多UCAV超視距協(xié)同空戰(zhàn)中的交接制導(dǎo)方法

周德云,楊 振,張 堃

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

多UCAV超視距協(xié)同空戰(zhàn)中的交接制導(dǎo)方法

周德云,楊 振,張 堃

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

針對(duì)UCAV隱身性與機(jī)動(dòng)性好但同時(shí)通信易受干擾且智能化程度較低的特性,提出了多UCAV超視距協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)模式。針對(duì)該模式下需要將空空導(dǎo)彈的中制導(dǎo)權(quán)移交給友機(jī)的問題,給出了交接制導(dǎo)方法。分析了交接制導(dǎo)的過程,結(jié)合超視距協(xié)同空戰(zhàn)的特點(diǎn),分別建立了UCAV對(duì)待交接導(dǎo)彈以及該導(dǎo)彈所攻擊目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)模型,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了UCAV的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型。根據(jù)該模型設(shè)計(jì)了制導(dǎo)權(quán)移交策略,采用粒子群算法進(jìn)行了優(yōu)化求解,實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)權(quán)在多UCAV內(nèi)部的合理交接,在一定程度上提高了UCAV的生存能力和自主決策能力。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的可行性及有效性。

多無人作戰(zhàn)飛機(jī)協(xié)同;空空導(dǎo)彈;超視距空戰(zhàn);交接制導(dǎo)

無人作戰(zhàn)飛機(jī)(Unmanned Combat Air Vehicle,UCAV)作為新興的作戰(zhàn)力量在戰(zhàn)爭中的地位日益提高[1]。與有人作戰(zhàn)飛機(jī)相比,UCAV沒有駕駛員、座艙及相應(yīng)的生命保障系統(tǒng),使用過載更高,氣動(dòng)效率更好,外形和橫截面的設(shè)計(jì)自由度更大,這些特點(diǎn)保證了UCAV突出的機(jī)動(dòng)性和隱身性優(yōu)勢(shì)[2-3]。近年來,在高技術(shù)條件下的信息化戰(zhàn)場(chǎng)上UCAV逐漸向著具有攻擊和殺傷能力的方向迅速發(fā)展。同時(shí)為適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)環(huán)境中作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜多樣性的特點(diǎn)和達(dá)到態(tài)勢(shì)共享、任務(wù)協(xié)同、合作式攻擊的戰(zhàn)術(shù)要求,將多架UCAV組成編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)已成為各軍事大國競(jìng)相研究和發(fā)展的熱點(diǎn)[1,4]。

目前,UCAV在實(shí)戰(zhàn)中主要應(yīng)用于偵查預(yù)警、防空壓制、通信支援、高風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)突防以及對(duì)地攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)[1],而尚未形成對(duì)空作戰(zhàn)能力。其主要原因在于,現(xiàn)階段UCAV的智能化程度較低、對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)變化反應(yīng)能力弱、對(duì)衛(wèi)星及地面站依賴性強(qiáng),使其在未來較長一段時(shí)間內(nèi),還難以取代有人機(jī)投入到瞬息萬變的近距格斗型空戰(zhàn)中。對(duì)此,本文考慮將多UCAV協(xié)同應(yīng)用于超視距空戰(zhàn)中,使用中/遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈作為機(jī)載武器,在指揮中心的統(tǒng)一指揮下實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射,即充當(dāng)空中“射手”的角色,從而避免復(fù)雜的格斗型空戰(zhàn)。同時(shí),戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈[5]和航空電子系統(tǒng)的迅猛發(fā)展以及第四代超視距空空導(dǎo)彈的出現(xiàn)也為這種空戰(zhàn)模式提供了可能。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,中/遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈一般采用“程序制導(dǎo)(慣導(dǎo))+指令修正中制導(dǎo)+主動(dòng)尋的末制導(dǎo)”的復(fù)合制導(dǎo)方式[6-7],但這種制導(dǎo)方式對(duì)載機(jī)依賴性較強(qiáng)。如果載機(jī)受到攻擊或通信鏈路受到干擾而不得不放棄制導(dǎo)任務(wù)時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致無法截獲目標(biāo)。而在多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)的條件下,則可以將載機(jī)的制導(dǎo)權(quán)移交給編隊(duì)內(nèi)的友機(jī),從而維持對(duì)導(dǎo)彈持續(xù)穩(wěn)定的制導(dǎo)。這樣不僅大幅提升了UCAV空戰(zhàn)的生存力和整體作戰(zhàn)效能,也促進(jìn)了戰(zhàn)術(shù)的靈活性。

