自由飞行环境中飞机对导弹的规避方法*

安景新 刘 忠 张建强

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



自由飞行环境中飞机对导弹的规避方法*

安景新 刘 忠 张建强

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

在当今空战情况下,导弹对于飞机的威胁愈发增长。为避免发生飞行冲突,需要飞机驾驶员适当改变航行诸元,但是由于导弹的速度在一般情况下远远大于飞机速度,且发现时双方距离较近,留给驾驶员的反应与操作时间较少。文章采用速度矢量三角形分析法,在二维平面上分析了飞机对于导弹的规避方法,提出了综合调整航向和航速冲突的方法。

飞行冲突; 飞行间隔; 导弹; 冲突解脱

Class Number V528

1 引言

在当前的空中作战中,防空导弹对于飞机是极大的威胁。防空导弹在空域中具有速度快、碰撞扇形区域半径大、航线不固定等特点,对我方空域造成了极大的威胁。同时由于作战空域有限、航空器在空中属于自由飞行一级以及作战节奏的加快,如何做到飞机面对导弹打击时能够检测并解脱,避免毁伤,将是有效提高飞机在战场空域中生存概率的重要手段之一[1～2]。

在传统的飞行冲突检测中,通常只针对飞机之间,认为所有飞机均按照指定航线飞行,不发生任何偏差;所有飞机“盲飞”,即相当于管制员/飞行员对即将出现的危险冲突/碰撞没有反应或做出错误的反映[3～5]。但是由于在导弹导引头捕获目标后,会调整自身航线对目标进行打击,同时导弹针对飞机进行打击时,并非对飞机当前所在点进行射击,而是根据飞机航路对提前点进行打击[6～7]。所以传统的飞行冲突检测不能对飞机与导弹之间的冲突进行全面的检测。

本文针对该问题首先介绍了飞机与防空导弹的冲突描述方法,然后对交叉航线进行分析,最后根据防空导弹的特点提出了冲突规避的措施。

2 间隔描述

2.1 导弹搜索扇面

导弹的导引头在搜索飞机时可以视为一个扇形,其中搜索半径为导弹搜索扇面半径为OB=OC=OA=R,搜索角为α,为扩大导弹搜索面积,更好计算冲突,将导弹扇面扩展为等腰三角形,其中B1C1切弧线BAC于点A,两边长为

图1 导弹空域示意图

2.2 空域安全间隔

安全间隔是指为了防止飞行冲突,保证飞行安全,提高飞行空间和时间利用率所规定的航空器之间应当保持的最小安全距离[8～10]。在传统的飞行冲突检测中,通常针对飞机与飞机之间的冲突,此类的冲突检测中飞机的危险区域是大小相同的圆形,如图2所示。

图2 多飞机航路冲突示意图

图中1、2为两飞机航线,A为1航线上的飞机位置,AD=AC为飞机的安全间隔,AB=AC×sinθ,为1航线上飞机距离2航向上飞机距离,当AB≤AC时,即两机发生冲突。

但是在针对导弹与舰载机的冲突中,导弹的导引头的搜索面积可以视为一个扇形且搜索半径远大于飞机冲突区域半径Rf(其中搜索角度为α,搜索半径为R),因此需要选择其他检测方式进行检测。

3 冲突描述

3.1 航迹分析

由于在对空作战中,防空导弹与飞机不处于同一平面上。在此对问题进行简化,将导弹的速度进行分解,对飞机与导弹在水平面上的投影进行分析,视为处在同一个平面上,如图3所示。

图3 导弹与飞机的航路冲突示意图

其中,导弹在B点以v1速度沿航路飞行,经过时间t到达O点,导弹与飞机的连线和导弹的航线之间的夹角为β,飞机在A点以v2速度沿航线2飞行,经时间t抵达O点,飞机的空域安全间隔为Rf,两航线之间夹角为ε。

其中:

BO=v1×t

为导弹距离O点的距离;

CO=R-v1×t

为导弹搜索扇形顶点距离O点距离;

为导弹与飞机在水平面上的直线距离。

3.2 冲突分析

当导弹的搜索扇面搜索到飞机的安全区域时,认为发生冲突。此时可以根据飞机与导弹连线和导弹方向的角度以及两者之间的距离进行判断。

由于导弹与飞机都经过时间t后到达O点,因此将导弹的速度进行分解,如图4所示。

图4 速度分解后航路冲突示意图

其中,限定时间为

4 冲突解脱

4.1 速度调节法

为避免冲突的发生,可以通过调节飞机沿航路1的速度矢量大小来对冲突进行解脱。将飞机A的速度v2作为变量进行调整。若飞机要从导弹导引头搜索范围中通过时,则需要改变速度v2的大小,使:

若飞机试图从导弹搜索区前方通过,则速度变量Δv2必须大于某一数值,即Δv2≥vm时;若飞机试图从导弹搜索区前方通过,则速度变量Δv2必须小于某一数值,即Δv2≤vn时,说明冲突已经解决。但是在调整的过程中不能超过飞机的性能参数。同时要考虑飞行员的身体承受能力,控制飞机的速度。

