基于目標(biāo)雙參數(shù)的末敏彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整

韓廣超,王 鋒,趙河明,彭志凌,劉建勛

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

基于目標(biāo)雙參數(shù)的末敏彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整

韓廣超,王 鋒,趙河明,彭志凌,劉建勛

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

針對(duì)末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)恒定,掃描規(guī)律一定,對(duì)不同參數(shù)目標(biāo),可能導(dǎo)致漏掃甚至無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的問(wèn)題,提出了一種基于目標(biāo)速度與長(zhǎng)度的掃描角自適應(yīng)調(diào)整方法。建立了末敏子彈掃描目標(biāo)的關(guān)系模型,通過(guò)MATLAB進(jìn)行了初始掃描角以及穩(wěn)態(tài)掃描掃描角的確定。仿真結(jié)果表明:文中提出的掃描自適應(yīng)調(diào)整方法,能快速調(diào)整掃描角,提高了掃描效率,便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo),對(duì)末敏彈設(shè)計(jì)提供了一定的理論支持和數(shù)據(jù)參考。

末敏彈;掃描角;自適應(yīng)調(diào)整;MATLAB

0 引言

末敏彈具有大面積封鎖與殺傷性、效費(fèi)比高以及打了不用管等優(yōu)點(diǎn)[1],在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,針對(duì)裝甲集群目標(biāo)精確打擊發(fā)揮了極其重要的作用。

從彈道運(yùn)動(dòng)角度來(lái)看,穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)對(duì)子彈藥系統(tǒng)性能與可靠性高低起著決定性作用,文獻(xiàn)[2]研究了末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描的物理規(guī)律;文獻(xiàn)[3-4]對(duì)末敏彈掃描角進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5-6]對(duì)末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹,但是以上研究均屬于傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)掃描方式,這種方式缺點(diǎn)就是掃描效率低,如果目標(biāo)處于掃描中心,需長(zhǎng)時(shí)間才能探測(cè)到目標(biāo)甚至可能因子彈滯空時(shí)間長(zhǎng)而被擊落。從目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度來(lái)看,影響末敏彈掃描效率主要是目標(biāo)的速度和長(zhǎng)度兩種因素,文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)速度和長(zhǎng)度兩種因素就末敏彈的掃描運(yùn)動(dòng)只進(jìn)行了簡(jiǎn)單敘述與介紹,沒(méi)有深入研究。

未來(lái)裝甲坦克為提高機(jī)動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)快速部署以及提高戰(zhàn)場(chǎng)生存力,將會(huì)向高速、小型化方向發(fā)展[9-10],因此提高末敏彈的掃描效率,改善作戰(zhàn)效能,是研究新一代末敏彈的主要任務(wù)之一,根據(jù)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭掃描技術(shù)原理[11-14],提出了基于目標(biāo)速度與長(zhǎng)度雙參數(shù)的末敏彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整方法。

1 末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描工作原理

末敏彈經(jīng)火炮發(fā)射后,飛行到指定區(qū)域上空,母彈開(kāi)艙拋射子彈體,減速減旋穩(wěn)定后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描階段,子彈體穩(wěn)態(tài)掃描工作原理如圖1所示。

穩(wěn)態(tài)掃描過(guò)程:子彈軸與鉛垂方向成某一角度值θ的子彈在摩擦盤導(dǎo)旋作用下,主旋轉(zhuǎn)傘帶動(dòng)子彈同步旋轉(zhuǎn),與此同時(shí),位于子彈上的敏感視場(chǎng)在地面以螺旋線的形式由外向內(nèi)開(kāi)始對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、探測(cè)、識(shí)別,一旦識(shí)別目標(biāo),即刻形成爆炸成型彈丸(explosively formed projectile,EFP),從頂部攻擊裝甲集群目標(biāo)。

圖1 末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描原理圖

假設(shè)子彈穩(wěn)態(tài)掃描的初始高度為H,在螺線上的初始掃描位置為A0,初始位置與X軸成α,經(jīng)時(shí)間t后為掃描螺線上的A1點(diǎn),其坐標(biāo)表示為:

(1)

由式(1)可得出掃描軌跡的極坐標(biāo):

r(t)=(H-vt)tanθexp(i(α+wt))

(2)

根據(jù)式(2)可知兩相鄰掃描螺線的距離為:

