預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真

張艷霞, 張　安, 孫海洋

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710129)

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預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真

張艷霞, 張安, 孫海洋

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710129)

摘要：從大系統(tǒng)的角度出發(fā),對預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行了閉環(huán)設(shè)計,實現(xiàn)從作戰(zhàn)方案裝訂到任務(wù)完成后返航整個作戰(zhàn)過程的建模與仿真。整個過程提出了多種新的算法及思想,其中包括純追蹤、平行接近、捕獲法3種自動引導(dǎo)模型和引導(dǎo)員手動引導(dǎo)模型,以消除僚機(jī)與長機(jī)的相對位置偏差為思想設(shè)計的編隊隊形變換模型,以禁飛區(qū)對編隊具有排斥力為思想設(shè)計的威脅規(guī)避模型等。最后通過Visual C++對各模型進(jìn)行仿真實現(xiàn),通過具有強(qiáng)大圖形顯示功能的二維仿真軟件MapX和三維仿真軟件Vega Prime實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢可視化,并通過二維/三維顯示模塊之間的通信實現(xiàn)二維/三維視景顯示的同步及實時切換。仿真結(jié)果表明,整個系統(tǒng)設(shè)計合理有效。

關(guān)鍵詞：預(yù)警機(jī); 指揮引導(dǎo); 編隊協(xié)同; 隊形變換; 威脅規(guī)避; 二維/三維視景顯示

0引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中,預(yù)警機(jī)作為空中編隊的“眼睛”,是整個指揮控制系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點,而指揮引導(dǎo)在系統(tǒng)中起著承上啟下、協(xié)調(diào)全局、涉及全面貫徹和實現(xiàn)指揮員意圖的重要作用[1]。在發(fā)達(dá)國家,預(yù)警機(jī)對有人機(jī)指揮引導(dǎo)作戰(zhàn)已經(jīng)運用到了實戰(zhàn)中,但關(guān)鍵技術(shù)難以查閱[2]。國內(nèi)對預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)的研究也備受關(guān)注,相關(guān)研究也正在進(jìn)行,其中文獻(xiàn)[3]對預(yù)警機(jī)指揮控制編隊問題進(jìn)行了相關(guān)研究。文中涉及到自動引導(dǎo)方式的介紹,但并沒有給出具體算法模型。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一個無人機(jī)編隊算法模型,但模型過于復(fù)雜,不適宜工程應(yīng)用,文獻(xiàn)[5]利用離散粒子群算法對無人機(jī)進(jìn)行三維航路規(guī)劃,但算法實時性不高。文獻(xiàn)[6-8]研究了指揮引導(dǎo)控制率問題,但仿真驗證中均采用對空作戰(zhàn)?？偟膩碚f,研究大多集中在各模塊算法的改進(jìn)上,而對整個系統(tǒng)的流程設(shè)計、各模塊的具體實現(xiàn)方法和仿真實現(xiàn)的綜合研究較少。

因此,本文在對整個指揮引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)中各個模型進(jìn)行建模,并在二維仿真軟件MapX[9]和三維仿真軟件Vega Prime[10-11]上實現(xiàn)整個戰(zhàn)場態(tài)勢的可視化,整個系統(tǒng)的設(shè)計新穎、復(fù)雜。

1預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計

預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)直升機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)過程為:預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)后,通過威脅評估及任務(wù)分配,將作戰(zhàn)任務(wù)分配給多個指揮引導(dǎo)臺,而指揮引導(dǎo)臺在指揮引導(dǎo)過程中,如果負(fù)載過重,可通過任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)將部分作戰(zhàn)任務(wù)轉(zhuǎn)至其他指揮引導(dǎo)臺以均衡負(fù)載。

預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)分系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù),引導(dǎo)機(jī)群飛向目標(biāo),并監(jiān)視機(jī)群的飛行路線,保證它們不偏離預(yù)定飛行計劃,不誤入戰(zhàn)區(qū)[7],當(dāng)直升機(jī)上的機(jī)載傳感器探測到目標(biāo)時,由直升機(jī)引導(dǎo)編隊向目標(biāo)靠近,若此過程中直升機(jī)丟失目標(biāo)信息,則由預(yù)警機(jī)繼續(xù)提供引導(dǎo)指令,直到直升機(jī)再次探測到目標(biāo)。當(dāng)編隊到達(dá)攻擊區(qū)后,無人機(jī)實施火力打擊,打擊后,效能評估分系統(tǒng)評估目標(biāo)是否被摧毀,如果已被摧毀,則編隊安全返航,否則進(jìn)行二次打擊。

