單博楠,傅宇龍,葉海軍,喬永杰
(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)
預(yù)警機(jī)被譽為現(xiàn)代戰(zhàn)場的“空中帥府”,擔(dān)負(fù)著低空補盲、機(jī)動預(yù)警、指揮控制、戰(zhàn)場管理等重要作用,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭空中預(yù)警探測和指揮控制的核心節(jié)點[1-2]。在遂行作戰(zhàn)任務(wù)過程中,預(yù)警機(jī)通常采用在巡邏空域內(nèi)繞巡邏航線飛行的活動方式。預(yù)警機(jī)巡邏空域的設(shè)置通常要有利于作戰(zhàn)思想和作戰(zhàn)意圖、有利于預(yù)警機(jī)發(fā)揮預(yù)警探測能力、有利于通信聯(lián)系、有利于護(hù)航編隊護(hù)航等。限制因素有預(yù)警雷達(dá)探測范圍、預(yù)警機(jī)最大續(xù)航時間、通信傳輸距離、我方護(hù)航或庇護(hù)范圍、敵方可能來襲方向、敵方防空火力范圍等。然而在預(yù)警機(jī)航線規(guī)劃[3-4]和巡邏空域設(shè)置的文獻(xiàn)[5-6]中,鮮少考慮巡邏航線形狀和大小對預(yù)警探測能力的影響。
預(yù)警機(jī)巡邏航線的形狀和大小與巡邏空域大小、巡邏航時長短、預(yù)警探測強(qiáng)效區(qū)面積和徑向速度盲區(qū)相互影響相互制約,是預(yù)警機(jī)作戰(zhàn)使用與任務(wù)規(guī)劃中必須要考慮和分析的。因此本文對預(yù)警機(jī)四種典型巡邏航線進(jìn)行了分析和對比。本文首先對預(yù)警機(jī)四種典型巡邏航線,跑道形、8字形、三角形和圓形航線進(jìn)行建模。其次建立預(yù)警機(jī)預(yù)警探測的總覆蓋區(qū)、弱效區(qū)和強(qiáng)效區(qū)數(shù)學(xué)模型。最后從巡邏空域大小、巡邏航線周長、強(qiáng)效區(qū)面積和徑向速度盲區(qū)四個方面對比四種典型巡邏航線,并給出航線選擇建議。
預(yù)警機(jī)常用的四種巡航航線分別為跑道形航線、8字形航線、三角形航線和圓形航線,如圖1所示。本文在直角坐標(biāo)系內(nèi)對四種典型航線建立數(shù)學(xué)模型。定義航線的活動空域為航線幾何圖形的外接矩形(三角形航線的活動空域認(rèn)為是三角形外接圓的外切正方形,圓形航線的活動空域認(rèn)為是圓形的外切正方形)。定義航線的周長為幾何圖形的周長。
圖1 預(yù)警機(jī)常用的四種巡航航線
(x+L/2)2+y2=r2,-L/2-r≤x≤-L/2
(1)
y=-r,-L/2≤x≤L/2
(2)
(x-L/2)2+y2=r2,L/2≤x≤L/2+r
(3)
y=r,-L/2≤x≤L/2
(4)
跑道形航線的活動空域為:A=(L+2r)×2r。
跑道形航線的周長為:C=2L+2πr。
(x+d)2+y2=r2,-d-r≤x≤-d
(5)
(6)
(x-d)2+y2=r2,d≤x≤d+r
(7)
(8)
8字形航線的活動空域為:A=(2d+2r)×2r。
8字形航線的周長為:C=2L+2πr。
(9)
(10)
(11)
三角形航線的活動空域為:A=2r×2r。
如圖1(d)所示,以圓心為原點,以r為轉(zhuǎn)彎半徑的圓形航線的方程為:
x2+y2=r2,-r≤x≤r
(12)
圓形航線的活動空域為:A=2r×2r。
圓形航線的周長為:C=2πr。
預(yù)警機(jī)預(yù)警探測的總覆蓋區(qū)、弱效區(qū)和強(qiáng)效區(qū)的定義[7]如下:
定義1:預(yù)警機(jī)巡邏探測總覆蓋區(qū)是指預(yù)警機(jī)沿著航線巡邏時,所能探測到的區(qū)域總和。
