點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃*

戴瑜，湯子躍，李婧

(空軍預(yù)警學(xué)院 a.三系；b.信息管理中心，湖北 武漢 430019)

點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃*

戴瑜a，湯子躍a，李婧b

(空軍預(yù)警學(xué)院 a.三系；b.信息管理中心，湖北 武漢 430019)

點狀區(qū)域的探測是預(yù)警機面臨的主要探測任務(wù)之一。針對點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃問題，首先根據(jù)點狀區(qū)域的特點分析該類探測任務(wù)的多預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式，為了獲得更大的預(yù)警距離以及發(fā)揮預(yù)警機裝備最大效費比，確定點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線模式，并對航線半徑的選擇進行了討論；然后，根據(jù)點狀區(qū)域半徑大小，分平時和戰(zhàn)時2種情況分別對點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線進行規(guī)劃，并對其探測性能進行了分析；最后，通過仿真實驗驗證了該方法的有效性。

點狀區(qū)域；預(yù)警機；協(xié)同；航線規(guī)劃；圓形航線；穩(wěn)定覆蓋區(qū)域

0 引言

預(yù)警機是一種大型、全天候、多傳感器空中預(yù)警與指揮控制飛機，比地面雷達具有更強的低空探測能力、指揮戰(zhàn)場能力和機動能力。預(yù)警機可以彌補地面雷達在低空、超低空探測上的盲區(qū)，是地面雷達情報的重要補充，在信息化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-4]。預(yù)警機不僅可以增加提前預(yù)警的距離，而且還可以整合各參戰(zhàn)部隊，有效地指揮多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)，充分發(fā)揮武器裝備的作戰(zhàn)效能[5-7]，起到機動雷達站和空中指揮中心的作用，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要武器裝備。

隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜，單架預(yù)警機在執(zhí)行任務(wù)過程中通常會面臨探測區(qū)域有限、雷達情報掌握不連續(xù)、抗干擾能力弱、安全性不強等問題，這在很大程度上影響了預(yù)警機整體效能的發(fā)揮。另外，隨著科學(xué)技術(shù)和武器裝備的飛速發(fā)展，作戰(zhàn)形式已經(jīng)開始由傳統(tǒng)的平臺中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)演變，依靠單架預(yù)警機的探測和指揮控制已經(jīng)無法滿足未來戰(zhàn)爭的需求。

對點狀區(qū)域的預(yù)警探測是預(yù)警機經(jīng)常面臨的一項重要作戰(zhàn)任務(wù)，預(yù)警機需要對重點政治或軍事目標進行保護(例如：奧運安保、世博會安保、海上艦隊保障等任務(wù))，實時探測和監(jiān)控從各方向逼近點狀區(qū)域的飛行物體，以防突然襲擊[8-12]。

點狀區(qū)域是以特定坐標為中心，通常空域范圍較小，單架預(yù)警機基本可以實現(xiàn)空域上的穩(wěn)定覆蓋，但卻無法彌補其固有的多普勒速度盲區(qū)，無法實現(xiàn)真正意義上的完全覆蓋，導(dǎo)致情報的不連續(xù)[13-16]。因此，需要多架預(yù)警機協(xié)同來執(zhí)行點狀區(qū)域的保護任務(wù)。針對點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃，圓形航線是一種最佳的選擇，本文主要對于預(yù)警機圓形航線半徑的選擇以及探測威力進行分析。

1 預(yù)警機圓形航線半徑的選擇

針對點狀區(qū)域的預(yù)警機航線采用圓形航線，以便對點狀區(qū)域進行全方位環(huán)視警戒。圓形航線半徑的選擇是預(yù)警機部署的基礎(chǔ)，決定和影響預(yù)警機效能的發(fā)揮以及整體部署的探測威力，因此，合理選擇圓形航線的半徑是至關(guān)重要的。

令預(yù)警機的最大作用距離為R，預(yù)警機的飛行速度為v，預(yù)警機的圓形航線半徑為r。預(yù)警機的短時覆蓋區(qū)域(預(yù)警機部分時間能探測到的區(qū)域)是以圓形航線圓心為圓心，半徑是R+r的圓形區(qū)域；穩(wěn)定覆蓋區(qū)域(預(yù)警機一直能探測到的區(qū)域)是以圓形航線圓心為圓心，半徑是R-r的圓形區(qū)域。對于預(yù)警機來說最大作用距離R是固定的，圓形航線半徑r決定了探測的短時覆蓋區(qū)域和穩(wěn)定覆蓋區(qū)域，即探測威力。圓形航線半徑r越大，短時覆蓋區(qū)域越大，穩(wěn)定覆蓋區(qū)域越小。r太大，預(yù)警機的部署就不能對點狀區(qū)域形成穩(wěn)定覆蓋；反之r太小，預(yù)警機的短時覆蓋區(qū)域變小，即最大預(yù)警距離變小，同時，半徑過小導(dǎo)致坡度角增大，影響預(yù)警機的探測性能。

