王利芳， 李 莉， 聶志強(qiáng)

(中國航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471009)

0 引言

在超視距空戰(zhàn)中，當(dāng)作戰(zhàn)雙方飛機(jī)和機(jī)載武器性能相當(dāng)時(shí)，誰先敵發(fā)現(xiàn)，誰先占據(jù)有利攻擊位置，誰就能取得制勝的先決條件。為了占據(jù)有利攻擊位置，正確評估目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖、把握目標(biāo)機(jī)動(dòng)路線顯得非常重要，它是實(shí)現(xiàn)占位機(jī)動(dòng)的決策依據(jù)。

目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖的評估跟其他領(lǐng)域的評估問題不同，即目標(biāo)存在對抗，目標(biāo)為掩蓋其真實(shí)機(jī)動(dòng)意圖而做出一些帶有欺騙性質(zhì)的戰(zhàn)術(shù)行為，給目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖準(zhǔn)確評估帶來困難。從國內(nèi)外研究情況來看，這方面的工作很少有人涉及，因此在目標(biāo)做出欺騙行為的前提下，機(jī)動(dòng)意圖評估的準(zhǔn)確方法是目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估問題的主要研究方向。本文提出了一種有效的評估算法，并通過仿真驗(yàn)證了該算法的正確性，對工程應(yīng)用有很大的參考價(jià)值。

1 目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估算法

目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估可以根據(jù)測量、估計(jì)的目標(biāo)速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立評估模型來實(shí)現(xiàn)，一般包括信息獲取、特征提取、意圖推理等步驟。

針對超視距空戰(zhàn)，本文提出一種比較實(shí)用的目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估算法，該方法的前提假設(shè)［1－2］是:1)空戰(zhàn)區(qū)域在本機(jī)的前半球(傳感器探測區(qū))展開;2)不論目標(biāo)機(jī)是否發(fā)現(xiàn)本機(jī)，均認(rèn)為目標(biāo)機(jī)動(dòng)都是有目的的機(jī)動(dòng)。

目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估算法［3－4］模型如圖1所示。

圖1 目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估模型Fig.1 The assessment model of target maneuvering intention

1.1 目標(biāo)特征提取

目標(biāo)特征變量提取主要為目標(biāo)方位角ψ，目標(biāo)進(jìn)入角q，目標(biāo)航跡角η和目標(biāo)距離R。其中:目標(biāo)航跡角η和進(jìn)入角q預(yù)示目標(biāo)未來可能的運(yùn)動(dòng)軌線;目標(biāo)方位角ψ和目標(biāo)距離R預(yù)示著目標(biāo)未來的可能意圖，即目標(biāo)欲形成有利于自身的空戰(zhàn)態(tài)勢。參數(shù)幾何意義如圖2所示，具體定義如表1所示。目標(biāo)方位角和航跡角如圖3、圖4所示。

圖2 目標(biāo)機(jī)動(dòng)特征參數(shù)的幾何意義Fig.2 The geometric meaning of target maneuvering characteristic parameters

表1 特征變量定義Table 1 The definition of charcteristic parameters

圖3 目標(biāo)方位角示意圖Fig.3 The sketch map of target azimuth angle

圖4 目標(biāo)航跡角示意圖Fig.4 The sketch map of target flight path angle

獲得目標(biāo)方位信息后，判斷目標(biāo)相對本機(jī)的大致位置，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)相對本機(jī)的位置圖Fig.5 The target's relative position

1.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測

要評估目標(biāo)的機(jī)動(dòng)意圖，首先要預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，文中采用了交互式多模型算法［5－6］(IMM)。

在IMM算法中，采用3個(gè)勻速轉(zhuǎn)彎模型，一個(gè)主模型，兩個(gè)對稱分布的子模型。其中，當(dāng)前主模型的角速度ω(k)為此時(shí)刻估計(jì)出來的法向加速度值與切向速度值相除。

以位置、速度、加速度為狀態(tài)變量，勻速轉(zhuǎn)彎模型對應(yīng)的二維離散時(shí)間系統(tǒng)表達(dá)式為

IMM算法的基本框架如圖6所示。

圖6 IMM算法框圖Fig.6 IMM algorithm

1.3 目標(biāo)攻擊威脅判斷

本機(jī)指揮控制系統(tǒng)識別出目標(biāo)為作戰(zhàn)目標(biāo)后，計(jì)算目標(biāo)特征參數(shù)，根據(jù)目標(biāo)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果判斷，進(jìn)行攻擊威脅判斷［3－4］。

1)目標(biāo)進(jìn)入角。提取當(dāng)前時(shí)刻t前后的5個(gè)進(jìn)入角信息，若滿足|q－180°|＜10°，則判斷目標(biāo)有可能攻擊本機(jī)。

