高超声速巡航导弹载机目标识别模型*

刘 旭,李为民,谢 鑫,刘永兰

(空军工程大学防空反导学院, 西安 710051)

高超声速巡航导弹载机目标识别模型*

刘 旭,李为民,谢 鑫,刘永兰

(空军工程大学防空反导学院, 西安 710051)

高超声速巡航导弹对现有空防体系构成极大挑战,高效的目标识别是后续拦截打击的基础。通过分析,选择其载机作为识别对象,确定目标尺寸、编队情况、目标高度、目标速度、情报这五类识别因素。结合模糊综合评价方法,构建了载机目标识别模型,给出了因素集、评价集和两者之间的隶属关系。最后通过示例,验证了所构建模型的可行性、有效性以及实时性。

高超声速巡航导弹;载机;目标识别模型;模糊综合评价

0 引言

高超声速巡航导弹拦截打击是一个时敏性作战过程,越早识别目标,越有利于后续的拦截作战。从文献[1]可以看出,高超声速巡航导弹未来的发射平台可能包括陆基、海基、空基以及临近空间等平台。空基平台进行搭载发射具有机动灵活、易于实现等特点,可能成为高超声速巡航导弹未来的主要发射方式。在这种发射方式中,导弹有很长一段时间是挂载在载机上飞行的。在这一阶段,载机目标大,飞行速度慢,若能及时识别其为高超声速巡航导弹载机,则有可能在导弹脱离载机前进行快速拦截,取得机弹同毁的拦截效果,或者为后续的导弹拦截作战提供更长的反应时间,提高拦截成功率。

在关于高超声速巡航导弹目标识别的已有研究中,大都只针对导弹本身进行目标识别。文献[2]研究了高超声速巡航导弹的目标特性,定性分析了高超声速巡航导弹的物理特性、功能特性和环境特性;文献[3]对高超声速巡航导弹的探测识别难点进行了定性研究,并给出了相关建议;文献[4]对高超声速钝头双锥体的红外辐射特性进行了定量研究,但并非针对高超声速巡航导弹,且缺乏识别方面的后续研究。在高超声速巡航导弹载机目标识别方面,还未有公开文献。

文中选择了高超声速巡航导弹载机作为识别目标。详细分析了载机的飞行过程,基于载机飞行过程中所呈现出的各类特征,确定载机的识别因素。结合模糊综合评价方法,建立其识别模型。通过示例仿真来验证模型的可行性。

1 高超声速巡航导弹载机目标识别因素确定

1)高超声速巡航导弹载机作战过程

从文献[5-6]进行分析,考虑到载机投放高超声速巡航导弹时对初始速度、高度等因素的要求,一般选择大型飞机作为载机,导弹固定在飞机机翼下方。在待命状态下,载机停置于基地中,根据指令转换战备等级,接到作战命令后,载机起飞,以较大飞行速度和爬升角飞行爬升,在达到导弹对初始速度、高度的要求后,投放高超声速巡航导弹,之后载机返回基地进行休整或进入下一个任务流程。

2)识别因素确定

分析高超声速巡航导弹载机的作战过程,考虑目前对空目标探测方式现状,选择雷达作为探测手段,确定“目标尺寸、编队情况、飞行速度、飞行高度、情报”作为主要识别因素。

①情报因素。情报是现代防空作战目标识别中十分重要的因素。情报包括上级情报和友邻情报。对于上级情报,应该充分信任。对于友邻情报,应该重点参考。需要指出的是,由于情报获取手段多样,可能会出现情报冲突的情况,所以指挥员掌握的情报信息往往是“模糊”的,这在后续的模型构建中会采用模糊综合评价法进行处理。

②目标尺寸。高超声速巡航导弹一般由大型载机挂载,如轰炸机、运输机等。通过雷达、红外、可见光等探测手段,获取目标的尺寸信息,通过分析目标尺寸大小,可以排除战斗机、侦察机等干扰因素。一般来说,目标尺寸越接近大型飞机,则是高超声速巡航导弹载机的可能性就越大。

