趙軍民, 常冠男, 郭曉輝

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

反坦克導(dǎo)彈用途廣泛,面臨的戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多樣。在多山地形、城市等環(huán)境中使用時,如果前方障礙物高度超過導(dǎo)彈飛行彈道高度,就會受到障礙物的阻擋,影響導(dǎo)彈正常飛行和作戰(zhàn)使用,示意圖見圖1。為實現(xiàn)作戰(zhàn)目的,對飛行彈道、飛行航路進(jìn)行規(guī)劃是目前導(dǎo)彈武器廣泛采用的措施[1]。文中基于作戰(zhàn)應(yīng)用場景,通過對戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖信息的合理利用,提出了一種用于反坦克導(dǎo)彈飛行避障的彈道規(guī)劃方法,仿真結(jié)果表明,該方法能有效規(guī)劃導(dǎo)彈的飛行路線,使得導(dǎo)彈能夠繞過障礙物完成對目標(biāo)的精確打擊,增強了反坦克導(dǎo)彈在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的適應(yīng)性。

1 規(guī)劃特征點計算

規(guī)劃特征點是指在導(dǎo)彈的飛行區(qū)域中,能夠表征對導(dǎo)彈安全飛行產(chǎn)生威脅的障礙物特征的坐標(biāo)點,導(dǎo)彈發(fā)射前,需根據(jù)戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖信息計算規(guī)劃特征點,進(jìn)而規(guī)劃出合理的飛行路線,實現(xiàn)對障礙物的有效規(guī)避[2-3]。

1.1 地圖信息柵格化

戰(zhàn)區(qū)數(shù)字地圖描述了預(yù)定作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的高程信息,示意圖如圖2所示,首先以發(fā)射點為圓點建立柵格化坐標(biāo)系,縱軸方向為真北方向,橫軸與縱軸垂直,向右為正。按方位Δθ、射距ΔR為單元格將數(shù)字地圖進(jìn)行柵格化處理[4],示意圖如圖3所示,Δθ、ΔR為地圖信息柵格化處理的單位方向角和距離,S(i,j)表示地圖的柵格區(qū)域,每個柵格區(qū)域的方位方向與徑向坐標(biāo)值取柵格中心點處的方位角及徑向距離,高度取柵格區(qū)域內(nèi)地形的最大高度值,柵格化后的數(shù)字地圖表示如下:

θ(i,j)=(i-0.5)Δθ

R(i,j)=(j-0.5)ΔR

H(i,j)=max(hS(i,j))

(1)

1.2 飛行區(qū)域估計

反坦克導(dǎo)彈打擊運動目標(biāo)時,其飛行路線需要根據(jù)目標(biāo)的運動情況進(jìn)行實時調(diào)整,因此需要對導(dǎo)彈實際飛行區(qū)域進(jìn)行估計,假設(shè)導(dǎo)彈在發(fā)射瞬間彈目連線方位角為θT0,目標(biāo)橫向運動速度為VT,導(dǎo)彈飛行速度為VM,飛行時間為TM,彈目距離為RMT,則命中時刻彈目連線方位角θT1計算如下:

(2)

導(dǎo)彈飛行區(qū)域示意圖如圖4所示。

1.3 障礙物包絡(luò)計算

在導(dǎo)彈飛行區(qū)域內(nèi),計算障礙物相對發(fā)射點的距離和障礙物高度,形成障礙物包絡(luò)。

考慮導(dǎo)彈飛行彈道的差異,對飛行區(qū)域方位方向進(jìn)行歸一化處理,將距發(fā)射點等距離的柵格帶高度信息置為該柵格帶內(nèi)障礙物最大高度值,示意圖如圖5所示。

Hjmax=max(H(1,j),H(2,j),…,H(n,j))

(3)

根據(jù)柵格帶距發(fā)射點的距離和高度,投影到導(dǎo)彈發(fā)射坐標(biāo)系下,得到障礙物發(fā)射系下坐標(biāo)信息,形成障礙物包絡(luò)[5],示意圖如圖6所示。

障礙物包絡(luò)特征點表示為:

(xi,hi),i=1,2,…,N

其中:i為柵格帶的編號;N為命中點處的柵格帶編號,N=round(RMT/ΔR)。

1.4 規(guī)劃特征點計算

根據(jù)發(fā)射坐標(biāo)系下障礙物包絡(luò)線特征點信息,綜合考慮障礙物對導(dǎo)彈飛行彈道的影響,計算規(guī)劃特征點:

a)最大發(fā)射遮蔽角計算

發(fā)射遮蔽角α是障礙物至高點和發(fā)射點連線與發(fā)射系Oxz平面所成的夾角,各障礙物形成的發(fā)射遮蔽角為:

αi=arctan(hi/xi),i=1,2,…,N

(4)

