CN113566653A - 一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法，本发明以弹道冲突检测算法为指导，首先依据发射点和落点，形成相对时间内的弹道数据，同时，将相对时间数据切片放到统一时基下形成绝对时间的标准化弹道数据。对绝对时间切片进行弹道冲突检测，按照阈值选取冲突弹道，并依据弹道时基移动后的计算结果，引导冲突弹道在发射时间上远离，避免弹道发生冲突，最终实现发射时间的自动规划。

Description

一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法
技术领域
本发明属于作战筹划领域，尤其涉及一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法。
背景技术
导弹作战中往往需要进行多波次打击，受编队队形、武器系统固有性能参数的影响，可能会产生因弹道冲突而造成安全问题。研究弹道冲突控制方案，使武器之间互不干扰，以发挥最大毁伤效能，在作战中具有非常重要的意义.
目前弹道冲突的检测算法一般建立空间武器弹道及其散布模型，从而得到弹道冲突判据，并给出冲突告警。然而导弹在飞行过程中，不可避免地受到随机扰动因素和初始条件的影响，使实际弹道偏离理想弹道而产生偏差。引起随机扰动的因素包括导弹离开发射装置时的初始扰动、发动机推力偏心、导弹质量分布和弹体气动外形的不对称性、风、工艺偏差、驻点热流、动压以及过载等。可行弹道的生成需要克服高动态、强耦合以及多约束等交织的困难，从而导致弹道冲突的检测需要大量的计算，效率低下。
为提高计算效率，快速得到可执行的火力方案，根据奥卡姆剃刀原理，通过改变发射时间，使弹道在时域上错开是最简单、最有效的方式。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法该方法以弹道冲突检测算法指导，实现了发射时间的自动规划，提出了基于相对时间与绝对时间转换的方法、基于该方法进行弹道冲突检测，指导弹道避免发生冲突。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法，包括如下步骤：
步骤1，生成相对时间的弹道数据；
步骤2，生成绝对时间的弹道数据；
步骤3，进行弹道冲突检测。
步骤4，对发射时间进行自动规划。
在一种实现方式中，步骤1包括：
步骤1-1，获取发射点位置和落点位置；所述位置包括大地经度、纬度和高度；
步骤1-2，通过抛物线计算弹道，生成相对时间的弹道数据，假设发射点经度和纬度组成的向量为Xs，发射点高度为Ys，水平速度为向量Vx，抛射角度为θ，垂直速度为Vy，那么有：
Vy＝|Vx|tanθ
其中，|Vx|表示水平速度大小；假设g为当地重力加速度，从发射开始计时，用时t的经度和纬度组成的向量L和高度H为：
L＝Xs+X
H＝Ys+Y
X＝Vxt
Figure BDA0003184254250000021
在一种实现方式中，步骤1-2中，通过抛物线计算弹道生成的相对时间弹道数据为固定时间间隔
Figure BDA0003184254250000022
的各个时刻弹的位置数据集合，时间从零开始计算。
在一种实现方式中，步骤2包括：
步骤2-1，将各个弹道的相对时间弹道数据切片；
步骤2-2，把所有切片数据放到统一时基下形成绝对时间的标准化弹道数据；
在一种实现方式中，步骤2-1中，切片是按照相同的时间间隔
Figure BDA0003184254250000023
对各个弹道进行数据采样获取切片数据；
在一种实现方式中，步骤2-2包括，将切片数据的时间加上相对发射时间得到绝对时间，形成标准化弹道数据，此时所有弹道数据均在同一绝对时间线上，可以进行冲突检测分析。
在一种实现方式中，步骤3包括：对绝对时间切片进行弹道冲突检测，按照设定的阈值Th，计算同一绝对时间下各个弹位置之间的距离D是否小于阈值Th，如果是，则弹道发生冲突。
在一种实现方式中，步骤4包括：
步骤4-1，如果弹道发生冲突，修改相对发射时间，将冲突弹道的相对发射时间增加或减小；
步骤4-2，再次重复步骤2和步骤3计算弹道冲突结果，直到所有弹道不发生冲突，最终实现发射时间的自动规划；
在一种实现方式中，步骤4-1中，相对发射时间增加或减小的单位为绝对时间切片的时间间隔
Figure BDA0003184254250000031
有益效果：
针对现有弹道冲突检测算法，原有武器弹道及其散布模型计算难度较大，大量的计算导致计算效率低，考虑因素过多的技术问题，本发明公开了一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法。该技术以步骤3中的弹道冲突检测算法为指导，设计实现了发射时间的自动规划的方法、能够高效地得到可用的火力方案。