③飞行速度。高超声速巡航导弹在投放前,需要载机达到一定速度[5-6],根据这一特性可以对高超声速巡航导弹载机进行识别。我们知道,大型飞机为了飞行安全,其飞行速度一般较为平稳,一般不会超过音速。如果已经识别目标为大型飞机,而其飞行速度又过大,则有较大可能是高超声速巡航导弹载机。

④飞行高度。由于高超声速巡航导弹的主要巡航轨迹在临近空间,所以需要载机提供较高的初始高度,加之自身助推器助推,才能到达这一空域进行巡航飞行,这一初始高度达到15 000 m以上[5-6]。一般来说,军用战斗飞机为了便于隐身突防,一般采取超低空飞行方式,飞行高度不过数百米,而民用航空飞机飞行高度不会超过10 000 m。在确定目标的飞行高度后,则可进行初步识别判断。

⑤编队情况。高超声速巡航导弹的主要作战任务是消灭时敏点目标,而非大面积打击。执行任务所需保障飞机不多。可以认为,如果雷达探测结果是大规模目标群,则存在高超声速巡航导弹载机的可能性较低;如果结果是小规模目标群,则可能性不定;如果结果是单目标,则可能性较大。

2 基于模糊综合评判的识别模型构建

模糊综合评判在诸多文献中已有详细介绍,论文不再繁述。参考文献[7,10],基于分析对模型的关键参数进行设计,构建了论文所用的模糊综合评判识别模型。

1)确定因素集

确定因素集为:目标尺寸、编队情况、飞行速度、飞行高度、情报。用U={u1,u2,u3,u4,u5}表示。

2)确定评价集

确定评价集为“确定”(确定目标为高超声速巡航导弹载机)、“否定”(否定目标为高超声速巡航导弹载机)、“不明”(目标类型不明,有待进一步观察),用V={v1,v2,v3}表示。

3)确定隶属函数

①情报。将情报识别结果归纳为5种:确认、较确认、未明、较否认、否认。其模糊隶属度如表1。

表1 情报模糊隶属度

②目标尺寸。

对于“确定”类:

(1)

对于“否定”类:

(2)

对于“不明”类:

(3)

其中,c为飞机实际长度,d为探测所得长度。

③载机飞行速度。

对于“确定”类:

(4)

对于“否定”类:

(5)

对于“不明”类:

(6)

其中,a为高超声速巡航导弹初始速度,v为观测到速度。

④飞行高度。

对于“确定”类:

(7)

对于“否定”类:

(8)

对于“不明”类:

(9)

其中,b为高超声速巡航导弹对初始高度要求,h为探测得到目标飞行高度。

⑤编队情况。将观测结果归纳为3类:大规模编队飞行(大于5架),小规模编队飞行(2～5架),单架飞行。其模糊隶属度如表2。

表2 编队情况模糊隶属度

4)归一化处理

5)确定模糊权向量

采用层次分析法确定各因素的权重为:

A=(a1,a2,…,a6)={0.3,0.25,0.2,0.15,0.1}

6)令:

3 示例验证

1)案例设置

参考2010年3月26日搭载于B-52H上进行发射的高超声速巡航导弹飞行过程[8-9],设置案例的相关参数如下:高超声速巡航导弹初始速度和高度要求为a=0.85 Ma、b=15 150 m;载机最大翼展为c=56 m;载机接到任务后,单独起飞执行作战任务,以v=0.8 Ma的速度和30°爬升角均速爬升,105 s后达到导弹初始速度和高度要求,投放高超声速巡航导弹。假设我方雷达从载机起飞一直对其处于探测状态,探测周期为5 s,即在载机起飞后第5n(n=1,2,…,21)s,我方雷达分别对目标进行了探测。

2)识别结果

②编队情况。载机与打击目标之间的距离在导弹射程(约1 000 km)附近,雷达在这个距离对目标编队情况有较好的分辨能力。雷达对目标的探测结果为“单架飞行”。

③飞行速度。载机与打击目标之间的距离在导弹射程(约1 000 km)附近,雷达在这个距离对目标速度有较好的探测能力。雷达对目标速度的探测结果为“v=0.8 Ma”。