Δ=vtanθ/n

(3)

n=w/2π是子彈繞鉛垂軸的角速度(r/s)。

2 末敏子彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整

2.1 末敏子彈掃描目標(biāo)關(guān)系模型的分析與建立

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中研究識(shí)別方式對(duì)捕獲準(zhǔn)則的影響可知:在擺幅不大的情況下,“一次掃描”方式命中概率較高,因此,假設(shè)捕獲準(zhǔn)則為一次掃描,同時(shí)假設(shè)子彈在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)掃描時(shí)目標(biāo)處于掃描區(qū)域內(nèi)部靠近中心處,目標(biāo)如果要被掃描軌跡所覆蓋,必須滿足子彈在一個(gè)掃描周期內(nèi),目標(biāo)向前行駛的距離為坦克標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減去N個(gè)掃描螺距,其中N≥1,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與掃描軌跡關(guān)系如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 目標(biāo)未接觸掃描軌跡線

因此用末敏彈攻擊目標(biāo)的理論速度值為:

(4)

式中N≥1且為整數(shù)值,L為坦克的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。

圖3 目標(biāo)開(kāi)始接觸掃描軌跡線

圖4 目標(biāo)穿過(guò)掃描軌跡線

戰(zhàn)場(chǎng)上,如果目標(biāo)速度與根據(jù)式(4)計(jì)算的理論值滿足前者小于等于后者的話,可以用末敏彈進(jìn)行攻擊[16],但未來(lái)坦克如果滿足前者大于后者的話,傳統(tǒng)末敏彈將失去作用,為解決這方面的問(wèn)題根據(jù)式(3)和式(4)從穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)考慮,轉(zhuǎn)速和落速均與主旋轉(zhuǎn)傘有關(guān),主旋轉(zhuǎn)傘一旦設(shè)計(jì)好,轉(zhuǎn)速和落速也就確定了[17],因此應(yīng)從掃描角考慮,滿足的關(guān)系式如下:

(5)

式(5)為子彈體掃描目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型,如果目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減小,則理論速度減小,在目標(biāo)速度增大的同時(shí),若增大理論速度值,可減小掃描角,直到計(jì)算的理論速度值大于等于目標(biāo)的速度為止。

2.2 末敏子彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理分析

根據(jù)式(5),如果目標(biāo)速度大于理論速度時(shí),通過(guò)降低掃描角來(lái)增大理論速度,所以掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理為:每完成一次掃描周期,掃描角θ變化一個(gè)Δθ,使得相鄰兩個(gè)掃描周期探測(cè)區(qū)域相切,可以避免探測(cè)區(qū)域重合,提高掃描效率。其自適應(yīng)調(diào)整原理如圖5所示。

圖5 掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理

Hn為當(dāng)前時(shí)刻子彈距地面的高度,Hn+1為下一時(shí)刻子彈距地面的高度,兩者之間時(shí)間差為一個(gè)掃描周期,A點(diǎn)為兩次掃描探測(cè)區(qū)域相切點(diǎn),則有:

Hntan(θn-δ)=Hn+1tan(θn+1+δ)

(6)

(7)

式中δ為紅外敏感器的視場(chǎng)角,圖6為掃描角自適應(yīng)調(diào)整掃描原理圖。

圖6 末敏子彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理

2.3 掃描角自適應(yīng)調(diào)整在工程中的實(shí)際應(yīng)用

在2.2節(jié)描述的掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理中:兩掃描區(qū)域相切,避免探測(cè)區(qū)域重合,在工程實(shí)際應(yīng)用中,為保證目標(biāo)不被探測(cè)器所漏掃,要求探測(cè)區(qū)域出現(xiàn)一定的重合,因此在實(shí)際應(yīng)用中,需引入掃描角補(bǔ)償系數(shù)ε,其作用就是對(duì)掃描角進(jìn)行修正,從而保證探測(cè)區(qū)域達(dá)到一定重合度,同時(shí)在設(shè)計(jì)靜態(tài)懸掛角時(shí),掃描角必須設(shè)置最低門限值γ和最高門限值β,這樣才能保證有一定的掃描區(qū)域,并且保證子彈體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。修正后的掃描角如下:

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)得出的掃描角就可滿足工程中實(shí)際應(yīng)用。