預(yù)警機的最大作用距離一般都大于300 km，點狀區(qū)域半徑大于預(yù)警機最大作用距離的情況較少，綜合考慮預(yù)警機的最大作用距離以及上述關(guān)于預(yù)警機圓形航線半徑的大小對預(yù)警機穩(wěn)定覆蓋區(qū)域和短時覆蓋區(qū)域的影響分析，設(shè)置預(yù)警機圓形航線半徑r的范圍值為100～250 km。

結(jié)合點狀區(qū)域半徑的大小及對最大預(yù)警距離的要求這2個因素，確定預(yù)警機圓形航線半徑的大小。假設(shè)點狀區(qū)域的半徑為r0，則預(yù)警機圓形航線半徑選擇如下：

當(dāng)r0≤R/2時，此時r=R/2是一種比較理想的選擇，考慮到了對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋和較大的預(yù)警距離。當(dāng)R>r0>R/2時，此時r=r0是一種考慮對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋和預(yù)警距離的折中選擇。隨著點狀區(qū)域半徑的增大，一架預(yù)警機已經(jīng)無法對該點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋，需要多預(yù)警機進行協(xié)同探測。

2 點狀區(qū)域的多預(yù)警機航線規(guī)劃

2.1 多預(yù)警航線協(xié)同探測航線模式

點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線模式主要采用3種形式(如圖1所示)：分別用1，2，3架預(yù)警機在圓形航線上等間隔飛行。對這3種航線模式的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域和短時覆蓋區(qū)域進行分析。

對于1架預(yù)警機的部署，短時覆蓋區(qū)域是以重點區(qū)域中心為圓心，半徑為R+r的圓。穩(wěn)定覆蓋區(qū)域以重點區(qū)域中心為圓心，半徑為R-r的圓，如圖1a)所示。

通過對3種航線模式的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域和短時覆蓋區(qū)域的分析可知，增加預(yù)警機的架數(shù)可以增加穩(wěn)定探測區(qū)域面積，短時覆蓋區(qū)域的覆蓋率也有很大提高。

2.2 多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃

根據(jù)點狀區(qū)域半徑的大小，分2種情況分別對多預(yù)警機協(xié)同探測航線進行規(guī)劃，并對其探測威力進行分析，在節(jié)約預(yù)警機資源的前提下提出對點狀區(qū)域進行空間上和速度上穩(wěn)定覆蓋的預(yù)警機航線部署方法。

(1) r0≤R/2

針對點狀區(qū)域半徑不大于預(yù)警機最大作用距離一半的情況，預(yù)警機圓形航線半徑的理想選擇是r=R/2。假設(shè)預(yù)警機的最大作用距離為400km，預(yù)警機圓形航線半徑的理想選擇為r=200km。另外，假設(shè)預(yù)警機的多普勒速度門限為30m/s，目標以150m/s的速度正對著點狀區(qū)域中心飛行。

多普勒盲區(qū)的計算模型如下[14]：

(1)

式中：vT為目標的速度；φ為目標速度方向與視距的夾角；vMD為最小多普勒速度門限。

單架預(yù)警機執(zhí)行任務(wù)時的探測威力圖如圖2a)所示。從圖中可以看出，單架預(yù)警機的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為200 km，可以對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋，但是其中包含一個“鉗狀”的多普勒速度盲區(qū)，單架預(yù)警機無法對點狀區(qū)域進行速度上的穩(wěn)定覆蓋。

2架預(yù)警機協(xié)同執(zhí)行任務(wù)時的探測威力圖如圖2b)所示，從圖中可以看出，2架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為

(2)

2架預(yù)警機協(xié)同執(zhí)行任務(wù)比單架預(yù)警機的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域有很大范圍的提升。2架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域面積是單架預(yù)警機穩(wěn)定覆蓋區(qū)域面積的3倍；2架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式對各自“鉗狀”的多普勒速度盲區(qū)也有很大程度上的互補，基本實現(xiàn)了對該點狀區(qū)域速度上的穩(wěn)定覆蓋。