最大發(fā)射遮蔽角:

αmax=max(αi),i=1,2,…,N

b)最大目標(biāo)遮蔽角計算

目標(biāo)遮蔽角β是障礙物至高點和目標(biāo)連線與發(fā)射系Oxz平面所成的夾角,各障礙物形成的目標(biāo)遮蔽角為:

βi=arctan(hi/(RMT-xi)),i=1,2,…,N

(5)

最大目標(biāo)遮蔽角:

βmax=max(βi),i=1,2,…,N

c)障礙物最大高度

障礙物最大高度為障礙物包絡(luò)特征點的最大高度:

Hmax=max(hi),i=1,2,…,N

d)規(guī)劃特征點計算

規(guī)劃特征點是綜合障礙物對導(dǎo)彈飛行的影響因素得到的能夠表征障礙物特征的坐標(biāo)點,飛行彈道通過規(guī)避規(guī)劃特征點來實現(xiàn)對飛行區(qū)域內(nèi)障礙物的規(guī)避,規(guī)劃特征點M1(xm1,ym1)、M2(xm2,ym2)計算如下:

xm1=Hmax/tanαmax

ym1=Hmax

xm2=RMT-Hmax/tanβmax

ym2=Hmax

(6)

規(guī)劃特征點示意圖如圖7所示。

2 飛行彈道規(guī)劃

制導(dǎo)控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃特征點控制導(dǎo)彈繞過障礙物飛行,實現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊,規(guī)劃方案[6-7]如下:

a)導(dǎo)彈飛行初始段以O(shè)M1連線為基準(zhǔn),在其上方保持Δh高度飛行;

b)導(dǎo)彈飛過第一個規(guī)劃點以后,以M1M2連線為基準(zhǔn),在其上方保持Δh高度平飛;

c)導(dǎo)彈飛過第二個規(guī)劃點后,以M2T連線為基準(zhǔn),在其上方保持Δh高度飛行;

d)導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)后,導(dǎo)彈轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)階段,按照比例導(dǎo)引律飛行直至命中目標(biāo)。

規(guī)劃彈道計算如下:

(7)

式中:M3為中末制導(dǎo)交接點,Δh參數(shù)的選取要考慮彈上導(dǎo)航系統(tǒng)精度以及其余未知干擾帶來的導(dǎo)彈飛行位置誤差,保證導(dǎo)彈在距障礙物包絡(luò)線安全距離的范圍以外飛行,規(guī)劃彈道的示意圖如圖8所示。

3 仿真分析

針對某型反坦克導(dǎo)彈參數(shù)進(jìn)行六自由度仿真,仿真假設(shè)目標(biāo)距發(fā)射點距離8 000 m,預(yù)估飛行區(qū)域中障礙物最大高度為200 m,障礙物發(fā)射遮蔽角為5°,目標(biāo)遮蔽角為7°,Δh設(shè)置為40 m。

計算得到規(guī)劃坐標(biāo)點為:M1(2 286 m,200 m),M1(6 371 m,200 m),六自由度仿真結(jié)果如圖9所示。

仿真結(jié)果表明:在發(fā)射點至第一個規(guī)劃特征點之間,導(dǎo)彈相對OM1連線保持40 m高度飛行,在第一個規(guī)劃點至第二個規(guī)劃點之間,導(dǎo)彈維持240 m高度平飛,飛過第二個規(guī)劃點以后,導(dǎo)彈相對彈目連線保持40 m高度飛向目標(biāo),在M3點處,導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo),導(dǎo)彈按照比例導(dǎo)引規(guī)律精確命中目標(biāo)。

規(guī)劃彈道根據(jù)障礙物信息,充分利用了導(dǎo)彈的飛行能力,在發(fā)射前規(guī)劃彈道,有效規(guī)避障礙物,增強了導(dǎo)彈的戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性。

4 總結(jié)

地面戰(zhàn)爭逐漸進(jìn)入超視距和非視距的作戰(zhàn)方式,武器射程越來越遠(yuǎn),傳統(tǒng)的地面上視距內(nèi)發(fā)射反坦克導(dǎo)彈攻擊的情況不斷減少,更多的將是間瞄射擊,相應(yīng)的,導(dǎo)彈飛行中遇到障礙物阻擋的情況會越來越多,影響導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用,需要有效的規(guī)避方法。文中在戰(zhàn)場地圖信息基礎(chǔ)上,提出了一種用于反坦克導(dǎo)彈飛行避障的彈道規(guī)劃方法,仿真結(jié)果表明,該方法能有效規(guī)避前方障礙物,并保證飛行末段導(dǎo)彈對目標(biāo)的精確打擊,該方法有效可靠,簡便易行,具有較高的應(yīng)用價值。

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