4.2 方位调节法

同理,为避免冲突的发生,也可以通过调节飞机的航线方向来解脱。导弹与飞机的原夹角为ε,当方向改变后,夹角变换为ε+Δε。

由于导弹按照预定航路飞行,所以航路不变,因此改变飞机的航路。对于飞机与导弹的夹角ε,当ε<π/2时,飞机选择从导弹前方通过;当ε>π/2时,飞机选择从导弹后方通过。

图5 方位调节后航路示意图

如图所示当飞机试图从导弹后方通过时,飞机航向与导弹航向夹角至多为0,且转向点与导弹航向的最近距离需要大于搜索面半径和飞机安全距离的长度之和,即:

CE1=CD1

此时,飞机可以从导弹航路测面经过且不被导引头探知。飞机转向角为φ,转向半径为Rf,文中认为飞机转向时速度均匀,则:

飞机转向时间t1应小于导弹导引头搜索到O点的时间t,因此:

达成上述条件则认为冲突消解,但是在调整的过程中不能超过飞机的性能参数。同时要考虑飞行员的身体承受能力,控制飞机的速度。

4.3 综合调节法

在进行方位或者速度调节之后,依然会因为单纯调整某一方面后未能达到要求而出现冲突,因此可以采用综合调整速度与方位的方式进行冲突消解。

当进行速度调节后依然发生冲突时,在该情况基础上进行方为调整,对飞机进行转向,改变航路,得到结果如图5所示。

飞机转向时角速度一定,因此转向半径与线速度成正比,在调整速度后半径大小变化,则飞机经过的弧线长度为

图6 综合调整后航路示意图

飞机转向时间t1应小于导弹导引头搜索到O点的时间t,因此:

达成上述条件则认为冲突消解,但是在调整的过程中不能超过飞机的性能参数。同时要考虑飞行员的身体承受能力,控制飞机的速度。

4 实例分析

假设飞机当前速度为200m/s,飞行速度的上界为400m/s和下界为100m/s,,加速度为250m/s,导弹速度为800m/s,导弹搜索扇面半径为600m,搜索面夹角为8°。此时,飞机为可变量,对飞机与导弹夹角进行随机模拟,二者夹角0≤ε<π;对导弹距离提前点的距离分别取1000m,1500m,2000m,2500m,3000m,3500m和4000m,进行10000次模拟,对冲突结果进行分析。计算在该情况下的冲突概率,结果如图7所示。

图7 冲突概率示意图

由图7可得,经过速度与方向的综合调整后,可以有效降低冲突概率,成功对飞机与导弹的冲突进行解脱,并且同时调整速度与方向的方式相比较单纯速度调节法或方位调节法可以获得更优的结果。

5 结语

本文主要通过速度调节法和方位调节法对飞机与导弹的冲突进行解脱,经过实验结果发现可以对冲突进行有效的解脱,有效降低了冲突概率。但是由于在空中情况复杂多变,不能单纯在二维平面中进行分析,因此在下一步工作中对进行拓展,在三维坐标系中进行分析,提高冲突解脱方法的实用性与有效性。

[1] RTCA Task Force3. Final Report of RTCA Task Force 3-free Flight Implementation[R]. Washington DC: RTCA Inc,1995.

[2] 胡光华.航路飞行冲突避让方法研究[J].西部交通科技,2008(6):87-90.

[3] 魏志强,王超.飞行管理系统中飞行计划模块的功能设计与仿真实现[J].民用飞机设计与研究,2012,106(3):22-25.

[4] 刘昕.基于计算几何方法的飞行冲突检测[J].电子测量技术,2007(4):87-89.

[5] 赵洪元.两条交叉航线上飞机发生危险冲突次数模型的研究[J].系统工程与电子技术,1998,20(5):6-8.

[6] 蔡明,张兆宁,王莉莉.自由飞行环境下碰撞风险研究[J].航空计算技术,2011,41(1):51-56.

[7] 张兆宁,张晓燕.交叉航路碰撞风险研究[J].航空计算技术,2007,37(2):1-4.

[8] 胡光华.航路飞行冲突探测与解脱方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2009,5.

[9] 何晓菊.基于动态调速的定航A线飞行冲突探测与解脱算法研究[D].成都:四川师范大学,2010,5.

[10] 靳学梅,韩松臣,孙樊荣.自由飞行中冲突解脱的线性规划法[J].交通运输学报,2003(6):75-79.

An Avoiding Method for Aircraft to Missile in Free Flight Environment

AN Jingxin LIU Zhong ZHANG Jianqiang

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

With the fast increasing of technological change, the menace of missiles to aircraft is becoming more severely. In order to avoid the flight conflict, the pilots need to change the aircraft’s parameters aptly. But the speed of menace is so fast that there is less time for pilots to manipulate. According to the analysis method of airspeed vector triangle, the elusion plan of aircraft and missile is analyzed, the methods of changing the aircraft’s heading and airspeed are put forward to resolve conflict.

flight conflict, flight interval, missile, conflict resolution

2014年9月3日,

2014年10月26日

安景新,男,硕士研究生,研究方向:舰艇作战系统工程。刘忠,男,教授,研究方向:复杂系统分析建模与仿真、舰载火控系统。张建强,男,讲师,研究方向:舰艇作战系统工程。

V528

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.006