3 掃描角自適應(yīng)調(diào)整仿真分析

初始參數(shù)設(shè)定:子彈藥穩(wěn)態(tài)掃描時(shí)距地面高度H=600 m,轉(zhuǎn)速n=4 r/s,落速v=14 m/s,紅外敏感器視場(chǎng)角δ=1.6°目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度L=6 m,目標(biāo)實(shí)際速度定為82.8 km/h,根據(jù)式(4)、式(5)、式(7)三式,初步選定初始掃描角即靜懸掛角的范圍為5°～39°。

3.1 初始掃描角和穩(wěn)態(tài)掃描角的確定

根據(jù)末敏子彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整原理,編寫仿真代碼,仿真得出各初始掃描角下,經(jīng)自適應(yīng)調(diào)整后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)掃描角以及所用的時(shí)間如表1所示。

表1 初始掃描角與穩(wěn)態(tài)掃描角及時(shí)間關(guān)系

從表中數(shù)據(jù)可以看出:

1)時(shí)間均為掃描周期的整數(shù)倍;

2)掃描角每3°變化,其時(shí)間是相同的,最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)掃描角的范圍基本在1°～4°之間且變化平穩(wěn),只有在初始掃描角為29°～32°時(shí),每4°變化。

掃描角選取原則:既保證時(shí)間短,又保證掃描角最大,綜合表中數(shù)據(jù),將初始掃描角定在7°,確定的穩(wěn)態(tài)掃描角為3.831 7°,此時(shí)時(shí)間最短為一個(gè)掃描周期,穩(wěn)態(tài)掃描角較大,滿足掃描角選取原則。

3.2 掃描軌跡分析

在同一穩(wěn)態(tài)掃描開(kāi)始高度,同一落速,同一轉(zhuǎn)速下,傳統(tǒng)末敏彈(掃描角為30°)的掃描軌跡和掃描角自適應(yīng)調(diào)整后的掃描軌跡分別如圖7和圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)掃描角為30°時(shí)的掃描軌跡

圖8 掃描角自適應(yīng)調(diào)整后的軌跡

傳統(tǒng)掃描角為30°時(shí),目標(biāo)實(shí)際速度要遠(yuǎn)大于所計(jì)算的理論值,此時(shí)不能用末敏彈攻擊目標(biāo)。為滿足目標(biāo)實(shí)際速度小于等于理論速度,經(jīng)掃描角自適應(yīng)調(diào)整后,掃描角變得很小,在穩(wěn)態(tài)掃描開(kāi)始高度相同的情況下,探測(cè)器掃描范圍會(huì)明顯降低,同時(shí)掃描間隔也會(huì)大幅減小,這樣會(huì)使得目標(biāo)被掃描到的幾率增加,提高子母彈的作戰(zhàn)效能。

4 結(jié)論

文中針對(duì)目標(biāo)長(zhǎng)度與速度兩參數(shù),在目標(biāo)速度大于理論目標(biāo)速度時(shí),傳統(tǒng)子母彈掃描效率下降,提出了基于目標(biāo)雙參數(shù)的末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描角自適應(yīng)調(diào)整方法。通過(guò)仿真分析:該方法能夠快速調(diào)整掃描角,不僅提高掃描效率,而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。通過(guò)分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)根據(jù)子彈與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型可知:掃描角自適應(yīng)調(diào)整中,掃描角逐漸減小,所以從掃描軌跡看方向由外向內(nèi),在目標(biāo)速度較大,標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減小的情況下,目標(biāo)應(yīng)位于子母彈的掃描軌跡內(nèi),因此,在火炮發(fā)射末敏彈時(shí),應(yīng)調(diào)整射擊諸元,使目標(biāo)處于掃描軌跡內(nèi)。

2)文中提出的掃描角自適應(yīng)調(diào)整方法,對(duì)末敏彈的研究與設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)和方法支持,具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

3)文中得出的結(jié)果存在一種缺陷:當(dāng)目標(biāo)的速度和長(zhǎng)度確定時(shí),經(jīng)調(diào)整后的穩(wěn)態(tài)掃描角很小,雖然掃描間隔減小了,增加了目標(biāo)被掃描幾率,但探測(cè)器的掃描范圍卻大大的降低了。