定義2:預(yù)警機(jī)巡邏探測強(qiáng)效區(qū)是指預(yù)警機(jī)沿著航線巡邏時,在巡邏航線上的任意位置點都能夠探測到的區(qū)域。
定義3:預(yù)警機(jī)巡邏探測弱效區(qū)是指預(yù)警機(jī)沿著航線巡邏時,在巡邏航線上的有些位置點可以探測到,有些位置點探測不到的區(qū)域。
假設(shè)預(yù)警機(jī)在空中不動時的探測范圍為以預(yù)警機(jī)所在位置為圓心、以雷達(dá)最大探測距離Rm為半徑的一個圓(暫不考慮盲區(qū)),當(dāng)預(yù)警機(jī)沿巡邏航線飛行時,這個探測圓就隨之一起運動。根據(jù)上述定義,強(qiáng)效區(qū)可以轉(zhuǎn)化為如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解:即以巡邏航線上的各位置點為圓心、以載機(jī)雷達(dá)最大探測距離Rm為半徑的所有圓的交集??偢采w區(qū)即所有圓的并集。弱效區(qū)則是并集減去交集(即對稱差集)。四種典型巡邏航線對應(yīng)的預(yù)警探測總覆蓋區(qū)、弱效區(qū)和強(qiáng)效區(qū)的示意圖如圖2所示。
圖2 四種典型巡邏航線的預(yù)警探測總覆蓋區(qū)、弱效區(qū)和強(qiáng)效區(qū)示意圖
-L/2-r≤x≤-L/2
(13)
-L/2≤x2≤L/2
(14)
L/2≤x≤L/2+r
(15)
(16)
S總覆蓋區(qū)=π(Rm+r)2+2(Rm+r)L
(17)
總覆蓋區(qū)的包絡(luò)即弱效區(qū)的包絡(luò),如圖2(a)中灰色虛線所示,方程為:
(18)
(19)
強(qiáng)效區(qū)包絡(luò)的方程為以E為原點、以Rm-r為半徑的圓和以F為原點、以Rm-r為半徑的圓的交集,兩個圓的交點為G和H,其中∠GEF=∠HEF=arccos(L/(2×(Rm-r))),如圖2(a)中紫色實線所示,強(qiáng)效區(qū)包絡(luò)方程為:
(20)
預(yù)警機(jī)沿著8字形航線巡邏時,總覆蓋區(qū)的面積S總覆蓋區(qū)面積為:
S總覆蓋區(qū)=π(Rm+r)2+4(Rm+r)d
(21)
總覆蓋區(qū)的包絡(luò)即弱效區(qū)的包絡(luò),如圖2(b)中灰色虛線所示,方程為:
(22)
(23)
預(yù)警機(jī)探測強(qiáng)效區(qū)的面積為:
(24)
預(yù)警機(jī)按照三角形航線巡航時,總探測區(qū)為以三角形頂點A、B和C為圓心,以探測半徑Rm為半徑的三個圓的并集??偺綔y區(qū)面積為S=SA∪SB∪SC。強(qiáng)效區(qū)為以三角形頂點A、B和C為圓心,以探測半徑Rm為半徑的三個圓的交集。強(qiáng)效區(qū)面積為S=SA∩SB∩SC。
預(yù)警機(jī)按照圓形航線巡邏時,探測總覆蓋區(qū)即弱效區(qū)包線方程為以航線圓心O為圓心,以探測距離家轉(zhuǎn)彎半徑,即Rm+r為半徑的圓,如圖2(d)中灰色虛線所示。總覆蓋區(qū)面積為S總覆蓋區(qū)=π(Rm+r)2。強(qiáng)效區(qū)為以航線圓心O為圓心,以探測距離減去轉(zhuǎn)彎半徑,即Rm-r為半徑的圓,如圖2(d)中紫色實線所示。強(qiáng)效區(qū)面積為S強(qiáng)效區(qū)=π(Rm-r)2。
預(yù)警機(jī)在作戰(zhàn)使用中,往往是要在有限的活動空域中完成預(yù)警探測與指揮控制任務(wù),因此本節(jié)對比在活動空域受限,即活動空域面積一定的情況下,四種航線的周長和強(qiáng)效區(qū)面積。認(rèn)為強(qiáng)效區(qū)面積越大越好,周長越短越好。將四種航線兩兩對比。