2)目標(biāo)航跡角。提取當(dāng)前時(shí)刻t前后的5個(gè)航跡角信息，若目標(biāo)機(jī)相對本機(jī)的航跡角逐漸減小，則目標(biāo)機(jī)有可能攻擊本機(jī);當(dāng)目標(biāo)對本機(jī)無進(jìn)攻趨勢時(shí)，其航跡與本機(jī)的夾角逐漸增大，甚至超過90°。

3)相對距離。提取當(dāng)前時(shí)刻t前后的5個(gè)距離信息，若目標(biāo)機(jī)與本機(jī)的相對距離逐漸減小，則判斷目標(biāo)有可能攻擊本機(jī);當(dāng)目標(biāo)與本機(jī)的相對距離小于目標(biāo)機(jī)的有效攻擊范圍時(shí)，則可認(rèn)為目標(biāo)機(jī)要實(shí)施攻擊。

只要滿足上述條件之一，則認(rèn)為該目標(biāo)存在威脅攻擊;否則認(rèn)為不存在威脅。

1.4 目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估

依據(jù)1.3節(jié)的判斷結(jié)果，若目標(biāo)對本機(jī)有攻擊威脅，則進(jìn)一步評估目標(biāo)的機(jī)動(dòng)意圖，如圖7所示。目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖大致分為下列9種:a為迎頭逼近;b為左垂直機(jī)動(dòng)擺脫;c為側(cè)向包抄;d為同向擺脫;e為右垂直機(jī)動(dòng)擺脫;f為前側(cè)逼近;g為前側(cè)擺脫;h為前側(cè)包抄;i為后側(cè)包抄。

圖7 目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖定義Fig.7 The definition of target maneuvering intention

2 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖算法的正確性，進(jìn)行了仿真，仿真軟件流程如圖8所示。

圖8 目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估流程Fig.8 Flow chart of target maneuvering intention assessment

仿真初始條件:本機(jī)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，Ma數(shù)為0.8，航向角為 180°，飛行高度為 5 km，在橫軸方向上距離目標(biāo)130 km，即本機(jī)的初始位置為Xm0=130000 m，Ym0=5000 m，Zm0=0 m;目標(biāo)機(jī)的初始飛行Ma數(shù)為0.8，航向角為0°，初始位置為 Xm0=0 m，Ym0=5000 m，Zm0=20000 m。

在本仿真中，目標(biāo)按照空戰(zhàn)中常用的迎頭規(guī)避側(cè)向攻擊的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)。將仿真過程劃分為A、B、C、D、E、F 6個(gè)階段:A段對應(yīng)時(shí)間1～20 s，目標(biāo)做直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)意圖為迎頭逼近;B段對應(yīng)時(shí)間21～28 s，目標(biāo)向左做大機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，機(jī)動(dòng)意圖為迎頭左垂直機(jī)動(dòng);C段對應(yīng)時(shí)間29～50 s，目標(biāo)做直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)意圖為左垂直機(jī)動(dòng)擺脫;D段對應(yīng)時(shí)間51～55 s，目標(biāo)向右做大機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，機(jī)動(dòng)意圖為右垂直機(jī)動(dòng);E段對應(yīng)時(shí)間56～86 s，目標(biāo)做直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)動(dòng)意圖為前側(cè)逼近;F段對應(yīng)時(shí)間87～99 s，目標(biāo)向右做小機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，機(jī)動(dòng)意圖為側(cè)向包抄，仿真畫面如圖9所示，仿真結(jié)果見表2。

表2 仿真評估結(jié)果Table 2 The assessment results of simulation

由表2可看出，目標(biāo)實(shí)際機(jī)動(dòng)意圖與評估結(jié)果相符合，驗(yàn)證了該目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估算法的正確性，對工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

圖9 目標(biāo)與本機(jī)飛行軌跡Fig.9 Flight paths of the two sides'aircraft

3 結(jié)論

目標(biāo)機(jī)動(dòng)意圖評估算法結(jié)合測量、估計(jì)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、角速度和機(jī)動(dòng)特征，判斷目標(biāo)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)屬于哪一種機(jī)動(dòng)意圖，通過仿真驗(yàn)證了該算法的正確性，對工程應(yīng)用有很大的參考價(jià)值。

［1］ 陸彥.航空火力控制技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994.

［2］ 王丕宏，姜長生，楊承.殲擊機(jī)空戰(zhàn)占位的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［J］.電光與控制，2001，8(3):21－25.

［3］ 孫亮，于雷，鄒德鵬.Dampster－Shafer證據(jù)理論在目標(biāo)意圖預(yù)測中的應(yīng)用［J］.電光與控制，2008，15(3):33－36.

［4］ 孫亮，于雷，黃文卿，等.改進(jìn)加權(quán)D－S證據(jù)理論在目標(biāo)意圖預(yù)測中的應(yīng)用［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，10(1):17－22.

［5］ 趙艷麗，劉劍，羅鵬飛.自適應(yīng)轉(zhuǎn)彎模型的機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25(11):14－16.

［6］ 徐肖豪，高彥杰，楊國慶.交互式多模型算法中模型集選擇的分析研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2004，25(4):352－356.