王光輝,呂 超,謝宇鵬,劉文超
(海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)
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殲擊機規(guī)避空空導彈的評價算法
王光輝,呂超,謝宇鵬,劉文超
(海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)
針對殲擊機機動規(guī)避空空導彈問題,建立了一種有導彈制導動力學滯后的空空導彈-飛機的追逃運動學二維模型,研究了飛機機動時機、機動方式對主動尋的空空導彈過載需求和脫靶量的影響,并根據(jù)機動脫靶量仿真了飛機機動逃逸概率,得到了機動可大幅度提高飛機逃逸概率,開關機動優(yōu)于圓機動,以及機動周期越短規(guī)避效果越好的結論,解決了飛機機動規(guī)避空空導彈的定量評價問題。
殲擊機; 機動規(guī)避; 空空導彈; 脫靶量
空空導彈已成為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主要武器,其制導方式也發(fā)展到以主動雷達尋的為主的復合制導模式,隨著空空導彈的廣泛裝備與應用,各種作戰(zhàn)飛機面臨著越來越大的高精度空空導彈的威脅,消除該威脅的方式主要有兩種:一是先敵發(fā)射,即在敵機發(fā)射空空導彈前,摧毀敵機;二是在遭受敵空空導彈攻擊的情況下,我機如何機動將敵空空導彈的殺傷降到最低,通常在該過程中實施有源和無源干擾。本文只研究機動規(guī)避問題。
殲擊機規(guī)避空空導彈一直是一個研究的熱點問題[1-10],學者們采用微分對策[1]、最優(yōu)控制理論[2]、非線性規(guī)劃[3]、平均后退控制理論[4]研究該問題,但均需得到導彈的狀態(tài)信息;文獻[5]研究了飛機機動出空空導彈末制導雷達波束問題,但它要求飛機和導彈均獲得對方的準確信息,文獻[6]研究了規(guī)避路徑問題,也必須得到導彈的狀態(tài)信息,在置尾機動是飛機機動必然選擇的情況下[7],導彈狀態(tài)信息很難得到。文獻[8]假設機動后的飛機航向隨機生成,這與實際不符,因為機動是有目的的,而且機動的效果在導彈目標相遇時才能體現(xiàn)出來,文獻[9]研究了規(guī)避機載雷達及空空導彈的模型,但并未針對空空導彈的導引律進行研究,也沒有考慮導彈制導動力學滯后的影響,文獻[10]動態(tài)模擬了飛機機動規(guī)避問題,并未對規(guī)避方式進行評價,文獻[7,11]僅對機動規(guī)避進行了定性分析,沒有對機動規(guī)避的效果進行定量評估。而且他們[1-11]均沒有對飛機機動的時機和機動方式進行評估。為此,本文在構建追逃運動學二維模型的基礎上,研究飛機機動時機及機動方式對主動雷達尋的空空導彈規(guī)避效果的影響。
空空導彈的飛行彈道主要包括主動段和被動段,在主動段,首先助推器工作,而后主發(fā)動機工作,主發(fā)動機工作完畢后為被動段,不管是主動段還是被動段,導彈的速度都是變化的。為了簡化問題,作如下假設:①導彈和飛機均可視為質(zhì)點;②導彈和目標的加速度矢量分別與它們各自的速度矢量垂直,即導彈和飛機的切向加速度均為0,也即導彈和飛機的切向速度不變。
因為研究的是追逃問題,認為空空導彈制導雷達已經(jīng)跟蹤飛機。假設導彈橫向和縱向機動面可通過滾動控制被分離,因為彈目(飛機)相對運動的俯仰方向和偏航方向運動關系的本質(zhì)相同,三維問題就可以等效變換為二維問題,這里僅考慮平面追逃的情況。
建立坐標系XOZ,OX為正北方向,OZ為東向??湛諏椗c目標的相對位置關系,如圖1所示。圖中,M、D分別為某時刻導彈和飛機的實時位置,MT為導彈-目標(飛機)視線(LOS),Vm、Vt為導彈和目標的速度,Hm、Ht為導彈和目標的航向角,它們是導彈和目標的航向線與正北方向的夾角,順時針為正。那么,飛機的位置為
(1)
式中,xt(t),zt(t)為飛機的實時坐標;xt(0),zt(0)為飛機的初始位置坐標;Ht(t)為飛機的實時航向角;Vt為飛機的速度。
圖1 導彈-飛機追逃示意圖Fig.1 Pursuit and escape diagram
導彈的位置為
(2)
式中,xm(t),zm(t)為導彈的實時坐標;xm(0),zm(0)為導彈的初始位置坐標;Hm(t)為導彈的實時航向角;Vm為導彈的速度。
因為假設飛機的切向速度不變,因此飛機的運動方程為
(3)
式中,Ht(0)為飛機的初始航向;ωt(t)為飛機轉(zhuǎn)彎的角速度,它依賴于飛機的過載能力及飛行員采用的機動策略,將在第2節(jié)討論。
同理,導彈的運動方程為
(4)
式中,Hm(0)為導彈的初始航向;ωm(t)為導彈轉(zhuǎn)彎的角速度。
ωm(t)的值取決于空空導彈采用的制導律,最常用的是線性二次型最優(yōu)制導律,即導彈的法向加速度指令[12]為
(5)
導彈過載需求大于導彈的過載能力時,導彈不能按照制導規(guī)律控制導彈按理論彈道飛行。即當am(t)>nmaxg時,說明導彈的需用過載大于導彈的可用過載,則
(6)
式中,nmax是導彈的最大可用過載;g=9.8 m/s為重力加速度。
導彈的轉(zhuǎn)彎角速度為
(7)