④飞行高度。随着n的增大,载机飞行高度不断增加。设载机飞行高度探测结果为函数h=15150n/21。

⑤情报。假设情报综合后识别结果为“未明”。

3)隶属度确定

得出的探测结果按模型中的隶属关系进行换算,得到第n次探测各因素对于各评判的模糊隶属度。进行归一化化处理后得出仿真结果,见图1。

图1 第n次探测“确认”、“否认”、“未明”的模糊隶属值

4)算法实时性分析

对所建评价体系算法的实时性进行分析,仿真得出各次探测所需时间,见图2。

图2 算法实时性分析

5)结果分析

由图1,以得出以下结论:

①构建的目标识别模型能较好的计算出不同探测次数下各评判的模糊隶属度结果,说明模型具有一定的可行性。

②在探测初期(n取值较小),评判子集“未明”或“否认”具有较高隶属度;在探测后期(n取值较大)评判子集“确定”具有较高隶属度,说明对高超声速巡航导弹载机进行探测时,在探测初期,不易识别目标,随着载机飞行速度和高度越接近导弹初始速度和高度要求,越容易识别。这与实际是相符的,说明模型具有一定有效性。

③通过计算,得出算法运行平均时间为0.45 s,参考文献[10-11]可知,所建评价体系算法在实时性上有较好表现。

4 结束语

文中仅为抛砖引玉,可为此方面研究提供相关思路和一定理论成果。后续研究应包括两个方向:1)如何完善识别因素集,使得识别更加准确;2)面对高超声速巡航导弹其他发射方式(陆基发射、潜射、临近空间平台发射),如何建立目标识别模型。

[1] 刘旭, 李为民, 任晓虹. 高超声速巡航导弹及其拦截策略研究 [J]. 飞航导弹, 2011(4): 47-49.

[2] 王幸运, 王颖龙, 王还乡. 高超声速巡航导弹目标特性分析 [J]. 飞航导弹, 2012(5): 21-23.

[3] 张国华. 临近空间目标探测分析 [J]. 现代雷达, 2011, 33(6): 13-15.

[4] 高铁锁, 董维中, 江涛, 等. 高超声速钝头双锥体高温流场辐射研究 [J]. 空气动力学学报, 2010, 28(4): 410-413.

[5] 呼卫军, 周军. 临近空间飞行器拦截策略与拦截武器能力分析 [J]. 现代防御技术, 2012, 40(1): 11-15.

[6] 王还乡, 李为民, 上官强. 高超声速飞行器巡航段拦截作战需求分析 [J]. 战术导弹技术, 2012(2): 36-40.

[7] 马洪文, 魏俊, 高艳章, 等. 基于模糊综合评判的装备维修保障系统效能评估 [J]. 兵工自动化, 2010, 29(7): 32-34.

[8] 白延隆, 白云. X-51A飞行器飞行试验的故障分析 [J]. 飞航导弹, 2012(3): 27-30.

[9] 陈敬一, 王华. 对近期美国高超声速飞行器飞行试验的分析 [J]. 飞航导弹, 2012(1): 16-20.

[10] 章显, 高乾坤, 陶卿. 一种基于在线学习的弹道识别方法 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(2): 110-112.

[11] 王森, 杨建军, 孙鹏. 基于多特征综合模糊识别方法的弹道中段目标识别 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(5): 23-25.

Target Recognition Model of Hypersonic Cruise Missile Carrier-aircraft

LIU Xu,LI Weimin,XIE Xin,LIU Yonglan

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

Hypersonic cruise missile challenges air-space defense nowadays seriously. An study on target recognition of hypersonic missile is important for it’s latter interception. Though analysis, carrier-aircraft of hypersonic cruise missile is chosen as recognition object, and the size, formation, altitude, speed, information are chosen as recognition factor. With the way of fuzzy comprehensive evaluation, target recognition of carrier-aircraft is built, factors gather and evaluation gather and subjection relationship of them are get out. At last, an example is taken to demonstrate the validity and feasibility and real time of model which built above.

hypersonic cruise missile; carrier-aircraft; target recognition model; fuzzy comprehensive evaluation

2014-03-08

国防科技重点实验室基金资助

刘旭(1987-),男,湖南湘乡人,博士研究生,研究方向:高空高速目标防御。

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