而3架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為

(3)

如圖2c)所示，比2架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域有很大提升；3架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域面積是單架預(yù)警機穩(wěn)定覆蓋區(qū)域面積的5.3倍；3架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式完全實現(xiàn)了對該點狀區(qū)域的空間上和速度上的穩(wěn)定覆蓋。

綜上所述，當(dāng)r0≤R/2時，在節(jié)約預(yù)警機資源的前提下，執(zhí)行和平時期任務(wù)時，優(yōu)先采用1架預(yù)警機的航線模式，該航線模式雖然存在一些多普勒速度盲區(qū)，但是可以對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋；在戰(zhàn)爭時期，優(yōu)先采用2架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式，該航線模式既可以對點狀區(qū)域進行空間上穩(wěn)定覆蓋，也基本可以對點狀區(qū)域進行速度上的穩(wěn)定覆蓋，滿足戰(zhàn)時需求。

(2)R>r0>R/2

針對點狀區(qū)域半徑滿足R>r0>R/2的情況，預(yù)警機圓形航線半徑的理想選擇是r=r0。假設(shè)預(yù)警機的最大作用距離為400 km，點狀區(qū)域半徑r0=250 km，預(yù)警機圓形航線半徑r=250 km是考慮點狀區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋和預(yù)警距離的一種折中選擇。另外，假設(shè)預(yù)警機的多普勒速度門限為30 m/s，目標以150 m/s的速度正對著點狀區(qū)域中心飛行。

圖1 點狀區(qū)域全方位探測示意圖Fig.1 Sketch map of full range detection of point area

當(dāng)單架預(yù)警機執(zhí)行任務(wù)時，從圖3a)單架預(yù)警機的探測威力圖中可以看出，單架預(yù)警機的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為R-r=150 km。此時單架預(yù)警機無法對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋，而且圖中包含一個“鉗狀”的多普勒速度盲區(qū)，單架預(yù)警機也無法對點狀區(qū)域進行速度上的穩(wěn)定覆蓋。

圖3b)是2架預(yù)警機協(xié)同執(zhí)行任務(wù)時的探測威力圖，從圖中可以看出，2架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為

(4)

2架預(yù)警機協(xié)同執(zhí)行任務(wù)比單架預(yù)警機的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域有很大提升，2架預(yù)警機協(xié)同探測已經(jīng)可以對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋；2架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式對各自“鉗狀”的多普勒速度盲區(qū)只有很小程度上的互補，2架預(yù)警機協(xié)同探測還是存在較大的多普勒速度盲區(qū)。

從圖3c)中可以看出，3架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為

(5)

3架預(yù)警機協(xié)同探測比2架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域有很大提升；3架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式對各自“鉗狀”的多普勒速度盲區(qū)也有很大程度上的互補，3架預(yù)警機協(xié)同探測基本實現(xiàn)了對該點狀區(qū)域速度上的穩(wěn)定覆蓋。注意：對于預(yù)警機圓形航線半徑分別為200 km和250 km的3架預(yù)警機協(xié)同探測航線模式，它們在空間上的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑基本相同，也就是說，圓形航線半徑的大小對3架預(yù)警機協(xié)同探測的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑影響很小。

圖2 r0≤R/2 時預(yù)警機探測威力圖Fig.2 Detection power chart of EWA when r0≤R/2

圖3 R>r0>R/2時預(yù)警機探測威力圖Fig.3 Detection power chart of EWA when R>r0>R/2

綜上，對于R>r0>R/2的情況，在節(jié)約預(yù)警機資源的前提下，在執(zhí)行和平時期任務(wù)時，優(yōu)先采用2架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式，該航線模式雖然存在一定的多普勒速度盲區(qū)，但是可以對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋；在戰(zhàn)爭時期，優(yōu)先采用3架預(yù)警機協(xié)同探測的航線模式，該航線模式既可以對點狀區(qū)域進行空間上穩(wěn)定覆蓋，也基本可以對點狀區(qū)域進行速度上的穩(wěn)定覆蓋，滿足戰(zhàn)時需求。