目前,國外關(guān)于多機(jī)協(xié)同交接制導(dǎo)[8-10]的理論研究還比較少見。其中文獻(xiàn)[8]基于多模型自適應(yīng)濾波提出了對(duì)來襲尋的導(dǎo)彈進(jìn)行防衛(wèi)的協(xié)同制導(dǎo)律;文獻(xiàn)[9]在假設(shè)目標(biāo)的加速度和量測(cè)噪聲范圍界限已知的基礎(chǔ)上提出了一種導(dǎo)彈攔截的協(xié)同制導(dǎo)律;文獻(xiàn)[10]基于目標(biāo)的不確定性機(jī)動(dòng)和區(qū)域防空的概念設(shè)計(jì)了防空應(yīng)用中的協(xié)同制導(dǎo)律,而此類協(xié)同制導(dǎo)律中并未研究導(dǎo)彈制導(dǎo)平臺(tái)的切換問題。公開的文獻(xiàn)中,目前僅有美軍AIM-120空空導(dǎo)彈被報(bào)道[11]過具備協(xié)同交接制導(dǎo)能力,但在實(shí)戰(zhàn)中未見使用。

國內(nèi)對(duì)于空戰(zhàn)協(xié)同交接制導(dǎo)[6-7,12-14]也進(jìn)行了相關(guān)的理論性研究。文獻(xiàn)[6]研究了雙機(jī)編隊(duì)協(xié)同制導(dǎo)的火控機(jī)理,并給出了其過程描述。文獻(xiàn)[7]研究了多機(jī)空戰(zhàn)協(xié)同制導(dǎo)平臺(tái)的選取方法,并分析了制導(dǎo)切換的方式,但并未考慮我方飛機(jī)對(duì)待交接導(dǎo)彈的制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[12]針對(duì)超視距空戰(zhàn)中的多機(jī)協(xié)同制導(dǎo)問題給出了制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型,但模型中敵機(jī)及其導(dǎo)彈的性能參數(shù)在實(shí)際中往往難以準(zhǔn)確得到。文獻(xiàn)[13]重點(diǎn)研究了大規(guī)?？湛諏?dǎo)彈制導(dǎo)權(quán)移交問題的快速尋優(yōu)解法,而對(duì)于制導(dǎo)權(quán)優(yōu)勢(shì)建模并未深入討論。文獻(xiàn)[14]提出了利用“虛擬目標(biāo)”法對(duì)交接制導(dǎo)中的突變信息進(jìn)行漸進(jìn)處理,使中制導(dǎo)交接能夠平穩(wěn)進(jìn)行。

本文從當(dāng)前UCAV的性能特點(diǎn)出發(fā),提出了一種多UCAV超視距協(xié)同空戰(zhàn)模式,針對(duì)其中的制導(dǎo)交接問題,分別從UCAV對(duì)導(dǎo)彈和對(duì)目標(biāo)兩方面建立了詳細(xì)的制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型,并采用粒子群算法對(duì)所設(shè)計(jì)的制導(dǎo)權(quán)移交策略進(jìn)行了優(yōu)化求解,為合理的交接決策提供了理論依據(jù)。