任何制導律都是在已觀測數(shù)據(jù)的基礎上,通過一定的算法(比如Kalman濾波)估計目標和導彈的相對運動規(guī)律,依據(jù)一定的罰(目標)函數(shù),得到最優(yōu)制導律的相關參數(shù),形成控制指令控制空空導彈跟蹤目標,這需要時間。因此,導彈控制系統(tǒng)的時滯也是不可避免的。因此,必須考慮導彈制導動力學滯后(導彈的時間常數(shù)τ)問題,也就是說影響導彈轉(zhuǎn)彎角速度的彈目接近速度和彈目視線角速度不是即時數(shù)據(jù),而是時間τ前的數(shù)據(jù),因此有彈目距離
(8)
彈目距離變化率為
(9)
也可用微分形式實現(xiàn)
(10)
式中,Δt為仿真時間步長。
彈目視線角為
(11)
彈目視線角速度為
(12)
也可用微分形式實現(xiàn)
(13)
通常通過兩種機動結果實現(xiàn)對飛機的保護,一是消耗空空導彈的動能,延長其飛行距離,使導彈沒有足夠的速度攻擊飛機,實現(xiàn)逃逸,即采取置尾機動;其次是增加空空導彈的脫靶量,降低我機被毀傷的概率,即采取機動規(guī)避。
現(xiàn)有文獻在研究飛機機動時,通常采用正弦機動、圓機動和開關機動[13],有文獻認為正弦機動是目標常見的逃逸方式[14],但是正弦機動對飛行員操縱飛機的要求很高,而圓機動或者開關機動很容易通過操縱飛機實現(xiàn)。因此,本文僅研究圓機動和開關機動,它們均可用下式來表示
(14)
式中,nt為飛機的過載;T1為飛機機動周期,即飛機改變方向的時間間隔,當T1足夠大時,即為圓機動;t0是飛機開始機動的時間;S是符號,它表示飛機初始機動的方向,由飛機和導彈的相對位置確定。為此,以飛機質(zhì)心T為原點,TX′為飛機的縱軸,以TX′的正橫方向TZ′為橫軸,建立機體坐標系X′TZ′。空空導彈在機體坐標系中的坐標為
(15)
飛機初始機動方向的確定依據(jù)是使導彈的跟蹤過載需求增大,S的取值方法為
(16)
我機采取的機動策略,首先是置尾機動,其次是機動規(guī)避。對于尾追態(tài)勢,我機保持原航向,盡量消耗空空導彈的動能,在空空導彈與我機接近到一定距離(時間)時,采用機動規(guī)避。對于迎頭態(tài)勢,首先是置尾機動,在空空導彈與我機接近到一定距離(時間)時,采用機動規(guī)避。
我機機動規(guī)避的時機很難確定,特別是在將導彈置尾的情況下,導彈在機載雷達的盲區(qū)(不包括預警機),很難獲得導彈的運動規(guī)律。在仿真中,用剩余飛行時間模擬飛機起始機動的時間,其估計[15]為
(17)
假設初始態(tài)勢為Vm=600 m/s,Vt=300 m/s,Hm=0,r=5 000 m,Ht=30°(尾追)或Ht=150°(迎頭),nmax=40,N=3,τ=0.2 s。飛機采用8 g的過載進行置尾機動、開關機動或者圓機動,仿真步長0.001 s,結果如圖2~圖9所示。圖中,機動時間是飛機開始機動的時間,用tgo來估計,case1是tgo=4 s、T1=2 s的開關機動,case2是tgo=2 s、T1=2 s的開關機動。
圖2 飛機導彈軌跡(迎頭)Fig.2 Trajectory of fighter and missile(head on)
圖3 飛機導彈軌跡(尾追)Fig.3 Trajectory of fighter and missile(pursuit)
圖4 飛機導彈航向(迎頭)Fig.4 Course of fighter and missile(head on)
圖5 導彈過載(迎頭)Fig.5 Overload of missile(head on)
圖6 導彈過載(尾追)Fig.6 Overload of missile(pursuit)
圖7 開關機動脫靶量(尾追)Fig.7 Miss-distance of on-off maneuver(pursuit)
圖8 T1=0.5 s的脫靶量(尾追)Fig.8 T1=0.5 s miss-distance(pursuit)
圖9 T1=0.5 s的導彈過載(尾追)Fig.9 T1=0.5 s overload of missile(pursuit)
圖2的機動策略是首先采用圓機動盡量將導彈置尾,然后進行開關機動;圖3的機動策略是保持原航向,在末端進行開關機動。雖然兩種情況下導彈的彈道比較平滑,但是在飛機采取機動規(guī)避措施后,導彈的航向(見圖4)和過載(見圖5、圖6)均發(fā)生急劇變化,這表明導彈難于精確跟蹤目標,即飛機的機動是有效果的。圖7顯示,在實施開關機動時,變向周期對規(guī)避效果影響很大,變向周期短,脫靶量大,規(guī)避效果好。這是因為變向周期過長,導彈的制導系統(tǒng)對飛機的運動規(guī)律預測越準確的結果。圖8、圖9顯示,圓機動造成的導彈脫靶量和過載需求,隨機動時間的延長而下降,但開關機動的時間對機動效果的影響不大。因此,開關機動的效果要優(yōu)于圓機動。在開關機動周期較短(T1=0.5 s)的情況下,開關機動造成的導彈過載需求超出了導彈的過載能力,而且導彈過載需求在導彈可用過載極限值上周期性地變化,易造成控制系統(tǒng)震蕩,會進一步增大導彈的跟蹤誤差,這也有利于降低導彈對飛機的殺傷能力。圖7~圖9顯示,在導彈與飛機相遇1 s前的任意時間開始機動,即在導彈飛機相距幾百米到幾千米的距離范圍內(nèi)開始機動,均可達到很好的規(guī)避效果??紤]到飛機大過載機動對飛行員的影響,開始機動的時機在導彈飛機相距1 km的范圍內(nèi)是比較好的選擇。