指揮引導(dǎo)過程為:編隊起飛—編隊飛行—火力打擊—返航,編隊飛行又包括:自動引導(dǎo)、手動引導(dǎo)、隊形變換和威脅規(guī)避。整個過程如圖1所示。

圖1　預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)過程圖

本文對7個模塊都進(jìn)行建模和仿真實現(xiàn),限于篇幅,下面重點對引導(dǎo)解算、隊形變換、威脅規(guī)避3個模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)原理分析

本文將三維引導(dǎo)問題分解到水平和垂直兩個面內(nèi)研究,根據(jù)本機(jī)信息、目標(biāo)位置、引導(dǎo)方式和引導(dǎo)目的,在水平面內(nèi)解算飛機(jī)(有人機(jī)和無人機(jī))的應(yīng)飛航向,在垂直面內(nèi)解算飛機(jī)的應(yīng)飛俯仰,飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前應(yīng)飛航向、應(yīng)飛俯仰、應(yīng)飛速度解算各個操作舵面的偏轉(zhuǎn)信號,最終完成對飛機(jī)的精準(zhǔn)控制[7]。具體過程如圖2所示。其中采用經(jīng)典的PID控制器設(shè)計飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。所以,要完成預(yù)警機(jī)對編隊的指揮引導(dǎo),關(guān)鍵是解算出飛機(jī)每一時刻的應(yīng)飛航向、應(yīng)飛俯仰和應(yīng)飛速度,下面重點研究指揮引導(dǎo)過程的具體解算模型。

圖2　預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)原理

3功能模塊實現(xiàn)

3.1引導(dǎo)解算模塊

引導(dǎo)解算模塊主要研究怎樣根據(jù)目標(biāo)的相對運動來調(diào)整飛機(jī)的控制指令,引導(dǎo)飛機(jī)飛到攻擊區(qū)。就自動化程度而言,引導(dǎo)方式分為自動引導(dǎo)和手動引導(dǎo)兩種,其中自動引導(dǎo)使用較廣泛的導(dǎo)引方法有純追蹤、平行接近法、捕獲法,此外飛機(jī)也可根據(jù)系統(tǒng)初始設(shè)計的方案線進(jìn)行引導(dǎo)飛行。手動引導(dǎo)是由引導(dǎo)操作員直接對飛機(jī)進(jìn)行引導(dǎo),本文采用引導(dǎo)員直接設(shè)置航路點,引導(dǎo)飛機(jī)按航路點序列飛行。指揮引導(dǎo)方式分類如圖3所示。

圖3　指揮引導(dǎo)方法分類

引導(dǎo)過程中,編隊長機(jī)根據(jù)引導(dǎo)模塊解算的引導(dǎo)指令飛行,編隊僚機(jī)和直升機(jī)跟隨長機(jī)飛行,并保持編隊隊形,具體飛行指令由編隊控制模塊解算得到。

3.1.1自動引導(dǎo)

捕獲法借鑒平行接近法的思想,將位于無人機(jī)前距離為DA的點A按照平行接近法接近目標(biāo),這樣可以保證無人機(jī)與目標(biāo)之間保持一個終端距離DA。這一距離決定于武器的射程或機(jī)載無線電雷達(dá)的作用距離,當(dāng)無人機(jī)前距離為DA的A與目標(biāo)重合時,即發(fā)射武器或開始近距引導(dǎo)。捕獲法二維矢量圖如圖 4所示。

圖4　捕獲法二維矢量圖

可以求得A坐標(biāo)為

(1)

式中,(xC,yC)為無人機(jī)當(dāng)前位置;φC為無人機(jī)航向角。則AM的視線角為

(2)

其中,at(x,y)為反正切函數(shù)

(3)

則

(4)

式中,φM為目標(biāo)航向角。由正弦定理得

(5)

解得

(6)

無人機(jī)的應(yīng)飛航向

(7)