1 交接制導(dǎo)的過程分析

多UCAV超視距協(xié)同空戰(zhàn)中,一個(gè)典型的交接制導(dǎo)過程如圖1所示。

首先n架UCAV組成編隊(duì)在地面或空中指揮中心的指揮引導(dǎo)下進(jìn)入作戰(zhàn)空域,編隊(duì)間通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)信息共享。當(dāng)敵方目標(biāo)1被我方UCAV1發(fā)現(xiàn)并進(jìn)入機(jī)載空空導(dǎo)彈的攻擊區(qū)時(shí),即發(fā)起攻擊。導(dǎo)彈發(fā)射后首先進(jìn)入初始程序制導(dǎo)段,在中制導(dǎo)段開始時(shí),UCAV1用機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)1和導(dǎo)彈進(jìn)行跟蹤、照射。該階段容易被敵方(目標(biāo)2)發(fā)現(xiàn)并受到攻擊(或者通信鏈路受到干擾),當(dāng)UCAV1被目標(biāo)2雷達(dá)鎖定并收到告警信號(hào)時(shí),隨即撤出制導(dǎo)并進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避。轉(zhuǎn)由編隊(duì)內(nèi)制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)最大的UCAVn對(duì)目標(biāo)1進(jìn)行照射,并將目標(biāo)1的相關(guān)信息形成修正指令傳給導(dǎo)彈,直至彈上的主動(dòng)導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo),轉(zhuǎn)入最后的末制導(dǎo)段,完成制導(dǎo)交接。

從上述過程描述中可以看出,由于每架UCAV的戰(zhàn)場(chǎng)相對(duì)態(tài)勢(shì)不同,從而對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施中制導(dǎo)的能力也并不完全一樣,這種制導(dǎo)能力稱為制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)[7]。本文建立了詳細(xì)的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型,并據(jù)此給出合理的交接制導(dǎo)決策。

2 綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型

綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)主要包括編隊(duì)內(nèi)各架UCAV對(duì)待交接導(dǎo)彈的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)和對(duì)該導(dǎo)彈所攻擊目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)。由于本文假定編隊(duì)內(nèi)UCAV型號(hào)均相同,故空戰(zhàn)效能優(yōu)勢(shì)[7]在此不作考慮。

2.1 UCAV對(duì)導(dǎo)彈的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)

UCAV對(duì)導(dǎo)彈的制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)包括角度優(yōu)勢(shì)和距離優(yōu)勢(shì),其相對(duì)態(tài)勢(shì)如圖2所示。圖2中,qf和qj分別為導(dǎo)彈的方位角和進(jìn)入角,vu和vm分別為UCAV和導(dǎo)彈的速度,d為UCAV與導(dǎo)彈的距離。其中UCAV與導(dǎo)彈的通信方式包括頭部照射和尾部照射,當(dāng)0≤|qf|≤90°時(shí)采用頭部照射,當(dāng)90°<|qf|≤180°時(shí)采用尾部照射[15]。UCAV要完成對(duì)導(dǎo)彈的制導(dǎo),在相對(duì)態(tài)勢(shì)上需同時(shí)滿足以下3個(gè)約束條件:①導(dǎo)彈需位于UCAV指令天線的最大搜索角(qf,max)范圍內(nèi);②UCAV需位于導(dǎo)彈尾部天線工作的最大錐角(qj,max)范圍內(nèi);③導(dǎo)彈與UCAV的距離不能超過機(jī)載雷達(dá)的最大制導(dǎo)距離(dmax)。

(1)

若制導(dǎo)機(jī)采用頭部照射,則當(dāng)|qf|=0且|qj|=0時(shí)角度優(yōu)勢(shì)值最大,Sq=1;當(dāng)|qf|=qf,max且|qj|=qj,max時(shí)角度優(yōu)勢(shì)值最小,Sq=0。若制導(dǎo)機(jī)采用尾部照射,則當(dāng)|qf|=180°且|qj|=0時(shí)角度優(yōu)勢(shì)值最大,Sq=1;當(dāng)|qf|=180°-qf,max且|qj|=qj,max時(shí)角度優(yōu)勢(shì)值最小,Sq=0。其他情況下,制導(dǎo)機(jī)與導(dǎo)彈之間無法正常通信,角度優(yōu)勢(shì)為0。

根據(jù)距離約束條件可知,距離優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著導(dǎo)彈與制導(dǎo)機(jī)距離的增大而減小,于是本文使用文獻(xiàn)[13]中的方法將距離優(yōu)勢(shì)建模為

