 2002.

[6] 樊會濤. 空空導彈方案設計原理 [M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2013: 182-197.

[7] 周志剛. 機載火力控制系統(tǒng)分析 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008: 260-272.

[8] 樊會濤. 復合制導空空導彈截獲目標概率研究 [J]. 航空學報, 2010, 31(6): 1225-1228.

[9] 秦玉亮, 李宏, 王宏強, 等. 復合導引頭交接班成功概率的建模與仿真 [J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2009, 21(15): 4736-4738.

[10] 潘旺華, 楊希祥, 廖英, 等. 遠程空空導彈單發(fā)殺傷概率研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(3): 1-3.

[11] 吳勝亮, 南英. 空空導彈射后動態(tài)可攻擊區(qū)計算 [J]. 彈箭與制導學報, 2013, 33(5): 49-54.

Dynamic Effectiveness Evaluation of Intermediate-long-range Air-to-air Missile After Being Launched

SUN Zhaoyu1,2,ZHANG Anke2

(1 Science and Technology on Electro-optical Control Laboratory, Henan, Luoyang 471000, China; 2 Luoyang Institute of Electro-optical Equipment, AVIC, Henan Luoyang 471000, China)

Dynamic effectiveness evaluation based on attack zone of air-to-air missile (AAM) was presented to evaluate effectiveness after AAM being launched. Based on mathematic model of an AAM which comprises pneumatic model and kinetic model and so on, the effect of effectiveness evaluation method was verified under typical condition. The simulation results indicate the dynamic effectiveness evaluation based on attack zone of AAM after being launched can provide more situation awareness (SA) for pilot so as to improve combat efficiency.

dynamic effectiveness evaluation; situation awareness; attack zone of AAM after being launched

2015-10-19

孫兆雨(1981-),男,吉林四平人,工程師,碩士,研究方向:系統(tǒng)工程。

TJ765.4

A