4)文中是在理想狀態(tài)即無(wú)風(fēng)影響下,對(duì)末敏彈掃描角進(jìn)行的自適應(yīng)調(diào)整研究,但在實(shí)際情況下,風(fēng)的影響可能會(huì)對(duì)掃描角產(chǎn)生一定的影響,因此研究風(fēng)作用下的末敏彈掃描角自適應(yīng)調(diào)整對(duì)末敏彈的研究與設(shè)計(jì)更具有一定的現(xiàn)實(shí)與應(yīng)用指導(dǎo)意義。

[1] 鄭榮躍, 秦子增. 子母彈研究進(jìn)展 [J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 18(1): 60-64.

[2] 李臣明, 韓子鵬, 劉怡昕, 等. 基于四元數(shù)法變換的末敏彈掃描運(yùn)動(dòng)研究 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2009, 30(4): 389-393.

[3] 馬凱臣, 曹詠弘, 范錦彪. 基于公式近似的末敏彈掃描角計(jì)算方法 [J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2011, 33(5): 52-55.

[4] 劉文舉, 魏琳, 鐘錄宏. 末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描角仿真模型研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 108-109.

[5] 顧建平, 韓子鵬. 末敏彈掃描運(yùn)動(dòng)的影響因素分析 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2009, 29(3): 136-138.

[6] 史金光, 韓子鵬, 舒敬榮, 等. 雙翼型無(wú)傘末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2010, 22(2): 24-27.

[7] 趙新生, 邢立新, 孫超. 末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描段掃描間隔分析 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2005, 25(4): 900-902.

[8] 程杰, 張凌海. 末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描段掃描間隔對(duì)射擊效果的影響分析 [J]. 電腦知識(shí)與技術(shù), 2014, 10(20): 4857-4859.

[9] 袁常卿, 蘇鐵熊. 未來(lái)坦克裝甲車輛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) [J]. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā), 2007(1): 11-12.

[10] 郭正祥. 用對(duì)比分析法評(píng)判坦克優(yōu)劣——世界坦克排行榜值得商榷 [J]. 國(guó)外坦克, 2012(10): 13-17.

[11] 吳文超, 黃長(zhǎng)強(qiáng), 王志軍, 等. 某型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭定向掃描技術(shù) [J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 11(3): 30-34.

[12] CARLSON B D, EVANS E D, WILSON S L. Search radar detection and track with the hough transform: Part Ⅰ System concept [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1994, 30(1): 102-108.

[13] CARLSON B D, EVANS E D, WILSON S L. Search radar detection and track with the hough transform: Part Ⅱ Detection statistics [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1994, 30(1): 109-115.

[14] CARLSON B D, EVANS E D, WILSON S L. Search radar detection and track with the hough transform: Part Ⅲ Detection performance with binary integration [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1994, 30(1): 116-125.

[15] 楊紹卿. 末敏彈系統(tǒng)理論 [M]. 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2009: 54-67.

[16] 翟保磊, 李波, 高曉光. 基于掃描角控制的末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描方法 [J]. 電光與控制, 2013, 20(6): 58-61.

[17] 楊紹卿. 靈巧彈藥工程 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010: 149-157.

Self-adaptive Adjustment of the Scanning Angle of Terminal-sensitivity Projectile Based on Target Double Parameters

HAN Guangchao,WANG Feng,ZHAO Heming,PENG Zhiling,LIU Jianxun

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

For terminal-sensitivity projectile(TSP)steady state scanning parameters were constant, and the law of scanning was certain, for the target with different parameters, it might lead to leakage scanning, and it even could not find the problem of the target in time, a method of the scanning angle self-adaptive adjustment of TSP based on target speed and length was proposed. The relation model of TSP and target was established, and then, the initial scanning angle as well as the steady state scanning angle was confirmed by MATLAB. The simulation results showed that: the method of self-adaptive adjustment presented in this paper could quickly adjust the scanning angle, and it improved scanning efficiency, and help it find the target in time. What’s more, the theoretical support and data reference were provided for the design of the TSP.

terminal-sensitivity projectile(TSP); scanning angle; self-adaptive adjustment; MATLAB

2016-01-22

國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目資助

韓廣超(1989-),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,研究方向:智能彈藥、探測(cè)制導(dǎo)與控制。

TJ410.1

A