CN105867426A - 针对移动目标的飞机自动投放物资引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对移动目标的飞机自动投放物资引导方法，涉及载机物资投放领域，通过质心运动微分方程组，得到载机所需修正的角度偏差与距离偏差，载机不断进行角度偏差和距离偏差的修正后，载机投放物资，完成投放任务，本发明所提出的模型较为简单，方程组解算十分容易，可用于完成运输机物资空投，直升机海上救援等多种情况下的投放引导任务，解算方法可以适应多种情况，对于固定目标、移动目标、有风、无风情况均可通过这种方法解算，有很好的适应能力，同时解算方法简单，用最简单的迭代法即可方便的求出，机载计算机可以快速的算出结果，精度较高。

Description

针对移动目标的飞机自动投放物资引导方法

技术领域

本发明涉及载机物资投放领域，尤其是针对移动目标的投放方法。

背景技术

CCRP(Continuously Computed Release Point)即连续计算投放点瞄准原理，是在飞机接近目标过程中连续计算对目标的投放位置，在计算机里将此位置与飞机相对于目标的现实位置自动进行比较，当飞机的现实位置与连续计算出的投放位置一致时，系统自动投放。此瞄准原理需要知道飞机相对于目标的位置，用来自动比较是否到了投放点，因此必须跟踪目标。

CCRP的具体求解过程为：

1)解算理论投放轨迹，算出投放物资的水平射程和下落时间。

2)按照一定规律求解出载机所需修正的角度偏差与距离偏差。

3)载机连续测量目标位置同时不断修正角度偏差与距离偏差，直至修正完成，从而投放物资至目标点。

传统CCRP引导方法主要针对固定目标，比如载机投放无控武器轰炸固定目标，运输机定点空投物资等任务。针对移动目标的研究比较少。在某些情况下，目标投放点是移动不固定的，传统的CCRP引导方法不能很好地完成任务，为此本发明提出一种改进的CCRP引导方法。其中心思想是如何解算角度偏差与距离偏差。

发明内容

为了克服现有技术只能针对固定目标投放而不能有效针对移动目标的缺点，本发明给出一种可以快速算出角度偏差与距离偏差的方案。

本发明所采取的技术方案包括以下步骤：

步骤一：物资投放轨迹的解算

物资投放方式为水平投放，得到物资下落过程中质心运动微分方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dV}}_x}{dt}=-0.1824\×{10}^{-3}C\frac{h}{\mathrm{\τ}}{V}_x^2\sqrt{1+P^2}\\ \frac{dP}{dt}=g/V_x\\ \frac{dx}{dt}=V_x\\ \frac{dy}{dt}=V_{x}P\\ V=V_x\sqrt{1+P^2}\\ h=760{\[1-2.0326\×{10}^{-5}(H-y)\]}^{5.828}\\ \mathrm{\τ}=288.4-5.862\×{10}^{-3}(H-y)\end{array}\right.$

其中V_x为货物水平速度，t表示航弹下落时间，C为货物弹道系数，h为空气压力汞高，τ为虚温，P为货物俯冲角正切值，g为重力加速度，x为货物水平移动距离，y为货物下落高度，V为货物飞行速度，H为载机投放货物高度；

初始条件为：

$\left\{\begin{array}{c}t=0\\ V_x=V\\ P=0\\ x=0\\ y=0\end{array}\right.$

终结计算条件为：y＝H

通过龙格库塔方法解出该微分方程组，可以得到无风时炸弹水平射程A₀和下落时间t；

步骤二：求解载机所需修正的角度偏差Δk与距离偏差Δd

地速坐标系中，以载机为原点，以机速方向为纵轴方向，角度偏差以右偏为正，其求解方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}d=\sqrt{{\[A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})\]}^2+{\[A_{yw}+(v_{my}-v_{yf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{my}-v_{yf})\]}^2}-A_0\\ \mathrm{\Δ}k=\arcsin \left(\frac{A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})}{\sqrt{{\[A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})\]}^2+{\[A_{yw}+(v_{my}-v_{yf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{my}-v_{yf})\]}^2}}\right)+\arcsin \left(\frac{v_{xf}}{V}\right)\end{array}\right.$

其中所需求解的参数是角度偏差Δk与距离偏差Δd，(A_xw,A_yw)为目标当前位置坐标，(v_mx,v_my)为目标速度向量，(v_xf,v_yf)为风速度向量，V为载机速度，当前位置坐标、目标速度向量、风速度向量和载机速度均由载机测得，此方程组用迭代法求解，解出角度偏差Δk与距离偏差Δd，若角度偏差Δk＝0且距离偏差Δd＝0，进入步骤四，否则进入步骤三；