本发明按照弹道冲突检测算法为指导，首先依据发射点和落点，形成相对时间内的弹道数据，同时，将相对时间数据切片放到统一时基下形成绝对时间的标准化弹道数据。对绝对时间切片进行弹道冲突检测，按照阈值选取冲突弹道，并依据弹道时基移动后的计算结果，引导冲突弹道在发射时间上远离，避免弹道发生冲突，最终实现发射时间的自动规划。本发明有效解决了弹道冲突计算太过复杂的问题。本发明具有计算开销时间成本低的优点，在武器指控领域有重要的前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是发射时间自动规划算法的示意图。
图2是相对时间弹道数据组成图。
图3是绝对时间弹道数据组成图。
图4是弹道冲突检测工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
针对弹道冲突检测效率低下的技术问题，本发明提出一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法，能够实现发射时间的自动规划，避免弹道发生冲突，首先生成相对时间的弹道数据，将相对时间弹道数据转换为绝对时间的弹道数据，按照阈值选取冲突弹道；然后对绝对时间弹道数据切片进行弹道冲突检测；最后依据弹道时基移动后的计算结果，引导冲突弹道在发射时间上远离，避免弹道发生冲突，实现发射时间的自动规划；本发明明确了弹道模型的不足之处，提出了通过移动相对发射时间进行规划，实现了发射时间的自动规划功能。
(一)相对时间弹道数据生成
首先获取发射点位置和落点位置，所述位置包括大地经度、纬度和高度；通过抛物线进行弹道计算，得到相对时间弹道数据，假设发射点经度和纬度组成的向量为Xs，发射点高度为Ys，水平速度为向量Vx，抛射角度为θ，垂直速度为Vy，那么有：
Vy＝|Vx|tanθ
其中，|Vx|表示水平速度大小；假设g为当地重力加速度，从发射开始计时，用时t的经度和纬度组成的向量L和高度H为：
L＝Xs+X
H＝Ys+Y
X＝Vxt
Figure BDA0003184254250000041
所述相对时间弹道数据为时间间隔
Figure BDA0003184254250000042
的各个时刻弹的位置数据集合，时间从零开始计算。得到的相对时间弹道数据组成如图2所示包含经度，纬度，高度、相对发射时间、时间戳三个部分，时间戳为每条弹道从0开始相隔相同时间间隔
Figure BDA0003184254250000043
的相对时刻，其中，
Figure BDA0003184254250000044
Figure BDA0003184254250000045
取值为10ms，
Figure BDA0003184254250000046
取值为10s。
(二)绝对时间弹道数据生成
绝对时间弹道数据组成如图3所示包含经度，纬度，高度、绝对时间戳两个部分，
在一个统一的时基下对相对时间弹道数据的时间戳加上相对发射时间得到绝对时间戳。
(三)弹道冲突检测
弹道冲突检测工作流程如图4所示，首先计算所有弹道，找到绝对时间的最大值T。举例来说，某条弹道的飞行时间为5分钟，相对发射时间为30秒，这条弹道的最大绝对时间为5分30秒，从30秒到5分30秒的绝对时间切片是有数据的，其余绝对时间数据为空。另一条弹道的飞行时间为3分钟，相对发射时间为0秒，这条弹道的最大绝对时间为3分，从0秒到3分的绝对时间切片是有数据的，其余绝对时间数据为空。此时T为5分30秒，可以分析出从30秒到3分之间的弹道是可能存在交叉的，需要对这段时间的弹道数据切片进行弹道冲突检测。从30秒到3分之间按照固定的时间间隔进行切片，假设按照1秒进行切片，即获得150个绝对时间切片数据，在每一个时刻计算有数据的绝对时间切片的数据当中空间位置的距离D，如果有一个时刻的空间位置的距离D小于阈值Th，则表明弹道冲突，导弹有撞击的危险，需要重新进行计算，如所有时刻的空间位置的距离D均大于等于阈值Th，则表明弹道无冲突。阈值Th的选择需要根据导弹的特性和参数进行选择，对于同一型号的弹来说是固定值。假设导弹飞行速度为V，
Figure BDA0003184254250000051
Figure BDA0003184254250000052
为最小时间间隔。
(四)发射时间自动规划
如果有一个时刻的空间位置的距离D小于阈值Th，则改变冲突弹道的相对发射时间，使得所有的绝对时间切片数据在时基上移动，使得弹道在时域上没有交叉或者只有小部分交叉。在最新的绝对时间切片数据基础上重新进行弹道冲突检测直到没有冲突为止。记录下此时每条弹道的相对发射时间，则可以得到自动规划的发射时间。
实施例
