CN108984808A - 引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，包括以下步骤：对目标进行面元划分，得到目标三角面元模型；建立破片与目标面元交会的数学模型；计算目标面元所在平面与破片射线交点与命中点参数；判定命中点是否在三角形面元内，若位于三角形面元内，则破片命中该面元。本发明对于尺寸较小或者高速运动的目标，更加符合实际情况，计算更加准确，为毁伤概率的计算提供了更加可靠地参数，满足了引战配合仿真中对算法效率与计算精度的双向要求。

Description

引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法

技术领域

本发明涉及引战配合仿真技术，具体涉及一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法。

背景技术

引战系统可视化仿真(Visual Simulation of Fuze-warhead Coordination)是指利用计算机技术的图形化、动态化和实时化模拟在导弹和目标的交会过程中引信利用环境信息、目标信息和制导信息，控制战斗部对目标的最佳毁伤，即引战配合过程。随着现代武器系统的发展，来自空中的威胁不断升级，目标种类增多、速度加快、机动性能不断提升，使得交会状态变得越来越复杂；同时，在实际运用之中，由于导弹的研制与试验成本高，研发周期长，每次试验会耗费大量的人力物力。仅依靠外场试验不仅价格昂贵、周期长，而且有些情况几乎是无法完成的，在引战配合过程中，充分利用计算机仿真技术，以图形化的方式逼真地显示导弹和目标的末端交会时，引信探测目标、战斗部起爆、破片动态飞散和破片命中目标各部位的过程，并通过计算引战配合效率和可视化显示命中结果来分析引战系统的性能，以优化引战系统的参数设计。

近年来引战配合可视化仿真技术朝着平台化、系统化方向快速发展。如何精确计算破片战斗部爆炸后的命中点参数(包括命中点坐标、命中部位、命中数、破片落速、落角、动能和命中时刻)是一个重大课题。为了提高命中点参数的计算精度和通用性，一些命中点参数算法被提出。最基本的两种方法是计算破片数目的投影球算法和按时间步长计算的命中点参数算法，它们分别满足了引战配合可视化仿真中的算法简单和实时计算的要求。

(1)投影球方法具有概念明确、思路清晰、算法相对简单之特点，具有较强的通用性。它是基于光学原理的物理概念，以点光源的光的扩散来模拟战斗部爆炸后破片的飞散过程，点光源在目标面上的投影区域即全部命中目标的破片数，但这样的方法无法计算命中点坐标等参数，致使引战配合效率计算的精度和可信度较差。

(2)按时间步长计算的命中点参数算法，通过对破片——目标面元顶点空间位置关系的实时计算，判断该枚破片是否命中目标，若命中，则计算命中点参数。但该方法没有考虑破片速度衰减对命中点参数的影响，且该方法在每个时间步长要对所有命中点参数进行遍历判断，时间复杂度高，且未能考虑速度衰减对命中点参数的影响，对命中点参数的计算存在着一定的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，解决现有引战配合可视化命中点参数算法存在的精度不足、效率不高、以及因速度衰减而降低计算结果准确性等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标进行面元划分，得到目标三角面元模型；

步骤2，建立破片与目标面元交会的数学模型；

步骤3，计算目标面元所在平面与破片射线交点与命中点参数；

步骤4，判定命中点是否在三角形面元内，若位于三角形面元内，则破片命中该面元。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明提出了弹目交会破片命中点参数的改进型计算模型方法，通过在考虑速度衰减条件下，利用射击线法提出了一种通过一次遍历求解所有破片命中点参数的计算模型方法，在保证计算精度的基础上，提高了计算效率。

附图说明

图1为本发明引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法流程示意图。

具体实施方式

结合图1，一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标进行面元划分，得到目标三角面元模型；

提取出面元的3个顶点坐标，由A、B、C三点确定面元的法向量n′＝s_AB×ε_AC，并将n′单位化得到n；其中s_AB、s_AC分别为AB连线、AC连线的方向矢量。

步骤2，建立破片与目标面元交会的数学模型，具体为：

以战斗部爆炸时刻为0时刻，列出破片的轨迹方程：

式(1)中，X为t时刻破片空间坐标，s(t)为破片在t时刻所飞行的距离，为破片速度方向的单位矢量，X₀为0时刻破片的空间坐标；

考虑破片在空气中飞行速度的衰减，其式为：

υ_f＝υ₀exp(-αs) (2)

υ_f为破片在t时刻的速率，υ₀为破片初速速率，α为空气密度衰减系数，s为破片在t时刻所飞行的距离；

由(1)、(2)式得到破片飞行距离与时间的关系：

S(t)＝[ln(1+αv₀t)]/α (3)

接下来建立目标面元所在平面的运动方程；在0时刻，目标某面元所在的平面方程可表示为：

n·X+D₀＝0

D₀＝-n·Y₀ (4)

式(4)中，n为目标面元法向单位向量；D₀为一标量常数，表示坐标原点到目标面元的距离；Y₀为三角形面元中任意一顶点的初始坐标。由该面元在0时刻的3个顶点坐标即可求得n和D₀的值。

假设面元只有平动。面元的法向不变。面元所在平面的运动方程可以表示为：

n·(X-v_tt)+D₀＝0 (5)

