通信时延对无人作战飞机NWL轰炸精度影响研究*

朴海音，刘茂汉，王鹤，蔡为民

（沈阳飞机设计研究所，沈阳110035）

通信时延对无人作战飞机NWL轰炸精度影响研究*

朴海音，刘茂汉，王鹤，蔡为民

（沈阳飞机设计研究所，沈阳110035）

无人作战飞机具有飞行器与指挥平台“空地分离”的技术特征，源自飞行员的战术决策指令须通过战术数据链传输给飞机，该特性在空地轰炸模式下将对系统作战效能产生一定的影响。建立了面向无人作战飞机的空地一体化机翼非水平（NWL，Non-Wing-Level）轰炸仿真模型，通过Monte-Carlo仿真表明脱靶量与数据链时延之间存在线性关系，采用Kalman滤波可以克服时延对脱靶量的影响，并提高命中精度。

无人作战飞机，通信时延，NWL，轰炸

0 引言

无人作战飞机是机、站、链、人高度综合的系统工程，源自飞行员的战术决策指令须通过战术数据链传输给飞机，因而形成了飞行器与指挥平台“空地分离”的技术特征。由于通信信道存在时延及抖动，决策指令往往表现为经过一定的传输滞后方能投递至飞行器［1］，这一现象在空地轰炸作战样式下将不同程度地影响瞄准误差、火控图符显示精度［2］，同时也将影响飞行员对态势的判断及攻击授权指令的发出，最终导致轰炸脱靶量的增加。

针对通信时延条件下的无人机空地作战问题，文献［3］引入动态逆方法求解空地攻击条件下的飞行器在线引导；文献［4］通过数值仿真模拟了数据链时延对航向瞄准偏差及攻击决策的影响；文献［5］从通信角度研究了提高无人作战飞机数据链通信性能的方法；综上所述，目前研究并未对时延与投放命中精度之间的关系进行全面分析。本文构建了面向无人作战飞机的空地一体化机翼非水平（NWL，Non-Wing-Level）轰炸闭环仿真模型，采用Monte-Carlo仿真得出脱靶量与数据链时延之间存在线性关系的结论，同时通过卡尔曼滤波手段改善了命中精度及弹着点散布，其结论对改善无人机空地作战及载荷物高空精确投放性能［6］具有一定的指导意义。

1 问题描述

为降低被敌防空火力击中的概率，空地轰炸可采用NWL机动攻击模式，在方向瞄准的同时进行横侧向机动，将对地攻击武器投放与地空突防进入、退出及攻击前后的规避机动结合，提高了攻击机的生存性［7］。

无人作战飞机以R为引导航迹进行NWL投放时的水平轰炸瞄准图如图1所示。

图中，［X，Y，Z］Tg为大地坐标系参考方向，飞机以指定法向过载nn作水平机动，t1时刻被引导至投放点O1，投放时刻真空速为V1，风速为U1，综合地速为W1，则计算弹着点为C1。由于通信时延，飞行员将在某具体时延ΔT后识别达成攻击条件并进行攻击授权，此时飞机被引导至投放点O2，则ΔT引起瞄准误差满足下述关系：

式中，g为重力加速度，R为转弯半径。与机翼水平轰炸相比，由于飞机持续横航向机动，除距离瞄准误差增量ΔA外，方向瞄准误差也产生了额外的增量Δ，投放时刻火控参量的变化将必然导致实际投放弹着点C2在计算弹着点C1基础上偏移δx、δy。因此，定量分析弹着点偏差与数据链时延之间的关系并完成在线补偿将在一定程度上校正投放时刻瞄准误差特性，从而改善攻击命中精度。

2 时延抖动对NWL轰炸影响建模

2.1 Poisson分布通信时延抖动模型

数据链通信时延抖动通常假设具有马尔科夫特征，在数据链消息生成服从指数分布或定长分布的条件下，其时延及抖动概率分布函数可采用爱尔朗（Erlang）分布、间歇泊松过程（IPP，Interrupted Poisson Process）、马尔科夫调制泊松过程（MMPP，Markov ModulatedPoissonProcess）等方法进行模拟［8］。考虑到典型的无人作战想定地空通信一般为单播无环跳形式，因而采用Poisson分布即可达到期望近似度。

2.2 UCAV闭环动力学模型

UCAV内环采用质点动力学方程组建模；中环采用BTT方式进行动态水平、垂直过载分配［9］；外环采用连续计算投放点（CCRP，Continuous Counting Release Point）方式引导，依据下述瞄准方程实时解算应飞地速航向、应飞高度hc及应飞综合地速Wc。

式中，A、At、An分别为投放物射程、综合切向射程和综合法向射程；c为应飞地速航向；ε为风速方向，U为风速；v为真空速V矢量模长；Rp为瞄准点矢量；xi、yi为弹着点位置；T为投放物下落时间。

2.3 投放物外弹道模型

不计地球扁率和自传，视地球为平坦大地；将投放物视为质点，考虑侧风引起的弹道侧向偏移，则航迹坐标系质点弹道动力学环节方程组为：

式中，CD、CL、Cc为阻力系数、升力系数和侧力系数；μ为速度滚转角；q为动压；S为投放物参考面积；CL、CD通过投放物气动力数据插值获得。

2.4 Von Karman风场扰动

为模拟飞机和投放物的气动力随机扰动，引入Von Karman三维空间大气紊流场。与Dryden模型相比，Von Karman模型的频谱函数在高频段的斜率不同，频谱函数更为复杂，更符合大气紊流的实际情况［10］。其能量频谱函数E（Ω）为：

式中，a=1.33；L为紊流尺度；Ω为空间频率；σ为紊流强度。根据Bachelor公式，得出基于Von Karman频谱的三维空间相关函数RUU、RVV、RWW如下：

