劉維國 莊錦程

（91550部隊91分隊大連116023）

飛行器航路規(guī)劃技術(shù)性能考核方法研究

劉維國 莊錦程

（91550部隊91分隊大連116023）

飛行器航路規(guī)劃性能優(yōu)劣是評價戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件功能重要組成部分。在進行航路優(yōu)劣考核評價時，需要綜合考慮影響航路性能的各項因素，依據(jù)影響航路綜合性能的指標(biāo)權(quán)重，完成對綜合指標(biāo)的計算、航路的選優(yōu)，評價飛行器在對抗性環(huán)境中完成任務(wù)的能力。

飛行器；航路規(guī)劃；考核；方法

Class NumberV249

1 引言

飛行器航路規(guī)劃軟件決策，具有影響因素多、信息量大、決策模型復(fù)雜、決策過程繁雜等特點。在進行飛行器航路規(guī)劃軟件功能的考核時，必須綜合考慮各種決策、各種因素間的交互影響，如目標(biāo)散布范圍探測及估算、目標(biāo)誤差散布圓顯示；飛行器航路距離和發(fā)射時機計算；飛行器各航路特征點的選擇范圍；飛行器航路特征點有效性判斷；計算飛行器可攻入射角范圍；飛行器火分基準(zhǔn)方向的選擇與確定、飛行器末制導(dǎo)雷達開鎖點的選擇與導(dǎo)彈捕捉概率預(yù)測等要素［1］。

2 飛行器發(fā)射點與第一個航路點間距約束考核

飛行器發(fā)射后，要越過己方區(qū)域后，再進行降高進入低空突防段；同時由于飛行器發(fā)射之后，飛行器的姿態(tài)、航向均存在較大的偏差，需要一定的時間調(diào)整飛行的姿態(tài)和航向；因此，在航路規(guī)劃過程中，在一定的航程內(nèi)不能插入航路點。根據(jù)目標(biāo)協(xié)同作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)要求，可以得出進入安全降高至低空突防段的距離；按照導(dǎo)彈的性能參數(shù)，可以得知導(dǎo)彈進入預(yù)定飛行狀態(tài)需要的時間和飛行的距離。由此可以以飛行器的發(fā)射方向作為初始方向，將初始段的調(diào)整距離作為航路段長度，根據(jù)Bowring公式及當(dāng)前飛行器載體平臺所在的位置，可以直接計算出第一個航路關(guān)鍵點的坐標(biāo)位置。設(shè)約束要求為：間距≤γ。

在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件中，設(shè)置發(fā)射點A與目標(biāo)點B之間間距S公里，由戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件規(guī)劃直接攻擊后，插入經(jīng)計算后的航路點A′坐標(biāo)。航路點A′與發(fā)射點A的距離S′=γ，此時可規(guī)劃出航路結(jié)果。改變導(dǎo)彈射向后重新計算新的航路點A′的坐標(biāo)，重復(fù)檢驗。當(dāng)改變A′坐標(biāo)重新插入航路點而使得A′與發(fā)射點A的距離S＜γ時，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果。

3 飛行器航路點間距約束的考核

在低空突防段的連續(xù)兩個航路轉(zhuǎn)彎點之間，飛行器在前一個航路點進行轉(zhuǎn)彎后，向下一個航路轉(zhuǎn)彎點飛行的過程中，與機動性能的約束類似，同樣由于飛行器的性能限制，需要一定的時間調(diào)整飛行的姿態(tài)和航向才能穩(wěn)定。因此，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件必須對兩個航路轉(zhuǎn)彎點之間的距離進行約束［3］。利用第一個航路點距離考核時的航路設(shè)計，可以再插入經(jīng)計算后的第二個航路點A″（A″插入符合航路點間距要求），對本約束條件進行考核。當(dāng)重新計算后，改變航路點A′與發(fā)射點A的距離S，當(dāng)S小于間距要求時，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果。