(2)

當(dāng)3個(gè)約束條件均滿足時(shí),UCAV才能對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行制導(dǎo),于是建立UCAV對(duì)導(dǎo)彈的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)為

(3)

式中:α1+α2=1,0≤α1≤1,0≤α2≤1,α1和α2由專家經(jīng)驗(yàn)值給出,本文取α1=α2=0.5。

2.2 UCAV對(duì)目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)

參與交接制導(dǎo)的UCAV相對(duì)于被攻擊目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)越明顯,其所處的交接環(huán)境就越有利,制導(dǎo)能力也就越強(qiáng)。UCAV協(xié)同空戰(zhàn)中與目標(biāo)的相對(duì)態(tài)勢(shì)如圖3所示。

圖3中,Qf和Qj分別為目標(biāo)的方位角和進(jìn)入角,vu和vt分別為UCAV和目標(biāo)的速度,D和Δh分別為UCAV與目標(biāo)的距離和高度差,vc為UCAV與目標(biāo)在視線上的接近速度。

超視距空戰(zhàn)中,為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效跟蹤且同時(shí)避免被敵方攻擊,應(yīng)保證相對(duì)目標(biāo)角度占優(yōu)。其中Qf越大,則導(dǎo)彈離軸角越大,相應(yīng)的攻擊范圍減小,優(yōu)勢(shì)變小。而Qj越大,則導(dǎo)彈的攻擊區(qū)范圍越大,優(yōu)勢(shì)增大[16]。據(jù)此,本文結(jié)合機(jī)載雷達(dá)最大探測(cè)角(qr)、導(dǎo)彈最大離軸發(fā)射角(qm)、導(dǎo)彈最大不可逃逸圓錐角(qk)以及相對(duì)幾何態(tài)勢(shì),使用文獻(xiàn)[17]中方法對(duì)方位角優(yōu)勢(shì)SQf與進(jìn)入角優(yōu)勢(shì)SQj分別進(jìn)行建模,其中引入了文獻(xiàn)[18]中優(yōu)勢(shì)區(qū)、均勢(shì)區(qū)和逃避區(qū)的劃分原理進(jìn)行角度分界,即:

(4)

(5)

因?yàn)槟繕?biāo)方位角和進(jìn)入角對(duì)態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)的影響有較強(qiáng)的耦合關(guān)系,故建立角度優(yōu)勢(shì)函數(shù)為

(6)

式中:權(quán)值系數(shù)β1+β2=1,0≤β1≤1,0≤β2≤1。由于當(dāng)Qf較小時(shí),Qf對(duì)角度優(yōu)勢(shì)影響較大;Qf較大時(shí),Qj對(duì)角度優(yōu)勢(shì)影響較大[16]。本文據(jù)此特性對(duì)傳統(tǒng)的常數(shù)權(quán)值進(jìn)行改進(jìn),令β1=(k1-|Qf|)/k2,使β1隨|Qf|的增大而減小,同時(shí)β2隨之增大,其中k1和k2由專家經(jīng)驗(yàn)值給出。本文取k1=225,k2=270。

傳統(tǒng)的距離優(yōu)勢(shì)建模中,通常將導(dǎo)彈的攻擊區(qū)視為球形,而實(shí)際卻與此相差甚遠(yuǎn)。其中Qj對(duì)攻擊區(qū)的影響最大,所以本文參考文獻(xiàn)[17]中方法,同時(shí)將Qj引入到距離優(yōu)勢(shì)中建模為

(7)

式中:Rr為機(jī)載雷達(dá)最大探測(cè)距離,Rm為導(dǎo)彈最大攻擊距離,Rk,max為導(dǎo)彈最大不可逃逸區(qū)最大距離,Rk,min為導(dǎo)彈最大不可逃逸區(qū)最小距離,c為與Qj相關(guān)的約束系數(shù)。導(dǎo)彈的實(shí)際攻擊區(qū)邊界會(huì)隨著進(jìn)入角|Qj|的減小而遞減,即迎頭攻擊時(shí)最大,側(cè)向攻擊時(shí)次之,尾追時(shí)最小。據(jù)此特性將c定義為