3.1.1 對比跑道形與8字形航線
當(dāng)跑道形和8字形航線活動空域相同時,即r跑道=r8字形,L跑道/2=d8字形。
結(jié)論1:當(dāng)跑道形和8字形航線活動空域相同時,8字形航線平飛航線更長,航線周長更長。
結(jié)論2:當(dāng)跑道形和8字形航線活動空域相同時,跑道形航線強(qiáng)效區(qū)與8字形航線強(qiáng)效區(qū)完全重合。
綜上,當(dāng)活動空域受限時,跑道形航線優(yōu)于8字形航線。
3.1.2對比跑道形與圓形航線
圓形航線可以認(rèn)為是一種特殊的跑道形航線,即L=0。對比轉(zhuǎn)彎半徑相同的跑道形航線和圓形航線,即r跑道=r圓形,L跑道>0。跑道形航線強(qiáng)效區(qū)面積公式是以L為變量的單調(diào)遞減函數(shù),當(dāng)L=0時,即圓形航線時,取得最大值。
結(jié)論1:當(dāng)跑道形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線所需活動空域更小。
結(jié)論2:當(dāng)跑道形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線周長更短。
結(jié)論3:當(dāng)跑道形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大。
綜上,當(dāng)活動空域受限時,圓形航線優(yōu)于跑道形航線。
3.1.3對比8字形與圓形航線
8字形和圓形航線的對比與跑道形航線和圓形航線的對比相似。當(dāng)8字形航線的長邊等于兩倍轉(zhuǎn)彎半徑時,即L8字形=2r8字形時,8字形航線成為一種特殊的圓形航線,但是考慮到此時飛行難度大,因此不考慮L8字形≤2r8字形的8字形航線。對比轉(zhuǎn)彎半徑相同的8字形航線和圓形航線,即r8字形=r圓形,L8字形>2r8字形。8字形航線強(qiáng)效區(qū)面積公式是以d為變量的單調(diào)遞減函數(shù),當(dāng)d=0時,取得最大值。
結(jié)論1:當(dāng)8字形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線所需活動空域更小。
結(jié)論2:當(dāng)8字形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線周長更短。
結(jié)論3:當(dāng)8字形航線的轉(zhuǎn)彎半徑相同時,圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大。
綜上,活動空域受限時,圓形航線優(yōu)于8字形航線。
3.1.4對比三角形與圓形航線
三角形航線的活動空域定義是三角形的外接圓的外切正方形,圓形航線的活動空域是圓形的外接正方形,為簡便,對比三角形外接圓和圓形航線即可。
結(jié)論1:當(dāng)三角形航線與圓形航線的活動空域相同時,三角形航線的航線周長更短。
結(jié)論2:當(dāng)三角形航線與圓形航線的活動空域相同時,三角形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大。
綜上,活動空域受限時,三角形航線優(yōu)于圓形航線。
由于預(yù)警機(jī)巡邏時間有限制,因此認(rèn)為巡邏時間相同時,強(qiáng)效區(qū)面積越大越好,活動空域越小越好。本節(jié)對比巡邏時間相同時,也就是航線周長相同時,強(qiáng)效區(qū)面積和活動空域面積。將四種航線兩兩進(jìn)行對比。
3.2.1對比跑道形與8字形航線