4 飛行器機動性能約束的考核

機動性能約束包括水平機動約束、垂直機動約束和縱向機動約束，分別從水平方向、垂直方向和縱向限制了航路規(guī)劃算法的搜索空間。在水平平面內(nèi)，機動性能約束主要體現(xiàn)為導(dǎo)彈的最小轉(zhuǎn)彎半徑；在垂直平面內(nèi)，機動性能約束主要體現(xiàn)為導(dǎo)彈的最大爬升角和最大下滑角；在縱向上，機動性能約束則主要體現(xiàn)為飛行速度的變化范圍。

4.1 最小轉(zhuǎn)彎半徑約束

在過點轉(zhuǎn)彎和不過點轉(zhuǎn)彎兩種方式下，導(dǎo)彈在任何一個航路關(guān)鍵點處轉(zhuǎn)彎至下一個航路關(guān)鍵點時，兩個航路關(guān)鍵點的設(shè)置應(yīng)滿足：

式中：KAK是兩個航路關(guān)鍵點之間的距離，一般由Bowring公式求得；θ是轉(zhuǎn)彎角度；rmin是最小轉(zhuǎn)彎半徑。如圖3所示。

4.2 最大爬升/下滑角約束

假設(shè)最大爬升與下滑角分別是αu和αd，T1和T2分別代表某一控制周期的起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)，Δd表示導(dǎo)彈T2狀態(tài)時偏離T1狀態(tài)飛行方向的距離【9】，如圖4所示。

為滿足最大爬升角限制，須使：

同理，進行下滑機動時應(yīng)滿足：

其中，||T1T2是一個控制周期內(nèi)導(dǎo)彈的飛行距離。

4.3 考核方法

由于受導(dǎo)彈機動性能的限制，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件在航路規(guī)劃時，不能隨意以任意角度進行轉(zhuǎn)向設(shè)計，必須充分考慮導(dǎo)彈的性能參數(shù)進行約束【12】。飛行器除了需要考慮攻擊海上目標(biāo)時繞島飛行的水平方向機動性能約束外，還需考慮越島飛行或攻擊陸上目標(biāo)時而進行的垂直和縱向機動性能的約束。水平方向機動約束考核可以通過設(shè)計目標(biāo)點進行規(guī)劃考核；垂直和縱向機動性能考核則需要通過設(shè)計臨近地形的高程規(guī)劃，結(jié)合越障能力進行考核。設(shè)導(dǎo)彈射向α，允許最大轉(zhuǎn)彎角β，目標(biāo)點航向為α+180°。

自發(fā)射點A經(jīng)過轉(zhuǎn)彎點A′轉(zhuǎn)角度θ攻擊目標(biāo)點B′。AA′（發(fā)射點A與轉(zhuǎn)彎點A′之間距離）和A′B（轉(zhuǎn)彎點A′與目標(biāo)點位置2之間距離）滿足戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件規(guī)劃要求（在最大射程和最小可規(guī)劃射程之間），A′B′與A′B之間的夾角θ′為目標(biāo)點從位置B′運動到位置B時航路轉(zhuǎn)彎角的變化值。

將目標(biāo)點B設(shè)定為有速目標(biāo)，航向為垂直A′B線段指向B″（目標(biāo)點位置3），航向可由導(dǎo)彈射向α與最大轉(zhuǎn)彎角β計算得出。目標(biāo)點位于B′點時，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件可規(guī)劃出航路結(jié)果；當(dāng)目標(biāo)點經(jīng)過B點后，由于轉(zhuǎn)彎角度超過最大轉(zhuǎn)彎要求，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件應(yīng)不可規(guī)劃出航路結(jié)果［7］。

5 飛行器主攻角、攻擊差角的考核

水面艦艇的防空能力往往受射界和通道數(shù)量的限制，選擇導(dǎo)彈的進入方向，一方面可以實現(xiàn)飽和攻擊，另一方面可以增大導(dǎo)彈從目標(biāo)防空較薄弱的方向或盲區(qū)進入的概率，從而提高導(dǎo)彈的突防概率。另外，由于目標(biāo)的散布具有一定的方向性，根據(jù)目標(biāo)散布選擇導(dǎo)彈從橢圓的長軸方向進入將有利于增大導(dǎo)彈對打擊目標(biāo)的捕捉概率。

