ARUAV對移動輻射源目標(biāo)的攻擊效果仿真分析

蔣偉航，潘英鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院, 武漢 430019)

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ARUAV對移動輻射源目標(biāo)的攻擊效果仿真分析

蔣偉航，潘英鋒

(空軍預(yù)警學(xué)院, 武漢 430019)

現(xiàn)代水面艦艇是世界軍事強(qiáng)國爭奪制海權(quán)的主要武器裝備之一，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)用反輻射無人機(jī)(ARUAV)對其有效攻擊和壓制，充分應(yīng)用ARUAV反輻射作戰(zhàn)特點(diǎn)，研究ARUAV對移動輻射源的攻擊效果顯得尤為重要?；贏RUAV末制導(dǎo)及被動導(dǎo)引頭測向原理，建立了ARUAV攻擊移動目標(biāo)的仿真模型，探討了無人機(jī)攻擊角與攻擊精度之間的關(guān)系，對ARUAV攻擊移動目標(biāo)的作戰(zhàn)研究具有一定的支撐作用。

反輻射無人機(jī)；移動輻射源；攻擊角；攻擊精度

0 引 言

反輻射無人機(jī)(ARUAV)是一種新興的反輻射硬殺傷武器，具有成本低廉、隱蔽性好、使用機(jī)動靈活、自主攻擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它的研制為現(xiàn)代戰(zhàn)場中直接摧毀輻射源(主要是雷達(dá))開辟了新的途徑，美國、以色列、德國和南非等國已先后研制出多種型號的ARUAV[1]。

現(xiàn)代水面艦艇是世界軍事強(qiáng)國爭奪制海權(quán)的主要武器裝備之一，而艦載雷達(dá)系統(tǒng)的有效運(yùn)行是其作戰(zhàn)效能發(fā)揮的重要前提[2]。因此，充分利用ARUAV的反輻射作戰(zhàn)特性，研究運(yùn)用ARUAV對抗水面艦艇具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[3]對ARUAV攻擊靜態(tài)輻射源進(jìn)行了研究，并通過仿真證實(shí)無人機(jī)對固定目標(biāo)具有良好的殺傷效果，但對打擊移動目標(biāo)沒有探討。本文基于采用比相體制導(dǎo)引頭技術(shù)的ARUAV，綜合分析其末制導(dǎo)和被動測向原理，結(jié)合ARUAV攻擊移動輻射源的運(yùn)動模型，分析不同攻擊角條件下無人機(jī)對移動目標(biāo)的攻擊精度。

1 ARUAV末制導(dǎo)建模

將ARUAV的末制導(dǎo)過程分為2個階段：搜索目標(biāo)階段和俯沖攻擊階段。為便于分析說明，本文建立了末制導(dǎo)飛行過程的示意圖，并對模型中涉及的角度進(jìn)行了定義，如圖1示。其中，垂直面為當(dāng)前機(jī)體運(yùn)動方向所在的鉛垂面。當(dāng)目標(biāo)信號被導(dǎo)引頭截獲時，α為目標(biāo)方位角，是目標(biāo)線與天線中軸線在水平面投影的夾角；β為目標(biāo)俯仰角，是目標(biāo)線與天線中軸線在垂直面投影的夾角；θKJ為框架角，是天線中軸線與機(jī)體中軸線之間的夾角。

圖1 無人機(jī)末制導(dǎo)示意圖

具體過程為：搜索階段，無人機(jī)在巡航過程中通過被動導(dǎo)引頭(PRS)搜索輻射源信號脈沖；目標(biāo)信號一旦被截獲并識別，即測量目標(biāo)輻射源方向與機(jī)體軸線的夾角數(shù)據(jù)，并以此控制機(jī)體完成水平姿態(tài)和天線指向調(diào)整；天線指向同時調(diào)整，當(dāng)框架角大于設(shè)定的決策值時，無人機(jī)開始俯沖攻擊，俯沖時機(jī)體在方位和俯仰面上同時調(diào)姿，不斷向目標(biāo)逼近直至引爆。

無人機(jī)的目標(biāo)測向數(shù)據(jù)在每個測向周期ΔT內(nèi)更新一次，本文將其運(yùn)動控制過程按照圖2所示模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，考查每次目標(biāo)測向數(shù)據(jù)更新后機(jī)體姿態(tài)的調(diào)整變化情況。