結(jié)論1:當(dāng)跑道形航線與8字形航線的飛行長邊相等且轉(zhuǎn)彎半徑相等時,跑道形航線活動空域小于8字形航線。
結(jié)論2:當(dāng)跑道形航線與8字形航線的飛行長邊相等且轉(zhuǎn)彎半徑相等時,跑道形航線強(qiáng)效區(qū)面積小于8字形航線。
結(jié)論3:當(dāng)跑道形航線與8字形航線的飛行長邊相等且轉(zhuǎn)彎半徑相等時,跑道形航線強(qiáng)效區(qū)長邊對應(yīng)的最遠(yuǎn)點近于8字形航線(對比圖2(a-b)中OG線段長),跑道形航線轉(zhuǎn)彎半徑對應(yīng)的最遠(yuǎn)點遠(yuǎn)于8字形航線。(由于一般將跑道形和8字形長邊朝向目標(biāo)區(qū)域或威脅區(qū)域,因此長邊對應(yīng)的強(qiáng)效區(qū)最遠(yuǎn)點越遠(yuǎn)越好,相對的,轉(zhuǎn)彎半徑對應(yīng)的強(qiáng)效區(qū)最遠(yuǎn)端不太重要。)
綜上,巡邏時間受限時,8字形航線優(yōu)于跑道形航線。
3.2.2對比跑道形與圓形航線
巡邏時間受限時,對比周長相同的跑道形航線和圓形航線的活動空域和強(qiáng)效區(qū)面積。
結(jié)論1:當(dāng)跑道形與圓形航線周長相同時,圓形航線活動空域更大。
結(jié)論2:當(dāng)跑道形與圓形航線周長相同時,圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大,但差別不大。仿真證明如圖3。當(dāng)航線周長一定時,圓形航線的半徑即為定值,遍歷可能的跑道形航線的L和r(遍歷r時步長為2 km),并計算跑道形航線和圓形航線的強(qiáng)效區(qū)面積,仿真結(jié)果如圖3(a),圖3(a)中虛線框內(nèi)放大后如圖3(b),由圖可見圓形航線的強(qiáng)效區(qū)面積更大,但優(yōu)勢并不明顯。
圖3 巡邏時間受限時對比跑道形和圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積對比
3.2.3對比8字形與圓形航線
巡邏時間受限時,對比8字形航線與圓形航線與上一節(jié)對比跑道形航線與圓形航線分析方法和結(jié)論一致。
圖4 巡邏時間受限時對比三角形和圓形航線
結(jié)論1:當(dāng)8字形與圓形航線周長相同時,圓形航線活動空域更大。
結(jié)論2:當(dāng)8字形與圓形航線周長相同時,圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大,但區(qū)別不大。
3.2.4對比三角形與圓形航線
結(jié)論1:當(dāng)三角形航線和圓形航線周長相等時,圓形航線活動空域更小。
結(jié)論2:當(dāng)三角形航線和圓形航線周長相等時,圓形航線強(qiáng)效區(qū)面積更大。
綜上,巡邏時間受限時,圓形航線優(yōu)于三角形航線。仿真圖如圖4,圖中的三角形航線與圓形航線的周長相同,當(dāng)圓形航線的轉(zhuǎn)彎半徑分別為10km、20km、30km和40km時,窮舉各種可能的三角形邊長(邊長取整),并計算三角形航線的活動空域和強(qiáng)效區(qū)面積,分別如圖4(a)和圖4(b),由圖可見,三角形航線的活動空域大于圓形航線,強(qiáng)效區(qū)面積小于圓形航線。
預(yù)警機(jī)雷達(dá)通常采用脈沖多普勒(Pause Doppler,PD)體制雷達(dá)。由于PD體制雷達(dá)本身的局限性,在頻域上進(jìn)行多普勒頻移檢測時,若機(jī)載雷達(dá)與目標(biāo)間的相對徑向速度未超出可檢測門限,其威力范圍與覆蓋范圍內(nèi)存在檢測盲區(qū),這在雷達(dá)情報輸出端直接表現(xiàn)為漏情以及目標(biāo)航跡的不連續(xù),影響機(jī)載雷達(dá)的整體探測性能,成為戰(zhàn)時的薄弱環(huán)節(jié)。因此本文對比跑道形航線和圓形航線的徑向速度盲區(qū)。