5.1 航路點計算檢驗?zāi)Ｐ涂己?/p>

1）目標(biāo)散布橢圓長軸與敵我連線重合

最簡單的情況：導(dǎo)彈航路可能經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)沒有島嶼、禁飛區(qū)、敵超低空反導(dǎo)火力區(qū)等需要規(guī)避的障礙，且目標(biāo)散布橢圓長軸與敵我連線重合，如圖6所示。

由于飛行器沿目標(biāo)散布橢圓長軸方向進入具有較高的捕獲概率，在已知目標(biāo)散布橢圓長軸方位Ba的情況下，一般取目標(biāo)散布橢圓長軸方向為導(dǎo)彈的主攻擊角（導(dǎo)彈攻擊角：為從真北方向開始沿順時針旋轉(zhuǎn)到接敵段導(dǎo)彈理論飛行方向所形成的夾角。導(dǎo)彈攻擊角以真北方向為起點，順時針為正，值域范圍［0°，360°］。其余航路則在第一條航路的基礎(chǔ)上向左向右依次增加攻擊差角β（β以敵我連線為基線，順時針為正，逆時針為負(fù)）。

2）目標(biāo)散布橢圓長軸與敵我連線不重合

此時，通常應(yīng)盡可能選擇目標(biāo)散布橢圓長軸方向為導(dǎo)彈主攻擊角方向。航路解算方法同上所述。

5.2 主攻角、攻擊差角考核方法

確定飛行器攻擊進入方向（即攻擊角）是航路規(guī)劃的重要問題。因此，主攻角、攻擊差角計算的正確性、合理性至關(guān)重要。在海圖上，選取不同目標(biāo)類型和不同種類的目標(biāo)散布，通過不斷變換目標(biāo)隊形，分別選取目標(biāo)散布橢圓長軸與敵我連線重合、目標(biāo)散布橢圓長軸與敵我連線不重合的各種組合［4］。檢驗航路規(guī)劃主攻角是否選擇在目標(biāo)散布橢圓長軸方向，攻擊差角是否在第一條航路的基礎(chǔ)上向左向右依次增加攻擊差角，即檢驗主攻角、攻擊差角計算的正確性、合理性；在選擇齊射時各枚導(dǎo)彈的攻擊進入方向時，導(dǎo)彈攻擊進入方向和雷達捕捉模式是有效攻擊編隊中指定目標(biāo)的關(guān)鍵因素，要綜合考慮以下因素：一是考慮是否選擇敵防空薄弱方向或聯(lián)合作戰(zhàn)規(guī)定的協(xié)同攻擊方向作為導(dǎo)彈攻擊進入方向；二是考慮是否適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)需要，即各導(dǎo)彈攻擊進入方向能否形成多方向攻擊的態(tài)勢，以分散敵方的抗擊［12］；三是考慮在確定正確的攻擊進入方向后的導(dǎo)彈航路規(guī)劃功能，以及使用不同的捕捉模式，實現(xiàn)對編隊內(nèi)指定目標(biāo)的打擊能力［6］。

6 導(dǎo)彈飛躍障礙物自動規(guī)避考核

6.1 障礙物（敵防空火力圈）自動規(guī)避檢驗?zāi)Ｐ涂己?/p>

自動規(guī)避檢驗算法可以采用導(dǎo)彈航路與障礙物相交/相切的判定算法，亦可采用其它算法。對導(dǎo)彈飛行航路上的障礙物（含島嶼、禁飛區(qū)、目標(biāo)防空火力區(qū)域等）進行自動規(guī)避檢驗，以障礙物為一四邊形島嶼和一半徑為R的敵防空火力圈為例進行說明，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后敵我態(tài)勢（主攻擊角為0）如圖7所示。