步骤三：载机进行角度偏差、距离偏差修正机动

载机根据步骤二中得到的角度偏差Δk和距离偏差Δd向对应的方向机动，追踪目标位置，并修正角度偏差与距离偏差后返回步骤一；

步骤四：载机投放物资，完成投放任务。

本发明的有益效果在于所提出的模型较为简单，方程组解算十分容易，可用于完成运输机物资空投，直升机海上救援等多种情况下的投放引导任务；本发明提出的解算方法可以适应多种情况，对于固定目标、移动目标、有风、无风情况均可通过这种方法解算，有很好的适应能力；同时解算方法简单，用最简单的迭代法即可方便的求出，机载计算机可以快速的算出结果，精度较高。

附图说明

图1是本发明物资投放引导基本流程图。

图2是本发明有风且目标移动时物资投放模型(地速坐标系)。

图3是本发明仿真实验物资投放前目标位置的变化路径。

图4是本发明仿真实验物资投放后目标与物资位置变化情况。

图5是本发明仿真实验物资最终落点。

其中：图2中，A—目标初始位置，A1—物资投放时目标位置，A2—物资落地时目标位置，B1—无风时物资命中点，C1—载机物资投放点，α—载机初始偏流角，右偏为正，K—角度修正后载机对准方向，右偏为正，Δd—距离偏差，在图3、图4和图5中，圆圈为目标，三角形为载机，十字为所投物资。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

基本流程如附图1所示，附图对CCRP角度偏差与距离偏差修正方法作进一步的说明，具体投放过程如下：

步骤一：物资投放轨迹的解算

物资投放方式为水平投放，得到物资下落过程中质心运动微分方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dV}}_x}{dt}=-0.1824\×{10}^{-3}C\frac{h}{\mathrm{\τ}}{V}_x^2\sqrt{1+P^2}\\ \frac{dP}{dt}=g/V_x\\ \frac{dx}{dt}=V_x\\ \frac{dy}{dt}=V_{x}P\\ V=V_x\sqrt{1+P^2}\\ h=760{\[1-2.0326\×{10}^{-5}(H-y)\]}^{5.828}\\ \mathrm{\τ}=288.4-5.862\×{10}^{-3}(H-y)\end{array}\right.$

其中V_x为货物水平速度，t表示航弹下落时间，C为货物弹道系数，h为空气压力汞高，τ为虚温，P为货物俯冲角正切值，g为重力加速度，x为货物水平移动距离，y为货物下落高度，V为货物飞行速度，H为载机投放货物高度；

初始条件为：

$\left\{\begin{array}{c}t=0\\ V_x=V\\ P=0\\ x=0\\ y=0\end{array}\right.$

终结计算条件为：y＝H

通过龙格库塔方法解出该微分方程组，可以得到无风时炸弹水平射程A₀和下落时间t；

仿真实验通过Matlab实现，具体参数如下所示：

已知参数为载机速度为V＝200m/s，则物资初速V₀＝200m/s；物资投放高度H＝1000m。

根据载机速度V＝200m/s，物资投放高度H＝1000m，计算得到物资下落时间t和物资水平射程A₀：

$\left\{\begin{array}{c}t=92.77s\\ A_0=976.73m\end{array}\right.$

步骤二：求解载机所需修正的角度偏差Δk与距离偏差Δd

地速坐标系中，以载机为原点，以机速方向为纵轴方向，角度偏差以右偏为正，其求解方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}d=\sqrt{{\[A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})\]}^2+{\[A_{yw}+(v_{my}-v_{yf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{my}-v_{yf})\]}^2}-A_0\\ \mathrm{\Δ}k=\arcsin \left(\frac{A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})}{\sqrt{{\[A_{xw}+(v_{mx}-v_{xf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{mx}-v_{xf})\]}^2+{\[A_{yw}+(v_{my}-v_{yf})\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}(v_{my}-v_{yf})\]}^2}}\right)+\arcsin \left(\frac{v_{xf}}{V}\right)\end{array}\right.$

其中所需求解的参数是角度偏差Δk与距离偏差Δd，(A_xw,A_yw)为目标当前位置坐标，(v_mx,v_my)为目标速度向量，(v_xf,v_yf)为风速度向量，V为载机速度。目标当前位置坐标、目标速度向量、风速度向量和载机速度均由载机测得，A₀为步骤一中所求得的物资水平射程，t为步骤一中所求得的物资下落时间，此方程组用迭代法求解，解出角度偏差Δk与距离偏差Δd，若角度偏差Δk＝0且距离偏差Δd＝0，进入步骤四，否则进入步骤三；

取目标初始位置坐标为A(3000m/s,3000m/s)；目标速度向量为(10m/s,10m/s)；风速度向量为(6m/s,6m/s)；载机每秒所能修正最大角度偏差为0.2，每0.1秒对目标进行一次重新定位，刷新数据。