設(shè)預(yù)警機(jī)載機(jī)航向與雷達(dá)波束的夾角為α,目標(biāo)航向與雷達(dá)波束的夾角為β,預(yù)警機(jī)航向與目標(biāo)航向夾角為γ=α-β,設(shè)預(yù)警機(jī)速度為VR,目標(biāo)速度為VT,徑向速度計算公式為:
Vr=VRcosα-VTcosβ
(25)
當(dāng)徑向速度Vr小于臨界值Vmin或大于臨界值Vmax,即當(dāng)|Vr|
本文考慮當(dāng)預(yù)警機(jī)沿著跑道形或圓形航線巡邏,目標(biāo)做勻速直線運動的情況,平面示意圖如圖5。目標(biāo)航線為藍(lán)色虛線,航線如箭頭所示,目標(biāo)航線的直線方程由OB線段長,和∠θ唯一確定。設(shè)當(dāng)目標(biāo)在B點時,即目標(biāo)航線上距離預(yù)警機(jī)航線中心O點最近的點時,預(yù)警機(jī)位于跑道形或圓形航線上的Y點。OB線段長b0、θ角度和Y點位置三個變量即可唯一確定目標(biāo)航跡與預(yù)警機(jī)航線之間的運動關(guān)系。
對于預(yù)警機(jī)沿跑道形和圓形兩種航線巡邏的情況,預(yù)警機(jī)與目標(biāo)的空間位置關(guān)系可以統(tǒng)一計算。以下均假設(shè)預(yù)警機(jī)沿航線以速率VR逆時針巡航,目標(biāo)沿任意一條直線做勻速直線運動。以目標(biāo)飛行經(jīng)過B點時為零時刻,B點坐標(biāo)為(b0cosθ,b0sinθ),目標(biāo)的勻速直線運動可以等效為目標(biāo)從零時刻按照兩個相反的方向做勻速直線運動,速度分別為(±VTsinθ,?VTcosθ),則t時刻目標(biāo)的位置坐標(biāo)為(b0cosθ±tVTsinθ,b0sinθ??tVTcosθ)。設(shè)零時刻預(yù)警機(jī)在航線上的Y位置,t時刻預(yù)警機(jī)的位置坐標(biāo)為(xY(t),yY(t)),該位置預(yù)警機(jī)的速度矢量為(Vx,Y(t),Vy,Y(t))。設(shè)預(yù)警機(jī)與目標(biāo)之間的高度差為h。
圖5 跑道形航線與圓形巡邏航線的徑向速度示意圖
(b0cosθ±tVTsinθ-xY(t),b0sinθ?tVTcosθ-yY(t))
(26)
預(yù)警機(jī)與目標(biāo)的距離d相對,Y(t)為:
(27)
(±VTsinθ-Vx,Y(t), ?VTcosθ-Vy,Y(t))
(28)
由以上的相對運動關(guān)系,可得t時刻目標(biāo)相對于預(yù)警機(jī)的徑向速度大小的計算公式為:
(29)
對比跑道形和圓形航線的仿真參數(shù)設(shè)置如表1,跑道形航線與圓形航線的周長幾乎相等,即巡航一周的時間幾乎相同、耗油量幾乎相同。預(yù)警機(jī)巡航速度為450 km/h,目標(biāo)速度為600 km/h,預(yù)警機(jī)與目標(biāo)高度為8000 km,高度差h=0 km。在仿真中,設(shè)目標(biāo)沿X軸由左向右飛行,θ=90°;預(yù)警機(jī)零時刻位置為航線與負(fù)Y軸交點;目標(biāo)在零時刻與預(yù)警機(jī)航線原點的距離b0的取值為-Rm-r-L/2≤b0≤Rm+r+L/2。
表1 跑道形與圓形航線徑向速度盲區(qū)對比仿真參數(shù)設(shè)置