6.2 島嶼多邊形或禁飛區(qū)與航路關(guān)系判定

多邊形島嶼各頂點的命名規(guī)則：以最左邊靠上點為第一點、順時針排列。由于飛行器發(fā)射位置經(jīng)緯度、目標(biāo)位置經(jīng)緯度、障礙及威脅火力圈圓心經(jīng)緯度、島嶼多邊形各頂點經(jīng)緯度是已知的，設(shè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后敵我態(tài)勢如圖7所示［11］。以我艦艇位置為原點的大地坐標(biāo)系內(nèi)，被攻擊目標(biāo)的坐標(biāo)為(xt，yt)，敵防空火力圈圓心坐標(biāo)為(xR，yR)，多邊形各頂點坐標(biāo)為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)。

根據(jù)相對坐標(biāo)建立直線方程或圓方程：

求取直線OM與直線B1B2的交點，即聯(lián)解方程組：

1）如果無實數(shù)解，則判定直線OM與直線B1B2不相交，則繼續(xù)判斷直線OM與直線B2B3的交點情況。

2）如果直線OM與直線B1B2有交點，設(shè)交點為()

jx1，jy1，判斷下面的條件是否成立：

注：列寫此條件之前要先判斷x1，x2、y1，y2的大小，將坐標(biāo)值小的列寫在前面。如果上式不成立，即交點(jx1，jy1)沒在島嶼多邊形或我艦位置與目標(biāo)艦的范圍內(nèi)，說明線段OM與線段B1B2沒有交點，則應(yīng)繼續(xù)以同樣的方法判斷線段OM與線段B2B3是否相交［2］。

如果上式成立，說明線段OM與線段B1B2有交點，即導(dǎo)彈航路與島嶼相交，則終止計算，舍棄該條航路。

3）如果線段OM與島嶼多邊形任意一條邊相交，則終止計算，舍棄該條航路。

6.3 敵防空火力圈與航路關(guān)系判定

如圖7所示，判斷線段OM是否與圓R相交，即判斷下式是否成立：

1）如果上式不成立，說明直線OM與圓R無交點，即導(dǎo)彈航路與敵超低空反導(dǎo)火力圈不遭遇；

2）如果上式成立，說明直線OM與圓R有交點，然后繼續(xù)判斷交點是否在導(dǎo)彈航路上，即判斷該點是否在線段OM上。

求取直線OM與圓R的交點，即聯(lián)解方程組

顯然，方程組至少有一組解，不妨設(shè)有兩組解(xp1，yp1)、(xp2，yp2)，然后判斷以下條件是否成立：

以上任意一個條件成立，說明線段直線OM與圓R有交點，則舍棄該條航路。

6.4 障礙物及敵防空火力圈自動規(guī)避檢驗考核

1）在電子海圖上，設(shè)置多個障礙物與敵防空火力圈，對于自動規(guī)劃出的導(dǎo)彈飛行航路，可以通過讀取障礙物及敵防空火力圈幾何圖形地理坐標(biāo)，采用導(dǎo)彈航路與障礙物相交/相切的判定算法進行逐一檢驗［10］。

2）通過不斷放大電子海圖的比例尺，檢驗自動規(guī)劃的導(dǎo)彈飛行航路上是否存在障礙物。

3）在電子海圖上設(shè)置威脅源（坐標(biāo)可知），設(shè)計導(dǎo)彈飛行航路，測算航路與威脅源最短距離Ri，若Ri大于威脅源火力攻擊距離（雷達探測距離），則航路規(guī)劃合理，否則不合理；設(shè)計不同的威脅源，進行上述方法的反復(fù)檢驗；同時設(shè)計多個鄰近威脅源構(gòu)成威脅網(wǎng)，檢驗導(dǎo)彈航路設(shè)計規(guī)避中的的威脅度［5］。