式中，mc(x)=x|[0,2π)為主周期函數(shù),可將x值映射到[0,2π)范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)純追蹤、平行接近法原理可[12]。

3.1.2手動引導(dǎo)

手動引導(dǎo)時,引導(dǎo)員直接設(shè)置(添加、刪除、插入、修改)航路點,使無人機(jī)按設(shè)置航路點序列飛行,以實現(xiàn)引導(dǎo)員對無人機(jī)航路的實時操控。無人機(jī)航路飛行過程如圖5所示。

圖5　無人機(jī)航路飛行過程圖

(1) 方位調(diào)節(jié)

在航路點過渡處方位的調(diào)節(jié)過程,即圖5的俯視圖如圖6所示。

圖6　航路點方位調(diào)整過程圖

無人機(jī)每一時刻的應(yīng)飛航向為

(8)

式中，(x0,y0,z0)為無人機(jī)在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo);(xm,ym,zm)為應(yīng)飛航路點在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo),當(dāng)無人機(jī)與應(yīng)飛航路點的距離小于設(shè)定值時,將應(yīng)飛航路點信息更改為下一個航路點。

(2) 高度調(diào)節(jié)

當(dāng)兩個相鄰航路點高度不同,或需要改變無人機(jī)高度時,如無人機(jī)返航降落時,則要對無人機(jī)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。以增大無人機(jī)高度為例研究,高度調(diào)節(jié)過程如圖7所示。

圖7　高度調(diào)節(jié)過程圖

整個調(diào)整過程包括3個階段:調(diào)整段、直飛段、恢復(fù)段。具體調(diào)整算法流程圖如圖8所示。

圖8　向上高度調(diào)節(jié)流程圖

①調(diào)整段下一步長應(yīng)飛俯仰角為:θYF=θ+Δθ;

②直飛段下一步長應(yīng)飛俯仰角為:θYF=θ；

③恢復(fù)段下一步長應(yīng)飛俯仰角為:θYF=θ-Δθ。

3.2威脅規(guī)避模塊

在直升機(jī)/無人機(jī)編隊向目標(biāo)飛行過程中,若編隊即將進(jìn)入(距離小于安全距離)禁飛區(qū)(氣候惡劣區(qū)、地方威脅區(qū))時,編隊打亂,編隊中各成員飛機(jī)分別進(jìn)行威脅規(guī)避,飛機(jī)根據(jù)威脅規(guī)避解算,得到調(diào)整指令,使飛機(jī)向遠(yuǎn)離禁飛區(qū)的方向飛行。

根據(jù)人工勢場法的啟發(fā),當(dāng)飛機(jī)即將進(jìn)入禁飛區(qū)(即φ<90°)時,要調(diào)整飛機(jī)向遠(yuǎn)離禁飛區(qū)(即φ>90°)的方向飛行。整個調(diào)整過程如圖9所示。飛機(jī)在A點時即將進(jìn)入禁飛區(qū),即與禁飛區(qū)距離小于安全距離dan。此時如果攻擊機(jī)速度方向VC在AO連線的上方,則攻擊機(jī)向上方機(jī)動;反之,攻擊機(jī)向下方機(jī)動。機(jī)動半徑R≤dan/2。

圖9　幾何法威脅規(guī)避圖

以向上機(jī)動為例:實時判斷φ的大小,如果φ<90°,則應(yīng)增大航向,應(yīng)飛航向為:φYF=φ+Δφ當(dāng)φ>90°。其中Δφ為每個步長的航向調(diào)整量,Δφ=ωT=ngΔT/VC,n為水平方向設(shè)定過載。

3.3編隊控制模塊

一般來說,在開始投入戰(zhàn)斗之前,機(jī)群各成員之間應(yīng)具有一定的外形和尺寸,這種外形和尺寸的結(jié)合被稱為作戰(zhàn)編隊。編隊控制模塊能實現(xiàn)引導(dǎo)過程中編隊隊形的相互變換。

3.3.1無人機(jī)隊形控制模塊

將編隊中無人機(jī)的經(jīng)緯高轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中得到各無人機(jī)的位置,如圖10所示。在地理坐標(biāo)系中計算編隊中各僚機(jī)距離長機(jī)的縱向距離ax和橫向距離bx(長機(jī)右側(cè)為正,左側(cè)為負(fù)),其中下角標(biāo)x表示僚機(jī)編號,(x0,y0,z0)為長機(jī)位置信息,φC為無人機(jī)航向角。