仿真結(jié)果如圖6所示。圖中黑色實線為預(yù)警機(jī)巡邏航線,為跑道形或圓形;航線上紅色圓點為初始時刻預(yù)警所在位置Y;紫色點劃線為預(yù)警機(jī)按跑道形或圓形航線巡邏時的強(qiáng)效區(qū);藍(lán)色虛線為目標(biāo)航線示意,箭頭表示航向,與文獻(xiàn)[7-9]中僅考慮某一條特定的目標(biāo)航線不同的是,本文仿真實驗中同時仿真了多條θ相同b0不同的做勻速直線運動的目標(biāo)航線,即與藍(lán)色虛線平行的多條目標(biāo)航跡。圖中黑色區(qū)域為預(yù)警機(jī)與目標(biāo)相對運動中,目標(biāo)超出了預(yù)警機(jī)探測范圍的區(qū)域,白色區(qū)域為目標(biāo)預(yù)警機(jī)探測范圍內(nèi)的區(qū)域,灰色區(qū)域為徑向速度盲區(qū)。從圖6可以看出,預(yù)警機(jī)運動到跑道形航線長邊時,預(yù)警機(jī)與目標(biāo)呈同向平行運動,此時徑向速度小于Vmin,會出現(xiàn)長時間的徑向速度盲區(qū)。目標(biāo)進(jìn)入盲區(qū)后,預(yù)警機(jī)探測的目標(biāo)航跡將會中斷,中斷時間過長,即使目標(biāo)再次出現(xiàn),預(yù)警機(jī)也難以判斷是否為同一個目標(biāo)。
圖6 跑道形航線與圓形巡邏航線的徑向速度盲區(qū)仿真圖
本文對預(yù)警機(jī)四種典型巡邏航線及其預(yù)警探測總覆蓋區(qū)、弱效區(qū)和強(qiáng)效區(qū)建立數(shù)學(xué)模型,從活動空域大小、航線周長、強(qiáng)效區(qū)面積和徑向速度盲區(qū)四個方面分析對比了跑道形、8字形、三角形和圓形四種預(yù)警機(jī)典型巡邏航線,總結(jié)如表2。
本文認(rèn)為圓形航線為最優(yōu)巡邏航線。采用圓形航線,可以在最小的活動空域內(nèi),獲得最大的強(qiáng)效區(qū)面積;而且圓形航線強(qiáng)效區(qū)占總覆蓋區(qū)的比例最大。圓形航線的另一個顯著優(yōu)點是徑向速度盲區(qū)影響小。圓形航線可以看作是特殊的跑道形或8字形航線,是跑道形或8字形航線的極限情況,也是跑道形或8字形航線強(qiáng)效區(qū)面積最大的情況。美國的E-3預(yù)警機(jī)和日本的E-767預(yù)警機(jī)在訓(xùn)練和執(zhí)行任務(wù)中都是采用圓形航線飛行。三角形航線可以看作是特殊的圓形航線,在載機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)彎能力受限情況下,可以達(dá)到近似圓形航線的效果。
表2 四種典型預(yù)警機(jī)巡邏航線對比
綜上,本文建議預(yù)警機(jī)在執(zhí)行預(yù)警探測任務(wù)中,采用圓形航線巡邏飛行。當(dāng)不能飛圓形航線時,可采用跑道形或8字形航線。當(dāng)需要環(huán)繞重點區(qū)域的巡邏方式,以便全方位監(jiān)視時,可以采用三角形航線。
本文的不足之處有:對8字形航線和三角形航線的建模還比較簡單,沒有詳細(xì)考慮轉(zhuǎn)彎的影響。實際飛行中,載機(jī)運動遵循空氣動力學(xué)特性且具有慣性,并不能按照規(guī)整的三角形飛行。分析徑向速度盲區(qū)時,僅考慮了目標(biāo)做勻速直線運動的情況,未考慮變速運動和機(jī)動轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜情況。在實際應(yīng)用中,可以通過建立目標(biāo)的運動模型,預(yù)測徑向盲速,并采取措施補償或規(guī)避。此外,本文未考慮各種航線飛行操作的難易程度,如圓形航線對慣導(dǎo)和飛行員的要求較高等。在以后的工作中將完善以上不足。