式(5)中，v_t为目标在遭遇段的运动速度。

步骤3，计算目标面元所在平面与破片射线交点与命中点参数；步骤3具体为：

由式(1)和式(4)联立解得：

式(6)中，h(t)为t时刻面元与破片射线交点到破片初始位置X₀的距离。

将h(t)化为：

式(7)中，皆可以由弹目交会参数求出。若存在某时刻t^*使得s(t)＝h(t),则说明破片可以命中目标面元所在的平面，即要求解方程：

将该方程的解代入式(5)或式(1)求得命中点X^*的坐标：

通过破片速度方向向量、目标速度和面元方向向量求得落角：

步骤4，判定命中点是否在三角形面元内，若位于三角形面元内，则破片命中该面元；具体为：

用三角形面积法判断该命中点是否属于该目标面元，即判断某点与三角形任意两顶点面积之和是否等于该三角形的面积，如果等于则该点在三角形内，否则在三角形外；

假设三角形面元ΔA′B′C′,T′为破片与三角形面元平面的交点，判定下式：

S(ΔT′A′B′)+S(ΔT′B′C′)+S(ΔT′C′A′)≥S(ΔA′B′C′) (11)

若取等号则T′位于三角形面元内，破片命中该面元；并且以上获得的命中点参数即为该破片的命中点参数；否则，点T′位于面元外。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，基于引战配合可视化仿真软件的一种弹目交会破片命中点参数计算模型方法，具体步骤如下：

步骤1，将目标模型数据以xml格式导入引战配合可视化仿真软件，输入战斗部参数，交会参数，获得破片总数A_i,部位总数A_j,面元数A_jk。

步骤2，第i枚破片对j部位的所有面元进行一次遍历。

步骤3，用牛顿迭代法求解s(t)＝h(t)，若无解则直接判断为未命中，若有解则计算命中点参数，并将命中点参数保存于软件数据库的列表中。

步骤4，一次遍历完成后，j移向下一部位，直到完成第i枚破片对所有部位的遍历。

步骤5，重复步骤2、3、4，直到所有破片完成遍历，结束算法。

本发明通过设置不同衰减系数α，不同目标速度v_t，同一交会参数的初始条件下仿真出了命中点参数的结算统计结果。结果表明，本算法对于尺寸较小或者高速运动的目标，更加符合实际情况，计算更加准确，为毁伤概率的计算提供了更加可靠地参数。

Claims (5)

1.一种引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对目标进行面元划分，得到目标三角面元模型；

步骤2，建立破片与目标面元交会的数学模型；

步骤3，计算目标面元所在平面与破片射线交点与命中点参数；

步骤4，判定命中点是否在三角形面元内，若位于三角形面元内，则破片命中该面元。

2.根据权利要求1所述的引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，其特征在于，步骤1具体为：

对目标进行面元划分，得到目标三角面元模型；提取出面元的3个顶点坐标，由A、B、C三点确定面元的法向量n′=s_AB×s_AC，并将n′单位化得到n；其中s_AB、s_AC分别为AB连线、AC连线的方向矢量。

3.根据权利要求1所述的引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，其特征在于，步骤2具体为：

以战斗部爆炸时刻为0时刻，列出破片的轨迹方程：

式(1)中，X为t时刻破片空间坐标，s(t)为破片在t时刻所飞行的距离，为破片速度方向的单位矢量，X₀为0时刻破片的空间坐标；

考虑破片在空气中飞行速度的衰减，其式为：

v_f＝v₀exp(-αs) (2)

v_f为破片在t时刻的速度，v₀为破片初速速率，α为空气密度衰减系数，s为破片在t时刻所飞行的距离；

由(1)、(2)式得到破片飞行距离与时间的关系：

S(t)＝[ln(1+αv₀t)]/α (3)

在0时刻，目标某面元所在的平面方程表示为：

n·X+D₀＝0

D₀＝-n·Y₀ (4)

式(4)中，n为目标面元法向单位向量，D₀为一标量常数，表示坐标原点到目标面元的距离；Y₀为三角形面元中任意一顶点的初始坐标；

由该面元在0时刻的3个顶点坐标即可求得n和D₀的值；

假设面元只有平动，面元的法向不变，面元所在平面的运动方程表示为：

n·(X-v_tt)+D₀＝0 (5)

式(5)中，v_t为目标在遭遇段的运动速度。

4.根据权利要求1所述的引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，其特征在于，步骤3具体为：

由式(1)和式(4)联立解得：

式(6)中，h(t)为t时刻面元与破片射线交点到破片初始位置X₀的距离；

将h(t)化为：

式(7)中，若存在某时刻t^*使得s(t)＝h(t)，则说明破片可以命中目标面元所在的平面，即要求解方程：

将该方程的解代入式(5)或式(1)求得命中点X^*的坐标：

通过破片速度方向向量、目标速度和面元方向向量求得落角：

5.根据权利要求1所述的引战配合仿真交会破片命中点参数计算方法，其特征在于，步骤4具体为：

用三角形面积法判断该命中点是否属于该目标面元，即判断某点与三角形任意两顶点面积之和是否等于该三角形的面积，如果等于则该点在三角形内，否则在三角形外；

假设三角形面元ΔA′B′C′,T′为破片与三角形面元平面的交点，判定下式：

S(ΔT′A′B′)+S(ΔT′B′C′)+S(ΔT′C′A′)≥S(ΔA′B′C′) (11)

若取等号则T′位于三角形面元内，破片命中该面元；并且以上获得的命中点参数即为该破片的命中点参数；否则，点T′位于面元外。