根据目标初始位置坐标A(A_xw,A_yw)＝A(3000m,3000m)，目标速度向量(v_mx,v_my)＝(10m/s,10m/s)，风速度向量(v_xf,v_yf)＝(6m/s,6m/s)及步骤一中求得的物资下落时间t＝92.77s和物资水平射程A₀＝976.73m，计算得到所需修正的角度偏差Δk和距离偏差Δd：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}k=0.8154\\ \mathrm{\Δ}d=3561.7m\end{array}\right.$

由于Δk≠0且Δd≠0，所以转步骤三。

步骤三：载机进行角度偏差、距离偏差修正机动

载机根据步骤二中得到的角度偏差Δk和距离偏差Δd向对应的方向机动，追踪目标位置，并修正角度偏差与距离偏差后返回步骤一；

由于载机机动能力的限制，载机无法立即完成角度修正和距离修正，因此角度修正和距离修正是动态的过程，载机根据求得的角度偏差Δk和距离偏差Δd向对应的方向机动。0.1s后重新定位目标位置，返回步骤一。

步骤四：载机投放物资，完成投放任务。

最终物资投放前目标位置的变化路径如图3所示，目标最初位置为(3000,3000)，经过载机角度修正和距离修正，最终到达物资投放位置时目标的位置为(-61,461)。

为了进一步解释说明，以载机投放物资时刻所处的位置为原点，观测物资投放后目标和物资位置变化情况，如图4所示，圆圈为目标位置，十字为物资位置，物资在不断地向目标逼近，最终命中位置如图5所示，物资在(-17,1763)位置落到目标点。即货物成功的落在了移动中的目标上，因此，此方案可有效地达到投放目的。

Claims (1)

1.一种针对移动目标的飞机自动投放物资引导方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：物资投放轨迹的解算

物资投放方式为水平投放，得到物资下落过程中质心运动微分方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dV}}_x}{dt}=-0.1824\×{10}^{-3}C\frac{h}{\mathrm{\τ}}{V}_x^2\sqrt{1+P^2}\\ \frac{dP}{dt}=g/V_x\\ \frac{dx}{dt}=V_x\\ \frac{dy}{dt}=V_{x}P\\ V=V_x\sqrt{1+P^2}\\ h=760{\[1-2.0326\×{10}^{-5}(H-y)\]}^{5.828}\\ \mathrm{\τ}=288.4-5.862\×{10}^{-3}(H-y)\end{array}\right.$

其中V_x为货物水平速度，t表示航弹下落时间，C为货物弹道系数，h为空气压力汞高，τ为虚温，P为货物俯冲角正切值，g为重力加速度，x为货物水平移动距离，y为货物下落高度，V为货物飞行速度，H为载机投放货物高度；

初始条件为：

$\left\{\begin{array}{c}t=0\\ V_x=V\\ P=0\\ x=0\\ y=0\end{array}\right.$

终结计算条件为：y＝H

通过龙格库塔方法解出该微分方程组，可以得到无风时炸弹水平射程A₀和下落时间t；

步骤二：求解载机所需修正的角度偏差Δk与距离偏差Δd

地速坐标系中，以载机为原点，以机速方向为纵轴方向，角度偏差以右偏为正，其求解方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}d=\sqrt{{\[A_{xw}+\left(v_{mx}-v_{xf}\right)\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}\left(v_{mx}-v_{xf}\right)\]}^2+{\[A_{yw}+\left(v_{my}-v_{yf}\right)\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}\left(v_{my}-v_{yf}\right)\]}^2}-A_0\\ \mathrm{\Δ}k=\arcsin \left(\frac{A_{xw}+\left(v_{mx}-v_{xf}\right)\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}\left(v_{mx}-v_{xf}\right)}{\sqrt{{\[A_{xw}+\left(v_{mx}-v_{xf}\right)\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}\left(v_{mx}-v_{xf}\right)\]}^2+{\[A_{yw}+\left(v_{my}-v_{yf}\right)\×t+\frac{\mathrm{\Δ}d}{V}\left(v_{my}-v_{yf}\right)\]}^2}}\right)+\arcsin \left(\frac{v_{xf}}{V}\right)\end{array}\right.$

其中所需求解的参数是角度偏差Δk与距离偏差Δd，(A_xw,A_yw)为目标当前位置坐标，(v_mx,v_my)为目标速度向量，(v_xf,v_yf)为风速度向量，V为载机速度，当前位置坐标、目标速度向量、风速度向量和载机速度均由载机测得，此方程组用迭代法求解，解出角度偏差Δk与距离偏差Δd，若角度偏差Δk＝0且距离偏差Δd＝0，进入步骤四，否则进入步骤三；

步骤三：载机进行角度偏差、距离偏差修正机动

载机根据步骤二中得到的角度偏差Δk和距离偏差Δd向对应的方向机动，追踪目标位置，并修正角度偏差与距离偏差后返回步骤一；

步骤四：载机投放物资，完成投放任务。