基于战场数字地图信息的反坦克导弹飞行弹道规划方法

赵军民, 常冠男, 郭晓辉

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

反坦克导弹用途广泛,面临的战场环境复杂多样。在多山地形、城市等环境中使用时,如果前方障碍物高度超过导弹飞行弹道高度,就会受到障碍物的阻挡,影响导弹正常飞行和作战使用,示意图见图1。为实现作战目的,对飞行弹道、飞行航路进行规划是目前导弹武器广泛采用的措施[1]。文中基于作战应用场景,通过对战区数字地图信息的合理利用,提出了一种用于反坦克导弹飞行避障的弹道规划方法,仿真结果表明,该方法能有效规划导弹的飞行路线,使得导弹能够绕过障碍物完成对目标的精确打击,增强了反坦克导弹在复杂战场环境中的适应性。

1 规划特征点计算

规划特征点是指在导弹的飞行区域中,能够表征对导弹安全飞行产生威胁的障碍物特征的坐标点,导弹发射前,需根据战区数字地图信息计算规划特征点,进而规划出合理的飞行路线,实现对障碍物的有效规避[2-3]。

1.1 地图信息栅格化

战区数字地图描述了预定作战区域内的高程信息,示意图如图2所示,首先以发射点为圆点建立栅格化坐标系,纵轴方向为真北方向,横轴与纵轴垂直,向右为正。按方位Δθ、射距ΔR为单元格将数字地图进行栅格化处理[4],示意图如图3所示,Δθ、ΔR为地图信息栅格化处理的单位方向角和距离,S(i,j)表示地图的栅格区域,每个栅格区域的方位方向与径向坐标值取栅格中心点处的方位角及径向距离,高度取栅格区域内地形的最大高度值,栅格化后的数字地图表示如下:

θ(i,j)=(i-0.5)Δθ

R(i,j)=(j-0.5)ΔR

H(i,j)=max(hS(i,j))

(1)

1.2 飞行区域估计

反坦克导弹打击运动目标时,其飞行路线需要根据目标的运动情况进行实时调整,因此需要对导弹实际飞行区域进行估计,假设导弹在发射瞬间弹目连线方位角为θT0,目标横向运动速度为VT,导弹飞行速度为VM,飞行时间为TM,弹目距离为RMT,则命中时刻弹目连线方位角θT1计算如下:

(2)

导弹飞行区域示意图如图4所示。

1.3 障碍物包络计算

在导弹飞行区域内,计算障碍物相对发射点的距离和障碍物高度,形成障碍物包络。

考虑导弹飞行弹道的差异,对飞行区域方位方向进行归一化处理,将距发射点等距离的栅格带高度信息置为该栅格带内障碍物最大高度值,示意图如图5所示。

Hjmax=max(H(1,j),H(2,j),…,H(n,j))

(3)

根据栅格带距发射点的距离和高度,投影到导弹发射坐标系下,得到障碍物发射系下坐标信息,形成障碍物包络[5],示意图如图6所示。

障碍物包络特征点表示为:

(xi,hi),i=1,2,…,N

其中:i为栅格带的编号;N为命中点处的栅格带编号,N=round(RMT/ΔR)。

1.4 规划特征点计算

根据发射坐标系下障碍物包络线特征点信息,综合考虑障碍物对导弹飞行弹道的影响,计算规划特征点:

a)最大发射遮蔽角计算

发射遮蔽角α是障碍物至高点和发射点连线与发射系Oxz平面所成的夹角,各障碍物形成的发射遮蔽角为:

αi=arctan(hi/xi),i=1,2,…,N

(4)

最大发射遮蔽角:

αmax=max(αi),i=1,2,…,N

b)最大目标遮蔽角计算

目标遮蔽角β是障碍物至高点和目标连线与发射系Oxz平面所成的夹角,各障碍物形成的目标遮蔽角为:

βi=arctan(hi/(RMT-xi)),i=1,2,…,N

(5)

最大目标遮蔽角:

βmax=max(βi),i=1,2,…,N

c)障碍物最大高度

障碍物最大高度为障碍物包络特征点的最大高度:

Hmax=max(hi),i=1,2,…,N

d)规划特征点计算

规划特征点是综合障碍物对导弹飞行的影响因素得到的能够表征障碍物特征的坐标点,飞行弹道通过规避规划特征点来实现对飞行区域内障碍物的规避,规划特征点M1(xm1,ym1)、M2(xm2,ym2)计算如下:

xm1=Hmax/tanαmax

ym1=Hmax

xm2=RMT-Hmax/tanβmax

ym2=Hmax

(6)

规划特征点示意图如图7所示。

2 飞行弹道规划

制导控制系统根据规划特征点控制导弹绕过障碍物飞行,实现对目标的精确打击,规划方案[6-7]如下:

a)导弹飞行初始段以OM1连线为基准,在其上方保持Δh高度飞行;

b)导弹飞过第一个规划点以后,以M1M2连线为基准,在其上方保持Δh高度平飞;

c)导弹飞过第二个规划点后,以M2T连线为基准,在其上方保持Δh高度飞行;

d)导引头捕获目标后,导弹转入末制导阶段,按照比例导引律飞行直至命中目标。

规划弹道计算如下:

(7)

式中:M3为中末制导交接点,Δh参数的选取要考虑弹上导航系统精度以及其余未知干扰带来的导弹飞行位置误差,保证导弹在距障碍物包络线安全距离的范围以外飞行,规划弹道的示意图如图8所示。

3 仿真分析

针对某型反坦克导弹参数进行六自由度仿真,仿真假设目标距发射点距离8 000 m,预估飞行区域中障碍物最大高度为200 m,障碍物发射遮蔽角为5°,目标遮蔽角为7°,Δh设置为40 m。

计算得到规划坐标点为:M1(2 286 m,200 m),M1(6 371 m,200 m),六自由度仿真结果如图9所示。

仿真结果表明:在发射点至第一个规划特征点之间,导弹相对OM1连线保持40 m高度飞行,在第一个规划点至第二个规划点之间,导弹维持240 m高度平飞,飞过第二个规划点以后,导弹相对弹目连线保持40 m高度飞向目标,在M3点处,导引头捕获目标,导弹按照比例导引规律精确命中目标。

规划弹道根据障碍物信息,充分利用了导弹的飞行能力,在发射前规划弹道,有效规避障碍物,增强了导弹的战场环境适应性。

4 总结

地面战争逐渐进入超视距和非视距的作战方式,武器射程越来越远,传统的地面上视距内发射反坦克导弹攻击的情况不断减少,更多的将是间瞄射击,相应的,导弹飞行中遇到障碍物阻挡的情况会越来越多,影响导弹的作战使用,需要有效的规避方法。文中在战场地图信息基础上,提出了一种用于反坦克导弹飞行避障的弹道规划方法,仿真结果表明,该方法能有效规避前方障碍物,并保证飞行末段导弹对目标的精确打击,该方法有效可靠,简便易行,具有较高的应用价值。

参考文献:

[1] 徐振宇, 严建设, 王宝敏. 反舰导弹航路规划研究 [J]. 舰船电子工程, 2009, 29(11): 40-43.

[2] 甄然, 王开拓, 吴学礼. 基于数字地图预处理的飞行器航迹规划 [J]. 河北科技大学学报, 2015, 36(2): 195-202.

[3] 刘钢, 陈国生, 老松杨, 等. 反舰导弹航路规划的几何学特征及规律 [J]. 电光与控制, 2013, 20(9): 23-28.

[4] 张欣景, 胡训强, 谢国新, 等. 航路规划中数字地图综合处理技术 [J]. 火力与指挥控制, 2012, 37(1): 95-98.

[5] 刘晔. 飞行航路障碍物评价设计与实现 [J]. 指挥信息系统与技术, 2012, 3(6): 25-29.

[6] ZHAO Jiang, ZHOU Rui. Obstacle avoidance for multi-missile network via distributed coordination algorthm [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2016, 29(2): 441-447.

[7] WU Yu, QU Xiangju. Obstacle avoidance and path planning for carrier aircraft launching [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(3): 695-703.