(9)

如果ax、bx與編隊隊形設(shè)置的縱向距離Ax和橫向距離Bx不同,則每個步長,需在原有速度的基礎(chǔ)上,加上航向方向的調(diào)整速度vax和垂直航向方向的調(diào)整速度vbx,其中

(10)

式中，a為設(shè)定加速度；sign(x)為符號函數(shù)。即應(yīng)飛速度為

圖10　無人機(jī)位置圖

3.3.2直升機(jī)隊形控制模塊

在有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊中,由于直升機(jī)需跟隨無人機(jī)編隊飛行,所以,本文將每過一個時間Δt的長機(jī)位置存儲為一個航路點序列,使有人機(jī)按照該航路點序列飛行,直升機(jī)飛行指令解算模型與無人機(jī)手動引導(dǎo)模型相同。

4仿真結(jié)果與分析

仿真開始前,手動添加方案(包括編隊ID,各編隊飛機(jī)信息、目標(biāo)名稱、各實體初始位置、姿態(tài)等),及設(shè)置各種初始條件。

4.1引導(dǎo)開始

仿真開始后系統(tǒng)界面如圖11所示,界面最左段顯示整個方案的實體信息,在“起飛”按鈕上方的下拉列表中選擇要起飛的編隊ID,點擊“起飛”按鈕,該編隊起飛,對該編隊的引導(dǎo)開始。

圖11　仿真主界面

4.2攻擊引導(dǎo)

編隊起飛后,進(jìn)入攻擊引導(dǎo)階段,此階段可以實現(xiàn)引導(dǎo)模式管理、威脅規(guī)避、編隊隊形變換等功能。

(1) 引導(dǎo)模式管理

在編隊引導(dǎo)過程中,可以對已起飛編隊的狀態(tài)進(jìn)行瀏覽,編隊的引導(dǎo)方式也可在自動引導(dǎo)和手動引導(dǎo)之間相互轉(zhuǎn)換,執(zhí)行結(jié)果如圖12所示。

對引導(dǎo)模式為手動引導(dǎo)的編隊,可對編隊飛行航路點進(jìn)行管理;對引導(dǎo)模式為自動引導(dǎo)的編隊,則可在4種自動引導(dǎo)方式(方案線、純追蹤、平行接近、捕獲法)之間相互轉(zhuǎn)換,執(zhí)行結(jié)果如圖13所示。

圖12　引導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換模塊執(zhí)行界面

圖13　引導(dǎo)模式管理模塊執(zhí)行界面

(2) 威脅規(guī)避

在威脅規(guī)避模塊點擊“添加禁飛區(qū)”按鈕,手動添加禁飛區(qū),飛機(jī)將對已存在的禁飛區(qū)進(jìn)行威脅規(guī)避,威脅規(guī)避模塊可對已有禁飛區(qū)參數(shù)進(jìn)行查看和設(shè)置,執(zhí)行界面如圖14所示。

圖14　威脅規(guī)避模塊執(zhí)行界面

(3) 編隊控制模塊

在編隊飛行過程中,可進(jìn)行隊形轉(zhuǎn)換及編隊距離、速度設(shè)置,執(zhí)行結(jié)果如圖15所示。

4.3返航引導(dǎo)

編隊到達(dá)攻擊區(qū)后,各無人機(jī)進(jìn)行攻擊瞄準(zhǔn),達(dá)到投彈條件后,投放武器,目標(biāo)摧毀后的無人機(jī)安全返航,直升機(jī)等待編隊內(nèi)所有無人機(jī)投彈后,安全返航,執(zhí)行過程如圖16所示。

圖15　編隊控制執(zhí)行界面

圖16　編隊返航執(zhí)行界面

4.4三維實體

本系統(tǒng)支持二維/三維視景實時切換,三維視景下的執(zhí)行界面如圖17所示。

圖17　三維實體模型圖

在三維視景下,直觀逼真地顯示了整個仿真過程,三維仿真視景中設(shè)計了多種特效:如預(yù)警機(jī)虛擬掃描圈顯示,飛機(jī)聲音,武器爆炸效果等。其中武器爆炸效果如圖18所示,可以看出武器若未命中目標(biāo)則濺起水花,若命中目標(biāo)則產(chǎn)生燃?xì)饣鹧妗?/p>

