CN114442666B - 一种异构精导弹群协同毁伤评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种异构精导弹群协同毁伤评估方法,能够实现对异构精导弹群协同打击的毁伤评估,评估准确性高且全面、效果好。本发明将物理约束划分为时间约束和空间约束和两类,分析了后续毁伤评估环节对导弹初始发射位置和发射时间和顺序序列的基本要求;通过建立异构精导弹群协同毁伤评估中涉及的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法和面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法,获得异构弹群协同毁伤评估过程的整体流程和能够进行协同规划的关键环节,对各个协同环节之间的信息传递内容及形式进行了限定,实现对异构精导弹群协同打击的毁伤评估,评估准确性高且全面、效果好。
Description
技术领域
本发明涉及毁伤评估技术领域,具体涉及一种异构精导弹群协同毁伤评估方法。
背景技术
随着宇航科学和通信技术的快速发展,利用精导弹药集群协同打击高价值目标成为未来战场作战方式的发展方向之一,而对高价值目标进行协同打击后,对该目标进行合理的毁伤评估可以确定协同打击的毁伤效果,有效感知战场态势,合理分配战斗资源。
对单一目标毁伤评估的相关研究已经在美国、俄罗斯、英国等军事发达国家展开,随着近年来智能技术的发展趋于成熟,应用也相当广泛,2005年美国攻打伊拉克战争中,已经展示了精确制导打击的能力,能够在短时间内迅速做出反应,评估下一次打击决策,目标毁伤评估在进攻过程中起着至关重要的作用;国内对毁伤评估也展开了理论、仿真和实验等多方面的研究,取得了一定成就。而针对精导弹药集群协同打击这一特定场景,尚缺乏对协同毁伤评估的具体方案研究。在精导弹药集群协同打击中,单一波次打击毁伤高价值目标作为对所有场景协同毁伤中最基础的场景,引起大家的广泛关注,但是还没有对单一目标毁伤评估的针对性装备及方案。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种异构精导弹群协同毁伤评估方法,能够实现对异构精导弹群协同打击的毁伤评估,评估准确性高且全面、效果好。
为实现上述目的,本发明的一种异构精导弹群协同毁伤评估方法,包括如下步骤:
根据需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置和各个种类精导弹药自身探测载荷的不同,对其进行弹群射前协同规划,得到各个导弹发射位置和发射时间;
导弹射前协同规划完成后,各导弹依次发射并向目标靠近,当弹群间距接近至设定距离后,弹群完成组网;弹目距离到达设定数值后,导引头开机制导,导弹向目标逐渐接近,同时获得目标位置信息和目标特征信息;
导弹调用弹载任务计算机中的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度程序,根据自身位置、姿态和对应探测距离,筛选得到执行毁伤信息采集任务的导弹编号和其对应的毁伤信息采集时间;飞航导弹调用面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序,根据目标位置信息、弹目相对距离和毁伤图像采集时间,计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,按照预定时间释放巡飞弹;
导弹基于现有弹道轨迹向目标逐渐接近,巡飞弹沿着弹道规划得到的路径点向目标逐渐接近,均在指定时间内开启弹载光学传感器执行毁伤信息采集任务;弹载光学探测器获得目标毁伤信息,通过天基卫星将目标毁伤信息回传到后方的指控中心,供参谋人员进行参考决策。
其中,弹群射前协同规划时考虑空间和时间的相关约束;空间约束包括导弹预定落点区域必须和毁伤目标位置高度重合以及各个导弹飞行过程中要确保弹道轨迹不重合;时间约束要求根据各导弹突防能力、机动能力、毁伤能力和探测载荷的不同确定合理的发射时间及顺序序列。
同一批次发射的导弹预规划的路径点不能重合,且不同导弹的轨迹之间存在安全距离dsafe,即:
式中,LA(xA,yA,zA)表示导弹A的位置点的集合,即导弹A的弹道轨迹;
导弹的探测范围为一个由探测距离lD和探测视场角θD表达的圆锥体,该圆锥体处于导弹顶端,表示为:
得到该探测范围内的坐标值,ST∈VD。
其中,不同导弹的轨迹之间的距离取最大值。
其中,所述面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序为:利用在海平面掠空飞行的飞航导弹和飞航导弹携带释放的巡飞弹组成的异构弹群,根据必要约束条件,考虑巡飞弹机动性能,计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,从而实现协同毁伤评估。