3 仿真结果及分析

3.1 弹着点偏差Monte-Carlo仿真

仿真初始条件为：在大地坐标系下，无常值风，低空风场强度4 m/s；预定目标位置（0.0，0.0，0.0）m；投弹时刻应飞地速400 km/h；巡航高度3 000 m；水平面初始位置（4 462.5，-2 000.0）；地面站将飞行器以2 000 m半径恒定水平指令过载引导至水平面投放位置（2 474.1，0.0）进行载荷投放，典型投放航迹及投放物外弹道如图3所示。

由于风场扰动及系统控制误差始终存在，当置时延ΔT=0时，应飞地速航向c及实测地速航向之间存在误差Δe；如图4所示，以某次投放样本为例，当投弹时刻t=28.1 s时，Δe=0.17°。

采用Monte-Carlo法驱动NWL轰炸模型进行仿真，考虑典型数据链时延ΔT≤1 000 ms，定义时延取值范围ΔT∈［0.0，1 000.0］ms，仿真步长10 ms，在每个时延间隔仿真100次，得到仿真计算结果如图5、图6所示。

统计图5所示仿真数据可知，随时延ΔT线性增加，水平弹着点偏差δx、δy亦呈线性增大趋势；当ΔT=0 ms时，脱靶量e=8.34 m；ΔT=100 ms时，e=22.34 m；ΔT=200 ms时，e=32.66 m，至此已难以满足一般轰炸作战战术需求。

取每10次仿真均值绘制弹着点散布如图6所示，可见随时延ΔT线性增加，弹着点在大地坐标系下以线性方式偏离目标位置（0.0，0.0，0.0）m；当ΔT=0 ms时，散布标准差σ=7.76 m；ΔT=500 ms时，散布标准差σ=8.93 m；ΔT=1 000 ms时，散布标准差σ=9.89 m；可知随时延增大，弹着点散布有缓慢增大趋势。

3.2 在线时延补偿

为减少数据链攻击授权时延对轰炸精度的影响，采用下述Kalman滤波方程组对UCAV状态进行估计、预测及平滑。

取典型数据链时延ΔT均值为350 ms，进行100次Monte-Carlo仿真，仿真结果如图7所示。图中，Kalman滤波补偿前脱靶量均值=60.03 m，散布标准差σ=8.37 m；补偿后=4.61 m，散布标准差σ=7.50 m，由仿真可知，Kalman滤波能够有效改善攻击授权时延ΔT对脱靶量的影响，同时其输出平滑作用能够在一定程度上优化弹着点散布特性，提高命中精度。

4 结论

本文研究了数据链通信时延对无人作战飞机NWL轰炸命中精度问题，通过建模手段进行了大量仿真计算得出以下结论：在UCAV恒定水平过载NWL投放条件下，脱靶量随攻击授权时延增加线性增大，若攻击授权时延不经过补偿，命中精度无法满足作战要求。采用Kalman滤波对UCAV状态进行在线补偿可以有效抑制攻击授权时延对脱靶量的影响，同时其输出平滑作用能够在一定程度上优化弹着点散布特性，提高命中精度，这对改善无人机空地作战及载荷物高空精确投放性能具有一定的指导意义。

［1］NAGARAJAN H，RATHINAM S，DARBHA A．Syn-thesizing robust communication networks for UAVs［C］//Proc. of the American Control Conference，2012：3730-3735．

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［3］ZHANG Y，CHEN J，SHEN L C．Real-time trajectory planning for UCAV air-to-surface attack using inverse dynamics optimizationmethodandrecedinghorizoncontrol［J］.Chinese JournalofAeronautics，2013，16（4）：1038-1056．

［4］GUO L W，CARDULLO F M．New predictive filters for compensating the transport delay on a flight simulation［R］. AIAA 2004-5441，2004.

［5］JAWHAR I，MOHAMED N，Al-JAROODI J.Data communication relay in linear wireless sensor networks using unmanned aerial vehicles［C］//Proc.of the International Conference on Unmanned Aircraft Systems，2013：492-499．

［6］HATTIS P D，CAMPBELL D P，CARTER D W，et al．Providing means for precision airdrop delivery from high altitude［R］.AIAA 2004-5183，2004.

［7］GRISWORD M R.AFTI/F-16 AMAS guidance and control［C］//Proc.of the IEEE 1986 National Aerospace Electronics Conference，1986：560-566.

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［9］JOSEPH S B.Autonomous steering of the joint unmanned combat air systems（J-UCAS）X-45A［C］//Proc.of AIAA 3rd Unmanned Unlimited Technical Conference，2004.

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UCAV NWL Bombing Accuracy Analysis Based on Communication Lag Environment

PIAO Hai-yin，LIU Mao-han，WANG He，CAI Wei-min
（Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China）

Unmanned combat aerial vehicle（UCAV）’s airframe and pilot are typically separated，which caused all tactical commands must transmitted by the medium of data-link.This technical feature is proven that communication lag will significantly affect on air/surface operation efficiency.The paper mainly focuses on air/ground integrated UCAV Non-Wing-Level（NWL）bombing Monte-Carlo modeling，simulation result indicates that bomb misdistance is linearly related to communication lag. Consequently，Kalman filter compensation will improve miss distance and refine bombing accuracy.

unmanned combat aerial vehicle（UCAV），communication lag，non wing level（NWL），bombing

V249.122+.4；TJ85

A

1002-0640（2017）01-0110-04

2016-01-05

2016-02-07

国防重点预研基金资助项目（1020XXX01；1020XXX03）

朴海音（1984-），男，辽宁辽阳人，主管设计师，工程师。研究方向：无人作战飞机地面站总体设计。