(8)

式中:λ為常值,其值決定不同導(dǎo)彈攻擊區(qū)邊界隨進(jìn)入角變化的幅度,本文取λ=260。

根據(jù)空戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)UCAV角度占優(yōu)時(shí),D越小,優(yōu)勢(shì)越大;而當(dāng)UCAV角度處于劣勢(shì)時(shí),D越大,優(yōu)勢(shì)越大。故當(dāng)角度占優(yōu)時(shí),應(yīng)使vc>0,以減小相對(duì)距離;而角度處于劣勢(shì)時(shí),應(yīng)使vc<0,以增大相對(duì)距離。據(jù)此建立符合上述特征的類似反正切函數(shù)形式的速度優(yōu)勢(shì)為

(9)

超視距空戰(zhàn)中,其他條件一致,而UCAV適度高于目標(biāo)時(shí),則其態(tài)勢(shì)會(huì)更優(yōu)。但Δh過大也會(huì)對(duì)UCAV和導(dǎo)彈的性能產(chǎn)生影響,并且使導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時(shí),需要在垂直面內(nèi)作大幅機(jī)動(dòng)。據(jù)此建立符合上述特征的高度優(yōu)勢(shì)函數(shù)為

(10)

式中:Δhp為UCAV與目標(biāo)的最佳高度差,Δh在Δhp附近時(shí)高度優(yōu)勢(shì)取得較大值,反之取得較小值;ω為常值,其值決定高度優(yōu)勢(shì)曲線的變化,本文取ω=1.5。

綜上所述,并考慮到空戰(zhàn)中角度與距離優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)耦合性,建立UCAV相對(duì)目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)為

(11)

式中:λ1+λ2+λ3=1,0≤λ1≤1,0≤λ2≤1,0≤λ3≤1;βQ+βD=1,0≤βQ≤1,0≤βD≤1,可由專家經(jīng)驗(yàn)值給出。結(jié)合超視距空戰(zhàn)的特點(diǎn),本文取λ1=0.6,λ2=0.2,λ3=0.2,βQ=0.5,βD=0.5。

2.3 UCAV的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)

綜合UCAV分別對(duì)導(dǎo)彈和目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì),可得UCAV的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì):

S=ε1·SM+ε2·ST

(12)

式中:ε1,ε2分別為UCAV對(duì)待交接導(dǎo)彈和該導(dǎo)彈所攻擊目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)的權(quán)值系數(shù),且有ε1+ε2=1,0≤ε1≤1,0≤ε2≤1,本文取ε1=0.6,ε2=0.4。

3 制導(dǎo)權(quán)移交策略

3.1 制導(dǎo)權(quán)移交模型

假設(shè)空戰(zhàn)中,我方UCAV有M架,敵機(jī)有N架,某一時(shí)刻有K枚導(dǎo)彈需要制導(dǎo)交接,其中第j枚導(dǎo)彈攻擊第j架敵機(jī)。通過上述計(jì)算方法,可根據(jù)第i架UCAV分別對(duì)第j枚導(dǎo)彈和第j架敵機(jī)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)得到其綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)值Sij。這里,i∈I,I={i|i=1,2,…,M且i?t},t為請(qǐng)求交接制導(dǎo)的UCAV編號(hào)集合;j=1,2,…,K。

制導(dǎo)權(quán)移交的任務(wù)就是尋找一組解xij,使得總體制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)最大,同時(shí)滿足各種約束條件。即:

(13)

約束條件為

(14)

(15)

xij∈{0,1}

(16)