其中,所述面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序具体步骤为:
式中,(xT,yT,zT)表示目标位置,ViD表示巡飞弹i的探测区域;结合预定的巡飞弹释放时刻t=t0时的弹目相对距离和相对角度得到巡飞弹的飞行距离、飞行时长和飞行姿态变化量;之后根据弹群内其他导弹所在位置、巡飞弹自身的飞行速度、转弯半径的性能约束,采用协同A*算法或Dijkstra算法得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间。
有益效果
本发明将物理约束划分为时间约束和空间约束和两类,从这两方面对导弹发射及飞行过程中的需要考虑和量化的因素进行了梳理,分析了后续毁伤评估环节对导弹初始发射位置和发射时间和顺序序列的基本要求。提出了异构弹群协同毁伤评估过程中的导弹射前协同规划环节需要考虑的物理约束;通过建立异构精导弹群协同毁伤评估中涉及的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法和面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法,获得异构弹群协同毁伤评估过程的整体流程和能够进行协同规划的关键环节(协同毁伤评估方法应用环节),对各个协同环节之间的信息传递内容及形式进行了限定,实现对异构精导弹群协同打击的毁伤评估,评估准确性高且全面、效果好。
附图说明
图1为异构精导弹群协同毁伤评估应用模式示意图。
图2为本发明的协同毁伤评估方法总体流程示意图。
图3为本发明异构精导弹群协同毁伤评估方法内容框架示意图。
图4为本发明异构弹群射前协同规划方法示意图。
图5为本发明基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法示意图。
图6为本发明面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
异构精导弹群协同作战这这一研究领域目前在全球范围内都属于较为先进新颖的研究领域,相关理论研究较少,具体理论和相关技术的研究方向尚未明确。因此对特定任务及场景下的异构精导弹群协同毁伤评估这一环节进行理论研究和方法设计可以厘清具体研究问题及未来技术发展方向。
目前在异构精导弹群协同毁伤评估领域,主要研究方向有以下方向:
加强目标毁伤信息获取能力。未来战场复杂多变,能够实时、准确地获取目标的毁伤信息,对指导作战和决策具有重要的意义。目前,我国形成了以侦察卫星为主要远程侦查手段,以预警雷达、预警机为辅助手段的中远程侦察方式,可以较为准确地获取目标信息;完善协同毁伤评估算法及协同方法。通过不同的探测方法,在不影响弹丸毁伤效果的基础上,合理对弹群的探测载荷、通信载荷等进行调度和分配,有效提高协同毁伤评估过程中的信息获取量,为后续的毁伤评估提供必要数据。如图1所示,应用模式主要分为两部分,一是弹群根据射前协同规划的结果依次发射;二是弹群根据实时协同规划得到的任务导弹编号、任务时间和规划的导弹路径点执行探测任务,实时协同规划包括基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法和面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法。
异构精导弹群协同毁伤评估是一个现实物理意义极强的多维、多约束的组合优化问题。本发明从在保证导弹毁伤效果的同时提升获取目标毁伤信息质量这一目的出发,对特定任务场景下的协同毁伤评估问题进行了研究,明确了毁伤评估过程中可以涉及到的具体环节,并根据实际工程应用情况中的各种约束条件,提出了一种异构精导弹群协同毁伤评估方法,具体是采用包括飞航导弹、滑翔导弹以及弹道导弹在内的多种异构精导弹药进行组网集群,在对目标进行协同打击的同时,实现对打击目标的协同毁伤评估的具体实施方法。
本发明针对异构精导弹群协同打击航母编队这一具体作战场景,要求异构精导弹群在完成对单艘航母的协同打击毁伤任务的同时,实现对附近海域敌方多个舰船目标的多角度持续协同毁伤评估。本发明内容具体包括异构弹群射前协同规划方法、基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法和面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法三部分内容,通过对异构弹群进行一定的射前协同规划、任务分配与规划和弹道轨迹规划等方式来实现具体功能,最终输出得到各个弹群内需要执行探测任务的对应弹箭编号及其探测时间序列。