圖2 機(jī)體飛行控制模型

依據(jù)圖2模型，機(jī)體運(yùn)動過程的算法設(shè)計(jì)為，設(shè)tk時刻無人機(jī)坐標(biāo)為Pk(xk,yk,zk)，tk+1時刻無人機(jī)坐標(biāo)為Pk+1(xk+1,yk+1,zk+1)，tk時刻測得目標(biāo)方位角、俯仰角、框架角分別為αk、βk、θKJk。機(jī)體采用水平無傾斜轉(zhuǎn)彎，因此，可將無人機(jī)在ΔT內(nèi)的運(yùn)動先簡化分解成橫向和縱向上的2個圓周運(yùn)動，如圖3所示，而后進(jìn)行合成。其中，Δαk、Δβk分別為每次測向數(shù)據(jù)更新后機(jī)體在橫向和縱向上需調(diào)整的角度。

圖3 機(jī)體運(yùn)動的分解示意圖

機(jī)體的飛行控制和過載密切相關(guān)，設(shè)機(jī)體在橫向及縱向上的最大過載分別為n1max、n2max，則ΔT內(nèi)機(jī)體在橫向及縱向上能調(diào)整的最大角度分別為：

(1)

(2)

式中：V為無人機(jī)飛行速度。

機(jī)體實(shí)際調(diào)整角Δαk、Δβk必須依據(jù)目標(biāo)測向信息，并同時滿足機(jī)體過載能力，所以：

Δαk=min{αk,αmax}

(3)

Δβk=min{βk,βmax}

(4)

根據(jù)圖3機(jī)體坐標(biāo)系，機(jī)體在ΔT內(nèi)的橫向位移為：

(5)

機(jī)體在ΔT內(nèi)的縱向位移為：

(6)

機(jī)體的運(yùn)動軌跡為橫向和縱向運(yùn)動的合成，即：

(7)

2 ARUAV導(dǎo)引頭測向模型

2.1 單脈沖比相測向原理

這里ARUAV通過被動雷達(dá)導(dǎo)引頭(PRS)采用比相測向法測量目標(biāo)角度信息[6]，其原理如圖4所示，輻射源信號到達(dá)天線Ⅰ和天線Ⅱ的波程差為：

Δr=dsinq

(8)

式中：d為天線Ⅰ、Ⅱ間基線距離；q為來波方向與天線中軸線間夾角。

而波程差Δr對應(yīng)的相位差為：

(9)

利用式(9)可以確定到達(dá)角[7]：

(10)

圖4 比相測角原理圖

2.2 導(dǎo)引頭測向模型

建立天線坐標(biāo)系，將PRS天線結(jié)構(gòu)簡化如圖5示，天線陣由3個子天線構(gòu)成，天線A為坐標(biāo)原點(diǎn)，B、C分別位于兩軸上，坐標(biāo)分別為(0,d,0)、(0,0,d)。設(shè)tk時刻移動目標(biāo)在天線坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(xtk,ytk,ztk)。

圖5 天線結(jié)構(gòu)簡化圖

子天線A、B進(jìn)行方位測量，tk時刻相位差為:

子天線A、C進(jìn)行俯仰測量，tk時刻相位差：

根據(jù)式(10)即可分別計(jì)算目標(biāo)線與橫向基線夾角θ1與縱向基線夾角θ2。

而目標(biāo)方向與天線陣視軸之間的夾角：

(13)

α=arctan(cosθ1/cosθ)

(14)

目標(biāo)俯仰角為：

β=arctan(cosθ2/cosθ)

(15)

3 仿真與分析

根據(jù)ARUAV工作過程及原理，仿真程序按照設(shè)置參數(shù)、解算目標(biāo)角度、調(diào)整天線指向、控制機(jī)體姿態(tài)的順序設(shè)計(jì)。設(shè)置參數(shù)包括目標(biāo)輻射源的頻率、運(yùn)動軌跡及速度，ARUAV初始位置、飛行速度、過載系數(shù)、基線長度、測向周期、引爆高度等。

仿真條件：移動輻射源位于地理坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿Xi軸正向運(yùn)動，目標(biāo)信號頻率1.5GHz。ARUAV飛行高度為1 800m，攻擊角定義為ARUAV相對目標(biāo)與目標(biāo)前進(jìn)方向之間的夾角φ，如圖6所示。ARUAV飛行速度恒定為100 m/s，導(dǎo)引頭視場角為60°，天線基線長度為9 cm，測向周期為20 ms，測向誤差小于1°，設(shè)無人機(jī)引爆高小于4 m。

圖6 攻擊角定義示意圖

(1) 反輻射無人機(jī)攻擊角為135°，目標(biāo)靜止?fàn)顟B(tài)下ARUAV攻擊仿真。

圖7 無人機(jī)對靜態(tài)目標(biāo)的攻擊路徑

目標(biāo)靜止不動時，無人機(jī)攻擊的仿真路徑如圖7示。由圖可見，ARUAV先是平飛，待目標(biāo)俯仰角足夠大時發(fā)起俯沖攻擊，仿真結(jié)果表明無人機(jī)的最終引爆點(diǎn)坐標(biāo)為(-1.95,-0.68,2.9)，攻擊誤差小，目標(biāo)將被摧毀。這與實(shí)際靶射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)接近，說明ARUAV對靜態(tài)目標(biāo)的攻擊精度高，驗(yàn)證了模型的有效性。