3 仿真實驗

仿真實驗的目的是對線狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃的探測能力進行分析，進而驗證本文中提出的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃方法的有效性。仿真參數(shù)設(shè)置如下：預(yù)警機的最大探測距離R=400 km，點狀區(qū)域半徑r0=250 km。優(yōu)先選擇預(yù)警機圓形航線半徑r=250 km。在預(yù)警機圓形航線上等間隔取20點，用Matlab中的colormap(jet)來顯示圖中所有點被預(yù)警機探測到的次數(shù)(當(dāng)預(yù)警機位于一個位置時，圖中一點如果在預(yù)警機的探測范圍內(nèi)且不在預(yù)警機的多普勒盲區(qū)中，此時該點被探測到的次數(shù)加1，否則加0。遍歷預(yù)警機的20個位置點，就可以得到圖中所有點被探測到的次數(shù))，即用顏色來表示該區(qū)域被探測到的次數(shù)，其中被探測到的次數(shù)不小于20次的區(qū)域顯示紅色，沒有被探測到的區(qū)域顯示藍色。圖4中a)，b)和c)分別是1架預(yù)警機航線模式、2架預(yù)警機協(xié)同探測航線模式和3架預(yù)警機協(xié)同探測航線模式的探測能力顯示圖。

從仿真結(jié)果可以看出，1架預(yù)警機航線模式的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為150 km，存在大量短時覆蓋區(qū)域和多普勒速度盲區(qū)，此種部署只能用于和平時期點狀區(qū)域安保；2架預(yù)警機協(xié)同探測航線模式的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為312 km，該航線模式可以對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋，但是仍然存在一定的多普勒速度盲區(qū)，此種航線規(guī)劃可用于局勢緊張時期的點狀區(qū)域安保；3架預(yù)警機協(xié)同探測航線模式的穩(wěn)定覆蓋區(qū)域半徑為461 km，該航線模式既可對點狀區(qū)域進行空間上的穩(wěn)定覆蓋，也基本可以對點狀區(qū)域進行速度上的穩(wěn)定覆蓋，此種航線規(guī)劃可用于戰(zhàn)爭時期的點狀區(qū)域安保。仿真驗證結(jié)果驗證了本文中提出的點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃的正確性和有效性。

4 結(jié)束語

單架預(yù)警機在執(zhí)行任務(wù)過程中，通常會面臨探測區(qū)域有限、雷達情報掌握不連續(xù)、抗干擾能力弱、安全性不強等問題。多預(yù)警機協(xié)同探測，是解決問題的一種重要手段，也是必然趨勢。如何部署多預(yù)警機協(xié)同的航線，保證對探測任務(wù)區(qū)域的穩(wěn)定覆蓋，發(fā)揮現(xiàn)有裝備最大效費比，是多預(yù)警機協(xié)同探測相關(guān)技術(shù)研究中亟待解決的問題。本文針對點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃問題，根據(jù)點狀區(qū)域的特點，為了獲得更大的預(yù)警距離以及發(fā)揮預(yù)警機裝備最大效費比，確定點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線模式為圓形航線，并對其半徑的選擇進行了討論。文中根據(jù)點狀區(qū)域半徑大小，分平時和戰(zhàn)時2種情況，分別對點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線進行規(guī)劃，并對其探測性能進行了分析。仿真實驗驗證了本文提出的點狀區(qū)域的多預(yù)警機協(xié)同探測航線規(guī)劃的有效性。

圖4 預(yù)警機的探測能力顯示圖Fig.4 Display of EWA′s detection capability

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Route Planning for Multi- EWA Cooperation Detection of Point Region

DAI Yua，TANG Zi- yuea，LI Jingb

(Air Force Early Warning Academy，a.The 3rd Department；b.Information Management Center，Hubei Wuhan 430019，China)

The detection of point region is the main detection task of early- warning aircraft (EWA).Aimed at the route planning problem for the multi- EWA cooperation detection of point region, the route model of multi- EWA cooperation detection is analyzed based on the characteristics of the point region. To obtain the bigger detection extension and the biggest ratio of advantage to cost, the circle route is determined as the route model of multi- EWA cooperation detection for point region, and its radius is discussed. Three route project models of EWA cooperation detection are established based on the importance of detection task.The validity of the method is proved with simulation experiments.

point region； early warning aircraft (EWA)； cooperation； route planning；circle route；stable covered region

2016-08-29；

2016-12-02 作者簡介：戴瑜(1982-)，女，湖北云夢人。講師，博士生，主要研究方向為雷達信號與數(shù)據(jù)處理。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.006

V271.4+7；TN959.73

A

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