式(14)表示每枚導(dǎo)彈只選擇一架UCAV進(jìn)行制導(dǎo)交接,式(15)表示第i架UCAV最多制導(dǎo)Li枚導(dǎo)彈,式(16)表示第i架UCAV是否執(zhí)行對(duì)第j枚導(dǎo)彈的制導(dǎo)交接任務(wù),1為是,0為否。可以看出,制導(dǎo)權(quán)移交模型是一個(gè)典型的非線性規(guī)劃模型,該模型的求解復(fù)雜度會(huì)隨著維數(shù)(待交接導(dǎo)彈數(shù)、可執(zhí)行制導(dǎo)任務(wù)的UCAV數(shù)和單架UCAV最多所能制導(dǎo)的導(dǎo)彈數(shù))增加而呈指數(shù)級(jí)增加,窮舉法將難以應(yīng)對(duì)。

3.2 基于粒子群算法的制導(dǎo)權(quán)移交策略

對(duì)于3.1節(jié)中的非線性規(guī)劃模型,當(dāng)前廣泛采用遺傳算法、粒子群算法等智能算法及其組合優(yōu)化算法進(jìn)行求解,由文獻(xiàn)[19]可知,粒子群優(yōu)化算法在尋找最優(yōu)解效率上要優(yōu)于遺傳算法,時(shí)效性更好。因此本文采用粒子群優(yōu)化算法[20]對(duì)上述模型進(jìn)行尋優(yōu)求解。根據(jù)需要交接制導(dǎo)的導(dǎo)彈數(shù)量,令粒子維度為K。考慮到粒子搜索過程中的連續(xù)性和隨機(jī)性,將粒子的位置向量編碼為I中元素的“指針”形式:(p1,p2,…,pj,…,pK),其中pj表示將第j枚待交接導(dǎo)彈的制導(dǎo)任務(wù)移交給I中第pj個(gè)元素所代表的UCAV。然后將相應(yīng)的xij置為1,再代入到式(13)中求解適應(yīng)度值。

應(yīng)用粒子群算法求解制導(dǎo)權(quán)移交模型,主要有以下2個(gè)問題:①粒子在位置、速度更新時(shí)會(huì)出現(xiàn)小數(shù);②在搜索過程中會(huì)出現(xiàn)不滿足約束條件的解。對(duì)此,本文將算法做出以下改進(jìn):對(duì)于小數(shù)問題,以“取整”的方式保證取值的合理性。對(duì)于不滿足約束條件的解,可以將其所求得的制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)重置為0。本文仿真中設(shè)置種群大小為10,迭代次數(shù)為50,學(xué)習(xí)因子均設(shè)為2,最大和最小速度分別設(shè)為1和-1。

4 仿真結(jié)果與分析

為了方便描述空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)和制導(dǎo)優(yōu)勢(shì),本文仿真中設(shè)置如下空戰(zhàn)場(chǎng)景:我方空戰(zhàn)編隊(duì)由相同型號(hào)的7架UCAV組成(U1,U2,…,U7);水平初始位置分別為(0,20),(8,20),(15,20),(20,20),(20,15),(20,8),(20,0),單位為km;初始高度均為5 km;速度均為320 m/s。敵方由4架飛機(jī)(T1,T2,T3,T4)構(gòu)成;水平初始位置分別為(120,130),(125,125), (130,120),(135,115),單位為km;初始高度均為7 km;速度均為380 m/s。導(dǎo)彈速度為1 km/s。

文中相關(guān)參數(shù):qf,max=70°,qj,max=35°,dmax=100 km,qr=70°,qm=40°,qk=20°,Rr=150 km,Rm=110 km,Rk,max=55 km,Rk,min=20 km,Δhp=2 km,Li=2。

整個(gè)超視距協(xié)同空戰(zhàn)過程中的UCAV、敵機(jī)和導(dǎo)彈的飛行軌跡如圖4所示。

圖4中UCAV分別為U1,U2,…,U7;導(dǎo)彈分別為M1,M2,M3,M4;敵機(jī)分別為T1,T2,T3,T4。仿真中的攻擊方案為:U3發(fā)射M1攻擊T1,U4發(fā)射M2和M3分別攻擊T2和T3,U5發(fā)射M4攻擊T4,其中導(dǎo)彈采用經(jīng)典比例導(dǎo)引法[21]制導(dǎo)。敵機(jī)作相應(yīng)機(jī)動(dòng)飛行,我方UCAV編隊(duì)散開,各自追蹤敵機(jī)。空戰(zhàn)過程中,U4和U5受到敵機(jī)T3的攻擊,并在第115s時(shí)請(qǐng)求交接制導(dǎo)進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避。