本发明方法所应用的异构精导弹药包括弹道导弹、滑翔导弹和飞航导弹在内的三种导弹和一种巡飞弹。出于补充探测载荷的考量,部分飞航导弹携带巡飞弹并于特定位置发射。弹道导弹、滑翔导弹和飞航导弹三种导弹实现协同毁伤评估的方法通常是基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法,该方法通常不会改变导弹原有的弹道轨迹;飞航导弹和巡飞弹组成低空异构精导弹群,其实现协同毁伤评估的方法称之为面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法,由于巡飞弹自身机动性较强,因此通常根据探测需求对其弹道进行规划,对目标进行多角度持续探测,从而提升目标毁伤信息质量。
本发明的协同毁伤评估方法总体流程如图2所示,图中虚线方框圈出的部分即为协同毁伤评估方法,包括如下步骤:
步骤1:输入需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置信息和各个种类精导弹药自身探测载荷信息,为弹群射前协同规划提供必要数据。
步骤2:根据需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置和各个种类精导弹药自身探测载荷的不同,对其进行弹群射前协同规划,得到各个导弹发射位置和发射时间。
步骤3:导弹射前协同规划完成后,各导弹依次发射并向目标靠近,当弹群间距接近至一定距离后,弹群完成组网。
步骤4:弹目距离到达一定数值后,导引头开机制导,导弹向目标逐渐接近,同时获得目标位置信息和目标特征信息。
步骤5:导弹调用弹载任务计算机中的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度程序,根据自身位置、姿态和对应探测距离(弹目相对距离)等约束条件,筛选得到执行毁伤信息采集任务的导弹编号和其对应的毁伤信息采集时间。
步骤6:飞航导弹调用面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序,根据目标位置信息、弹目相对距离和毁伤图像采集时间等约束条件,计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,按照预定时间释放巡飞弹。
步骤7:导弹基于现有弹道轨迹向目标逐渐接近,巡飞弹沿着弹道规划得到的路径点向目标逐渐接近,均在指定时间内开启弹载光学传感器执行毁伤信息采集任务。
步骤8:弹载光学探测器获得目标毁伤信息,通过天基卫星将目标毁伤信息回传到后方的指控中心,供参谋人员进行参考决策。
图3为本发明异构精导弹群协同毁伤评估方法总体框架示意图,从图3可以看出,本发明方法具体内容可分为异构弹群射前协同规划方法、基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法和面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法。按照弹群协同毁伤评估方法工作流程对各个步骤进行详细描述和说明如下:
步骤1:输入需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置信息和各个种类精导弹药自身探测载荷信息,为弹群射前协同规划提供必要数据。
弹群射前协同规划必须根据目标位置信息和各弹的自身探测载荷信息进行特异性规划,目标位置所决定的导弹射程、导弹自身探测载荷能力都会对导弹的飞行时长、弹道轨迹造成一定影响,而弹群协同作战过程中,对弹群内各个导弹节点的相对位置关系要求较高,必须充分考虑以上因素的影响。
步骤2:根据需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置和各个种类精导弹药自身探测载荷的不同,对其进行弹群射前协同规划,得到各个导弹发射位置和发射时间。
规划时主要考虑空间和时间的相关约束。空间约束主要有两部分内容:一是导弹预定落点区域必须和毁伤目标位置高度重合,确保导弹可以命中目标;二是各个导弹飞行过程中要确保弹道轨迹不重合,确保各个导弹的飞行安全。时间约束主要要求根据各导弹突防能力、机动能力、毁伤能力和探测载荷的不同确定合理的发射时间及顺序序列,以确保整体弹群的突防毁伤效果和获取的毁伤评估信息质量。方法具体流程及关键内容如图4所示。
对空间射前协同规划进行简单说明。在大地坐标系中,以目标舰船的位置坐标为圆心,以预估舰船长度l为直径,以预估舰船高度h为高度,划定圆柱空间区域Si为毁伤目标位置,则毁伤目标位置可以表示为:
因此导弹预定落点的坐标Pi必须处于该范围内,即Pi∈ST。