一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法如图1所示包含相对时间弹道数据生成，绝对时间弹道数据生成，弹道冲突检测和发射时间自动规划四个部分。具体实施包括以下步骤：
(1)相对时间弹道数据的组成如图2所示。首先获取起点和落点经纬高；通过抛物线计算得到相对时间弹道数据。
(2)绝对时间弹道数据的组成如图3所示。在一个统一的时基下对相对时间弹道数据的时间戳加上相对发射时间得到绝对时间戳。
(3)弹道冲突检测模块的工作方式如图4所示。首先，计算所有弹道，找到绝对时间的最大值T；然后，按照固定的时间间隔进行切片得到绝对时间的切片数据；接着，对弹道数据切片进行弹道冲突检测，计算出弹与弹之间的空间距离，最后计算出冲突的弹道。
(4)发射时间自动规划的工作方式如图1所示。
在计算时间上，本发明只需要通过计算交叉部分数据，可以很好地减少计算数据量。这种方式既很好地实现发射时间的自动规划功能，又极大地降低了弹道冲突检测的计算与时间成本。
文献[1](张晓锋，王瑞瑜.舰艇编队防空火力射击冲突问题研究[J].情报指挥与控制，2008,30(2):51-54.)公开了一种对基于时间步长的弹丸弹道散布模型。文献[1]所述方法计算过程复杂，当计算弹道冲突时，需检测整个弹道，而且虽然该方法使用了基于弹道预测的火力冲突判断方法，但这种方式会导致较高的系统使用成本。文献[1]和本发明提供的方法在计算时间开销和准确程度的比较如下表所示。
表1
Figure BDA0003184254250000061
本发明提供了一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种避免弹道冲突的发射时间自动规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，生成相对时间的弹道数据；
步骤2，生成绝对时间的弹道数据；
步骤3，进行弹道冲突检测；
步骤4，对发射时间进行自动规划。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，获取发射点位置和落点位置；所述位置包括大地经度、纬度和高度；
步骤1-2，通过抛物线计算弹道，生成相对时间的弹道数据，假设发射点经度和纬度组成的向量为Xs，发射点高度为Ys，水平速度为向量Vx，抛射角度为θ，垂直速度为Vy，那么有：
Vy＝|Vx|tanθ
其中，|Vx|表示水平速度大小；假设g为当地重力加速度，从发射开始计时，用时t的经度和纬度组成的向量L和高度H为：
L＝Xs+X
H＝Ys+Y
X＝Vxt
Figure FDA0003184254240000011
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-2中，通过抛物线计算弹道生成的相对时间弹道数据为时间间隔
Figure FDA0003184254240000012
的各个时刻弹的位置数据集合，时间从零开始计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1，将各个弹道的相对时间弹道数据切片；
步骤2-2，把所有切片数据放到统一时基下形成绝对时间的标准化弹道数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2-1中的切片是按照时间间隔
Figure FDA0003184254240000013
对各个弹道进行数据采样获取切片数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括：将切片数据的时间加上相对发射时间得到绝对时间，形成标准化弹道数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3中，对绝对时间切片进行弹道冲突检测，计算同一绝对时间下各个弹位置之间的距离是否小于阈值Th，如果是，则弹道发生冲突。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4包括：
步骤4-1，如果弹道发生冲突，修改相对发射时间，将冲突弹道的相对发射时间增加或减小；
步骤4-2，再次重复步骤2和步骤3计算弹道冲突结果，直到所有弹道不发生冲突，最终实现发射时间的自动规划。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4-1中相对发射时间增加或减小的单位为绝对时间切片的时间间隔
Figure FDA0003184254240000021
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