按照本文的計(jì)算方法,得到該時(shí)刻編隊(duì)內(nèi)UCAV的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)如表1所示,其中M2、M3、M4為待交接導(dǎo)彈,U4和U5因受到攻擊而撤出制導(dǎo),U3由于已制導(dǎo)M1,故其只能再接受一枚導(dǎo)彈的交接任務(wù)。

表1 UCAV綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)

按照本文的粒子群算法求解得到制導(dǎo)權(quán)移交策略為:M2交由U3制導(dǎo),M3和M4均交由U6制導(dǎo)。其中交接前后的制導(dǎo)關(guān)系如表2所示,粒子群算法的適應(yīng)度值η隨迭代次數(shù)變化的曲線如圖5所示,η即為式(13)中的總體制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)值,J為迭代次數(shù)。

表2 交接前后制導(dǎo)關(guān)系對(duì)比

由圖5可以看出最優(yōu)適應(yīng)度值很快收斂,結(jié)合表1中數(shù)據(jù)可知,該制導(dǎo)權(quán)移交策略符合總體制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)最大化的原則,是全局最優(yōu)解。

最后給出各架UCAV分別對(duì)M2,M3和M4的綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)值S2,S3和S4隨時(shí)間變化的曲線,如圖6～圖8所示。

根據(jù)圖6～圖8中UCAV對(duì)待交接導(dǎo)彈的制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)變化曲線,可以看出本文綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)建模的準(zhǔn)確性以及制導(dǎo)權(quán)移交策略的合理性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前UCAV的性能特點(diǎn),提出了一種適合UCAV對(duì)空作戰(zhàn)的超視距協(xié)同空戰(zhàn)模式。針對(duì)其中制導(dǎo)交接問題,分別分析了UCAV對(duì)導(dǎo)彈和對(duì)目標(biāo)的態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì),據(jù)此建立了綜合制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)模型。并采用粒子群算法對(duì)所設(shè)計(jì)的制導(dǎo)權(quán)移交策略進(jìn)行了優(yōu)化求解,實(shí)現(xiàn)了制導(dǎo)權(quán)在多UCAV內(nèi)部的合理交接。在一定程度上提高了UCAV的生存能力和自主決策能力,保證了對(duì)敵方的有效攻擊,具有較好的理論意義及軍事應(yīng)用前景。

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Method of Guidance Handover in Beyond-visual-range Coordinated Air-combat for Multi-UCAVs

ZHOU De-yun,YANG Zhen,ZHANG Kun

(School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China)

UCAV has superior mobility and stealth performance while the stability of communication system and intelligence level are poor at present.According to these features,a beyond-visual-range coordinated air-combat mode for multi-UCAVs was proposed.To investigate the handover of guidance power from intermediate-range air-to-air missiles to other friendly UCAVs,a method of guidance handover was proposed.The process of guidance handover was analyzed in principle.Then the situational superiority models of UCAVs to the missile whose guidance power needed to be turned over and the target of missile were established.Based on these models,the comprehensive guidance superiority model of UCAVs was constructed.The strategy of guidance handover was designed according to this model,and solved by particle-swarm optimization algorithm.The reasonable handover of guidance power among multi-UCAVs was realized,and the survivability and autonomous decision-making capacity of UCAV were improved to some extent.The simulation result verifies the feasibility and validity of the method.

multi-UCAVs cooperation;air-to-air missile;beyond-visual-range air combat;guidance handover

2016-06-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61401363);航空科學(xué)基金項(xiàng)目(20155153034)

周德云(1964- ),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橄冗M(jìn)航空火力控制。E-mail:nwpuyz@foxmail.com。

楊振(1993- ),男,博士研究生,研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模與仿真。E-mail:1533422060@qq.com。

V448.1

A

1004-499X(2017)02-0001-07