圖18　武器爆炸效果圖

從仿真結(jié)果看出:①每種引導(dǎo)方式下,預(yù)警機(jī)均可對編隊進(jìn)行有效引導(dǎo),仿真結(jié)果符合引導(dǎo)解算模塊理論分析; ②編隊對已存在和動態(tài)添加的禁飛區(qū)可以進(jìn)行有效的威脅規(guī)避,仿真結(jié)果符合威脅規(guī)避模塊理論分析; ③編隊在飛行過程中,可有效地完成各種隊形之間的相互轉(zhuǎn)換,仿真結(jié)果符合編隊控制模塊理論分析。從仿真結(jié)果看出,系統(tǒng)也實現(xiàn)了編隊起飛、火力打擊、返航等模塊?？傮w上,整個系統(tǒng)和系統(tǒng)中各模型的算法設(shè)計合理有效。

5結(jié)論

本文在對預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,采用獨特的思考角度,摒棄以往對模型算法改進(jìn)的固定思維,從大系統(tǒng)的角度,詳細(xì)分析并建立指揮引導(dǎo)系統(tǒng)所包含的全部模塊模型,實現(xiàn)了預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)編隊協(xié)同作戰(zhàn)中編隊航跡的管理、編隊隊形轉(zhuǎn)換、編隊參數(shù)的設(shè)置、威脅規(guī)避、動態(tài)航路設(shè)置、多種引導(dǎo)方式互換、火力打擊、安全返航及無人機(jī)無偏差降落多種功能,并在MapX和Vega Prime軟件上實現(xiàn)整個過程的二維/三維視景仿真。整個系統(tǒng)子模塊包含全面,設(shè)計模型新穎,仿真實現(xiàn)復(fù)雜逼真。整個系統(tǒng)的設(shè)計不僅支撐預(yù)警機(jī)預(yù)警指揮引導(dǎo)任務(wù)電子系統(tǒng)的研究和開發(fā),而且為預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)提供全要素、全流程的演示驗證環(huán)境,具有很大的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。

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張艷霞(1989-),女,碩士研究生,主要研究方向為先進(jìn)控制理論與應(yīng)用。

E-mail:15114889971@163.com

張安(1962-),男,教授,主要研究方向為現(xiàn)代火力控制原理。

E-mail:zhangan@nwpu.edu.cn

孫海洋(1991-),男,博士研究生,主要研究方向為復(fù)雜系統(tǒng)建模。

E-mail:822121407@qq.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150921.2138.028.html

Research on modeling and simulation of formation cooperation under

air early warning command and guidance on the sea battles

ZHANG Yan-xia, ZHANG An, SUN Hai-yang

(SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China)

Abstract:From the perspective of large-scale systems, the system of manned aircraft/unmanned aerial vehicle formation cooperation in naval warfare under air early warning command and guidance is designed in closed-loop. Modeling and simulation of the entire operational process from combat scheme binding to aircrafts return after the mission are realized. Several new algorithms and ideas are proposed in the whole process, including three automatic guidance models that are pure track, parallel approach and capture method, and the manual guidance model. The formation transformation model is inspired by the idea of eliminating the relative position deviates between the leader and the wingman, and the threat avoidance model is inspired by the idea that no-fly zones have repulsive forces to the formation. Finally, the models are simulated using Visual C++. The battlefield visualization is realized through 2D simulation software MapX and 3D simulation software Vega Prime, both of which have powerful graphical display functions. Communication between 2D and 3D display modules guarantees the synchronization scenario display and real-time switching. Simulation results verify the rationality and effectiveness of the overall system.

Keywords:AWACS; command and guidance; formation cooperative; formation transformation; threat avoidance; 2D / 3D visual display

作者簡介：

中圖分類號：TG85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.01.15

基金項目：西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)意創(chuàng)新種子基金(Z2015110)資助課題

收稿日期：2015-03-13；修回日期：2015-06-08；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-09-21。