(2) 攻擊角不變，設(shè)定目標(biāo)航速10.3m/s時，ARUAV攻擊動目標(biāo)仿真。

圖8 目標(biāo)航速10.3 m/s時無人機(jī)攻擊路徑

圖9 目標(biāo)航速10.3 m/s時無人機(jī)攻擊路徑在水平面投影

圖8為目標(biāo)航速10.3m/s時無人機(jī)的攻擊路徑，仿真同時還給出了目標(biāo)和無人機(jī)的運(yùn)動軌跡在水平面投影，如圖9所示。結(jié)果表明，無人機(jī)引爆點(diǎn)坐標(biāo)為(317.6,-0.85,2.38)，目標(biāo)坐標(biāo)為(323.3,0,0)，對目標(biāo)仍有一定的毀傷效果。

(3) 目標(biāo)航速分別為10.3m/s和15.4m/s時，ARUAV分別從不同的攻擊角對目標(biāo)發(fā)起攻擊，并分別進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，對其平均攻擊精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。由圖可知，目標(biāo)航速越高，攻擊精度越低，特別是目標(biāo)航速為10.3m/s、攻擊角30°和目標(biāo)航速為15.4m/s、攻擊角20°時的攻擊精度最差。

圖10 不同攻擊角時無人機(jī)的攻擊誤差

進(jìn)一步分析上述2種仿真場景下無人機(jī)的末端軌跡投影，如圖11所示。

圖11 2種仿真條件下攻擊路徑在水平面投影

分析可知，ARUAV迎面從目標(biāo)側(cè)方開始攻擊時，跟蹤過程對無人機(jī)飛行機(jī)動性能要求高，而機(jī)體本身飛行過載能力有限，姿態(tài)調(diào)整不及時，難以實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤，導(dǎo)致攻擊誤差很大。

因此，ARUAV入侵方向與攻擊精度確實(shí)密切相關(guān)，在運(yùn)用無人機(jī)攻擊移動目標(biāo)時，應(yīng)當(dāng)注意合理規(guī)劃航跡，選擇合適的攻擊角。

4 結(jié)束語

本文通過分析ARUAV飛行和測向原理，建立起基于比相體制測向技術(shù)的ARUAV攻擊移動輻射源的動態(tài)模型，計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了模型的可行性。對ARUAV攻擊移動目標(biāo)的攻擊角進(jìn)行了定義，并主要探討了ARUAV在不同攻擊角條件下對移動輻射源的攻擊效果。

仿真表明，ARUAV受自身機(jī)動性能制約，采用不同攻擊角時，攻擊精度相差較大。因此，為了充分發(fā)揮無人機(jī)的作戰(zhàn)效能，在運(yùn)用ARUAV攻擊移動輻射源時，合理規(guī)劃攻擊路徑、選擇合適的攻擊角度對提高無人機(jī)攻擊效能意義重大。

[1] 溫杰.輻射無人機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈,2000(7):4-5.

[2] 王龍濤.水面艦艇對抗反輻射無人機(jī)對策研究[J].艦船電子對抗，2009，32(4)：12-14.

[3] 潘奎，潘英鋒，陳蓓，冷毅.誘餌誘騙條件下反輻射無人機(jī)攻擊過程建模仿真分析[J].艦船電子對抗,2012,35(6)：59-66.

[4] 錢杏芳，林瑞雄，趙亞男.導(dǎo)彈飛行力學(xué) [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000.

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[6] 高烽.雷達(dá)導(dǎo)引頭概論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[7] 司錫才，趙建民.寬頻帶反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1996.

Simulation Analysis of Attack Effect of ARUAV to Mobile Emitter Target

JIANG Wei-hang，PAN Ying-feng

(Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China)

Modern surface ship is one of the main weapons for world's powerful nations to contest the sea control right.In order to apply the anti-radiation unmanned aerial vehicle (ARUAV) to attack and suppress the ships effectively and take full characteristics of ARUAV's anti-radiation campaign,it is particularly important to research the attack effect of ARUAV to mobile emitter.Based on ARUAV terminal guidance and direction finding (DF) theory of passive seeker,this paper establishes the simulation model of ARUAV attacking mobile targets,discusses the relationship between the attack accuracy and attack angle of ARUAV,which has a certain support function for the campaign research of ARUAV attacking mobile targets.

anti-radiation unmanned aerial vehicle;mobile emitter;attack angle;attack accuracy

2015-03-20

V271.4

A

CN32-1413(2015)04-0076-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.020