4）在電子海圖上設(shè)置威脅源（坐標(biāo)可知），設(shè)計導(dǎo)彈飛行航路，設(shè)計不同的威脅源，進行上述方法的反復(fù)檢驗；同時設(shè)計多個鄰近威脅源構(gòu)成威脅網(wǎng)，檢驗導(dǎo)彈航路設(shè)計規(guī)避中的的威脅度。

5）利用數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)，檢查生成的航跡是否可以自動進行地形回避，并利用地形進行威脅回避。

6）設(shè)置不同組合的威脅信息（包括威脅的位置、類型、覆蓋范圍、信息傳輸能力等）進行威脅目標(biāo)的排序檢查，檢查目標(biāo)排序變化合理性［8］。

7 結(jié)語

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件航路規(guī)劃是指根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和已知約束條件通過科學(xué)的預(yù)先設(shè)計，使導(dǎo)彈沿著一條優(yōu)化、安全、隱蔽的航路飛向預(yù)定的目標(biāo)區(qū)。通過精心設(shè)計導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的攻擊計劃與飛行航線，可以充分發(fā)揮導(dǎo)彈的飛行性能，提高其飛行安全性，要導(dǎo)引巡航導(dǎo)彈盡量避開敵人的各種防空威脅，滿足飛行的各種物理約束，使巡航導(dǎo)彈具有較高的生存能力和命中精度。有效地提高導(dǎo)彈突防能力和生存能力，以獲取較高的作戰(zhàn)效能。

［1］葉文，范洪達，朱愛紅.無人飛行器任務(wù)規(guī)劃［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［2］王健.多架無人機攻擊多目標(biāo)的協(xié)同航線規(guī)劃方法研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［3］鄭昌文.飛行器航跡規(guī)劃方法［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2003：48-50.

［4］唐金國.美軍任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的現(xiàn)狀、發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)［J］.軍事運籌與系統(tǒng)工程.2003（3）：31-33.

［5］龔清平.任務(wù)計劃系統(tǒng)［J］.飛航導(dǎo)彈，1997（4）：7-11.

［6］高暉，陳欣，夏云程.無人機航路規(guī)劃研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，33（2）：135-138.

［7］柳長安，梁廣平，王和平，等.蟻群算法在無人機航路規(guī)劃中的應(yīng)用［J］.火力與指揮控制，2005，30（6）：22-24.

［8］周成平，陳前洋，秦筱.基于稀疏A*算法的三維航跡并行規(guī)劃算法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，33（5）：42-45.

［9］陳琳，白振興.應(yīng)用PSO算法的無人機三維航跡［J］.電光與控制，2008，15（4）：50-53.

［10］高曉光，楊有龍.基于不同威脅體的無人作戰(zhàn)飛機初始路徑規(guī)劃［J］.航空學(xué)報，2003，24（5）：435-438.

［11］葉媛媛，閔春平，沈林成，等.基于Voronol圖的無人機空域任務(wù)規(guī)劃方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17（6）：20.

［12］范洪達，葉文，馬向玲.面向低空突防的三維航路規(guī)劃仿真研究［J］.計算機仿真，2004，21（2）：35-37.

［13］嚴(yán)江江，丁明躍，周成平，等.一種基于可行優(yōu)先的三維航跡規(guī)劃方法［J］.宇航學(xué)報，2009，30（1）：139-144.

Research of Assessment Method for Function of Air Route Planning for Aerobat

LIU WeiguoZHUANG Jincheng
（Unit 91，No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）

The function of air route planning for the aerobat is the important component for the tactics of software.In the evaluation for the air route planning，all factors are demanded to be accounted.According to the weight of the index of the function of the air route，the count of the index and better choose of air route are accomplished.And the capacity of aerobat in antagoni smsurroundings is evaluated.

aerobatair，route planning，assessment，method

V249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.006

2016年12月11日，

2017年1月27日

劉維國，男，博士，高級工程師，研究方向：導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗及作戰(zhàn)使用。