為了定量評價飛機規(guī)避導彈的機動效果,采用逃逸成功概率來度量??湛諏椖繕藲囊蛩睾芏?且計算很復雜[16-17]。為分析問題方便,通常把殺傷區(qū)內(nèi)目標的單發(fā)殺傷概率取定值[18],一般取0.7~0.9[19-20],不妨取0.8。為直接利用文獻[21]的結果,將導彈速度設為900 m/s,即彈目相對速度約600 m/s。查文獻[21]可知,與該速度和毀傷概率對應的脫靶量為10 m,即在飛機不機動的情況下,被毀傷的概率是80%,逃逸概率是20%。將文獻[21]該條件下側(cè)向攻擊毀傷概率(Ph)與脫靶量(ρ)進行多項式擬合,然后與飛機機動造成的脫靶量與導彈固有的脫靶量相融合,對尾追、開關機動進一步仿真(Vm=900 m/s,T1=1 s,其他參數(shù)不變),得到的逃逸效果如圖10所示。
圖10 飛機逃逸的概率Fig.10 Evasive probability of fighter
從圖10可以清晰地看到機動逃逸效果顯著。機動的逃逸概率均大于不機動,平均逃逸概率0.374,最高逃逸概率0.456。
文中的模型沒有考慮導引頭角速度零位誤差、角度零位誤差、導引頭角噪聲以及目標閃爍噪聲對脫靶量的影響,如果考慮這些因素,仿真結果中的脫靶量會進一步增加;其次,也沒有考慮導彈速度隨時間的下降問題,而中近程空空導彈動力段持續(xù)時間一般不到10 s,此后依靠慣性追蹤目標,導彈速度的下降會顯著降低導彈的可用過載,從而進一步導致脫靶量的增加。
對飛行員而言,導彈的剩余飛行時間是未知的,但對尾追的空空導彈,機載告警系統(tǒng)(雷達、紅外和紫外)能夠提示導彈的來襲方位。對迎頭空空導彈,機載雷達能夠發(fā)現(xiàn)迎頭來襲的空空導彈,且機載告警系統(tǒng)也能提示導彈的來襲方位。因此,飛行員實施置尾機動和機動規(guī)避從理論上是可行的。
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Evasive maneuver model of a fighter against air-to-air missiles
WANG Guang-hui,Lü Chao,XIE Yu-peng,LIU Wen-chao
(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)
For the problem of a fighter evasive maneuver of air-to-air missiles,a two-dimensional pursuit-evasion model of the fighter against air-to-air missiles is built on missile time constant.The effectiveness of the fighter maneuver time and mode on the miss distance and overload requirement of air-to-air missiles is studied.And the evasive probability caused by miss distance,which is produced through fighter maneuver,is calculated.The conclusions that maneuver can increase evasive probability,on-off maneuver is superior to circle maneuver and a shorter maneuver period is better are gotten,which solve the problem of lack a quantity method to evaluate a fighter evasive maneuver air-to-air missiles.
fighter; evasive maneuver; air-to-air missile; miss distance
2015-08-03;
2016-05-15;網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期:2016-06-29。
V 271.4
ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.17
王光輝(1964-),男,教授,博士,主要研究方向為武器系統(tǒng)運用。
E-mail:wgh37161@sina.com
呂超(1984-),男,講師,碩士,主要研究方向為導彈火控系統(tǒng)。
E-mail:tingzile@163.com
謝宇鵬(1985-),男,講師,博士,主要研究方向為導彈火控系統(tǒng)。
E-mail:labyrinthy@163.com
劉文超(1986-),男,碩士研究生,主要研究方向為導航與無人機系統(tǒng)。
E-mail:iamliuwenchao_2005@163.com
網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160629.1134.008.html