同一批次发射的导弹预规划的路径点不能重合,且不同导弹的轨迹之间存在一定的安全距离dsafe,即:
式中,LA(xA,yA,zA)表示导弹A的位置点的集合,即导弹A的弹道轨迹。
此外,不同导弹的轨迹之间的距离越大越好。
max(Δd=|LA(xA,yA,zA)-LB(xB,yB,zB)|t)
导弹的探测范围可以简单表示为一个由探测距离lD和探测视场角θD表达的圆锥体,该圆锥体处于导弹顶端,可以表示为:
则在确定了导弹位置后,可以得到该探测范围内的坐标值,需要探测的海面舰船目标位置必须位于该探测范围坐标值内,即ST∈VD。
以上则为弹群射前协同空间规划的基础约束条件,可根据作战任务需求和实际作战场景进行细化。在弹群射前协同空间规划结束后,各个导弹飞行时长Δti已经确定,据此可展开弹群射前协同时间规划。
以简单的弹群同步打击任务为例进行说明,该任务要求弹群射前协同时间规划前必须设定弹群预计打击时间td,要求所有导弹均在该时刻命中目标。因此可根据导弹飞行时长倒推得到其发射时间ti:ti=td-Δti,则整个弹群的发射时序T可以表示为:T={t1,t2,t3,…,ti},i∈N+。
至此,弹群射前协同规划全部完成。
步骤3:导弹射前协同规划完成后,各导弹依次发射并向目标靠近,当弹群间距接近至一定距离后,弹群完成组网。
弹群群内各节点双向通信,实现弹群组网功能是弹群协同作战的基础条件。群内各节点在通信的基础上共享目标位置信息、各节点状态信息等作战信息,可提升对战场整体态势、目标特征信息等关键作战要素的认知,从而有效提升弹群作战效能。
步骤4:弹目距离到达一定数值后,导引头开机制导,导弹向目标逐渐接近,同时获得目标位置信息和目标特征信息。
导弹实现对目标的打击毁伤、毁伤评估等依赖于导引头对目标的探测与制导功能,导引头在开机后利用目标的RCS特征信息、红外特征信息等获得弹目相对位置信息,开启制导功能向目标逐渐接近,实现对目标的精确打击。
步骤5:导弹调用弹载任务计算机中的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度程序,根据自身位置、姿态和对应探测距离(弹目相对距离)等约束条件,筛选得到执行毁伤信息采集任务的导弹编号和其对应的毁伤信息采集时间。
基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度方法指的是利用高空俯冲的弹道导弹和滑翔导弹以及在海平面掠空飞行的飞航导弹组成的异构弹群,结合需要考虑的种种约束,预测各个导弹的探测效果并进行比较,选择探测效果较好的导弹,将毁伤信息采集任务分配给该导弹,并根据导弹运动状态和实时位姿确定对应毁伤信息采集时间,从而给出了进行协同毁伤评估的具体方案。方法具体流程及关键内容如图5所示。
由于各类导弹以对打击目标造成毁伤为第一要务,因此在设计协同毁伤评估方法时,通常不改变导弹原本的飞行弹道,仅依据其预定弹道确定目标毁伤信息采集时间和采集位置。弹群组网后,导弹A预测自身于td时刻打击目标,打击位置表示为导弹A将该信息标记为毁伤信息采集任务A,并采用广播形式向弹群发送。
某导弹(被观测导弹)采用广播形式向弹群发送自身预测的打击时间及打击位置信息,弹群内其余导弹收到该信息后,根据自身运动性能参数、探测载荷信息、实时位姿信息判断是否可以能够采集到被观测导弹的毁伤效果信息,例如,导弹B的探测范围VBD可以表示为式中,lD为导弹B的探测距离,θD为导弹B的探测视场角。当t=td时,若成立,则可以认为导弹B能够采集到被观测导弹的毁伤效果信息。
之后根据各个导弹的预计探测效果选择执行探测任务的导弹并记录其编号。各个导弹的探测效果可以用各个节点探测得到的目标有效探测区域面积之和SDm与探测目标模型的有效信息区域总面积STm的比值λ来表示,称为导弹的有效信息区域覆盖率。该比值λ越大,则导弹的探测效果越好。
选择有效信息区域覆盖率λ最高的n枚导弹作为毁伤信息采集任务A的执行导弹。
n枚毁伤信息采集任务A的执行导弹根据自身运动状态和实时位姿信息确定探测任务导弹的探测时间[tbegin,tend]。
t∈[tbegin,tend],SDm=STm∩VD
对所有需要观测的导弹执行该步骤,即可输出各个导弹的探测任务时间序列。结合弹载光学传感器,输出得到各个导弹的探测图像信息即为毁伤信息。
步骤6:飞航导弹调用面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序,根据目标位置信息、弹目相对距离和毁伤图像采集时间等约束条件,计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,按照预定时间释放巡飞弹。
面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划方法指的是利用在海平面掠空飞行的飞航导弹和飞航导弹携带释放的巡飞弹组成的异构弹群,根据必要约束条件,充分考虑巡飞弹机动性能,采用协同A*算法等智能算法计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,从而实现协同毁伤评估的具体方案。方法具体流程及关键内容如图6所示。
飞航导弹依旧以对打击目标造成毁伤为第一要务,不改变飞航导弹原本的飞行弹道,仅依据其预定弹道确定目标毁伤信息采集时间和采集位置。而巡飞弹机动性较强,可以在飞行性能约束范围内对其进行一定的弹道规划,从而完善目标毁伤信息。
弹群完成协同探测载荷资源调度后,各个导弹确定了自身是否执行毁伤信息采集任务并得到对应的时间序列[tbegin,tend],所以飞航导弹装载的巡飞弹i必须于该时间前释放并在该时间段对目标进行探测,因此
式中,(xT,yT,zT)表示目标位置,ViD表示巡飞弹i的探测区域。该条件可等效为t=tbegin时刻巡飞弹i和目标之间距离dTi和角度关系θTi和巡飞弹自身探测距离diD和探测角度θiD的关系:
结合预定的巡飞弹释放时刻t=t0时的弹目相对距离和相对角度可得巡飞弹的飞行距离、飞行时长和飞行姿态变化量。之后可根据弹群内其他导弹所在位置、巡飞弹自身的飞行速度、转弯半径等性能约束,采用协同A*算法、Dijkstra算法等各种智能算法计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间。
步骤7:导弹基于现有弹道轨迹向目标逐渐接近,巡飞弹沿着弹道规划得到的路径点向目标逐渐接近,均在指定时间内开启弹载光学传感器执行毁伤信息采集任务。
步骤8:弹载光学探测器获得目标毁伤信息,通过天基卫星将目标毁伤信息回传到后方的指控中心,供参谋人员进行参考决策。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种异构精导弹群协同毁伤评估方法,其特征在于,包括如下步骤:
根据需要进行毁伤评估的多个目标的初始位置和各个种类精导弹药自身探测载荷的不同,对其进行弹群射前协同规划,得到各个导弹发射位置和发射时间;其中,弹群射前协同规划时考虑空间和时间的相关约束;空间约束包括导弹预定落点区域必须和毁伤目标位置高度重合以及各个导弹飞行过程中要确保弹道轨迹不重合;时间约束要求根据各导弹突防能力、机动能力、毁伤能力和探测载荷的不同确定合理的发射时间及顺序序列;
导弹射前协同规划完成后,各导弹依次发射并向目标靠近,当弹群间距接近至设定距离后,弹群完成组网;弹目距离到达设定数值后,导引头开机制导,导弹向目标逐渐接近,同时获得目标位置信息和目标特征信息;
导弹调用弹载任务计算机中的基于现有弹道轨迹的协同探测载荷资源调度程序,根据自身位置、姿态和对应探测距离,筛选得到执行毁伤信息采集任务的导弹编号和其对应的毁伤信息采集时间;飞航导弹调用面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序,根据目标位置信息、弹目相对距离和毁伤图像采集时间,计算得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间,按照预定时间释放巡飞弹;所述面向协同毁伤评估的协同弹道轨迹规划程序具体步骤为:
式中,(xT,yT,zT)表示目标位置,ViD表示巡飞弹i的探测区域;结合预定的巡飞弹释放时刻t=t0时的弹目相对距离和相对角度得到巡飞弹的飞行距离、飞行时长和飞行姿态变化量;之后根据弹群内其他导弹所在位置、巡飞弹自身的飞行速度、转弯半径的性能约束,采用协同A*算法或Dijkstra算法得到巡飞弹需要抵达的路径点和对应的毁伤信息采集时间;
导弹基于现有弹道轨迹向目标逐渐接近,巡飞弹沿着弹道规划得到的路径点向目标逐渐接近,均在指定时间内开启弹载光学传感器执行毁伤信息采集任务;弹载光学探测器获得目标毁伤信息,通过天基卫星将目标毁伤信息回传到后方的指控中心,供参谋人员进行参考决策。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,不同导弹的轨迹之间的距离取最大值。
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- 2022-01-20 CN CN202210068555.4A patent/CN114442666B/zh active Active
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CN114442666A (zh) | 2022-05-06 |
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