艦機協同防空中的沖突檢測*

劉玉亮 安景新 劉 忠 張建強

(1.中國船舶重工集團公司第七〇九研究所 武漢 430205)(2.海軍駐天津八三五七所軍事代表室 天津 300308)(3.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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艦機協同防空中的沖突檢測*

劉玉亮1安景新2劉 忠3張建強3

(1.中國船舶重工集團公司第七〇九研究所 武漢 430205)(2.海軍駐天津八三五七所軍事代表室 天津 300308)(3.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

在當今防空作戰情況下中,艦機協同作戰成為了當前防空作戰的主要方式,但是艦機協同作戰中作戰空域會出現各類沖突。為保障作戰單位的安全,有效對沖突進行探測,獲得沖突信息,論文利用網格法對艦機協同作戰中的空域進行分割,形成空域單元,研究了各類作戰平臺對空域的使用情況,提出了基于網格法的沖突探測方法。

艦機協同; 網格法; 空域單元; 沖突檢測

Class Number E837

1 引言

在現代高科技海洋戰爭中,艦艇與航空兵的聯合作戰是未來的發展趨勢。組織好兩種兵力相互之間的協同,可以構建起有效的防空體系[1～3]。但是由于艦艇在對空作戰中使用導彈與艦炮進行防空與反導任務,武器系統在使用的過程中會與己方的航空兵產生空域上沖突,此時則需要對艦機協同作戰任務中的空域進行規劃,有效地對沖突進行檢測。

2 作戰空域模型

空域資源指作戰行動開展和實施所處的空間。在協同防空作戰中執行平臺機動或武器射擊等戰術行動時,必須考慮各作戰單位之間的空間位置關系,避免兩者在空間使用上產生沖突,以防止誤撞、誤傷或誤擊事故的發生[4～6]。因此需要合理地對空域進行劃分和規劃,對沖突進行消解。

2.1 網格法劃分空域

圖1 空域單元劃分模型

選取空域中水面艦艇所在點O作為坐標系原點,建立平面直角坐標系O-XY,OX指向正東,OY指向正北,將整個空域劃分為邊長為d的正方形,將該方格作為空域單元,如圖1所示。

由圖1可見,每一個空域單元的中心可以由公式獲得該空域單元的中心,為各空域單元左下坐標點,(m,n)為空域單元左下坐標點,為計算空域是否占用中提供了便利[7～8]。

2.2 作戰單元空域

在艦機協同防空作戰中,作戰單元包括水面艦艇、航空兵以及導彈,以上作戰單元都包含在作戰空域,本文中根據各作戰單元的作戰效能對該單元的空域進行了規劃[9]。

1) 水面艦艇空域

對于水面艦艇,主要由武器系統占據空域,水面艦艇上不同的武器系統作用距離和任務不同,射界不同,導致水面艦艇占據的空域由多個環形組成,其中單個環形占據如圖2所示。

2) 空中單位空域

對于空中單位所占空域,主要由導彈與航空兵組成,其中分為航空兵航路以及導彈航路,如圖3所示。

圖2 艦艇武器系統空域

圖3 航路空域模型

由圖4可以看出,由于導彈等空中單位的航路通常為曲線,因此在實際計算中,首先將各空域單元中的曲線轉化為直線,對于等效后的曲線可以視為由多條直線段構成,但是由于部分直線段與相鄰的直線段夾角約為π/2,因此可以對部分直線段進行合并,簡化空域單元調用時間的計算復雜程度[10]。

3 空域調用判據

由前文可知,對于空域資源占用判據可以轉化為對空域單元格的調用判定。因此,在這里定義,將作戰單元視為質點,當該單元完全進入某一空域單元格中時,認為該空域單元被調用;若該作戰單元處于空域單元格之間時,認為處于上一個空域單元中。

一般情況下,可以通過對航路上每一個點是否處于空域單元格內對是否調用進行判斷。但是實際上,可以利用直線距離空域單元格中心的距離來判斷。

圖4 航跡曲線等效圖

圖5 空域占用判據

由圖可得,當空域單元中心O距離航路直線距離小于中心到頂點的距離時,則認為該航路經過該空域單元,即:

即:

此時該空域單元會被航路占用。同時,對于空域調用的時間,以作戰單位進入該空域單元邊界的時刻作為起始時間,以離開該空域單元邊界的時刻作為結束時間。當作戰單位以速度v沿航路在空域單元中經過時,占用時間為

其中,lmn為航路在該空域單元中的長度。

同理,該方法可以對武器系統空域的邊界進行判定,對于所有邊界經過的區域認為該空域單元被調用,內部包含的空域單元為武器系統調用的空域單元。調用時間為武器系統從啟動到打擊結束的時間。

4 空域沖突檢測

在按照網格法對空域中的沖突進行探測時,將空域分為多種類型。第一類為航路空域,即導彈航路及航空兵航路,該類型空域始終位于整體空域中,直至使用該空域的單位被摧毀或離開整體空域;第二類為水面艦艇武器系統空域,該類型空域在武器系統未被激活時并未在界面上顯示,只有當武器系統被賦予作戰任務時調用空域,則該武器系統空域調用空域單元格。

想要取得較為理想的效果,基本要求是:能夠對于沖突及時發現,能夠有效分辨沖突類型,沖突時序圖如圖6所示。

圖6 沖突時序圖

由圖4可得,在進行沖突檢測時,要根據以下兩個基本原則:

1) 在相同時序內占用相同類型的空域單元時,發生沖突。

2) 在相同時序內占用不同類型的空域單元時,需進行判定沖突是否發生。

其中,當在相同時序內占用不同類型的空域單元時,進行沖突判定,若此時武器系統空域還未進入激活狀態,則未發生沖突;若武器系統空域已經進入激活狀態,則發生沖突。

對于某一空域單元,同時擁有多個狀態,可以作為一個矩陣,即:

因此整個空域可以視為由多個狀態矩陣組成的矩陣,即:

一旦各作戰單位在某一個或幾個空域單元發生沖突,可以迅速通過從矩陣中找到沖突的位置。在矩陣Amn中,可以將所有狀態取值為0和1,當該矩陣為空矩陣,即當該矩陣中所有數值均為0時,該空域未被調用;當有某一作戰單元或武器系統調用該空域時,將其在矩陣Amn中狀態變為1,此時表示該空域單元被調用;當空域中包含兩個及以上的非零數據時,則認為該空域單元中發生沖突。

5 實例分析

假設以水面艦艇所在位置為直角坐標系原點,對空域進行劃分,空域單元大小為1000m,飛行器A1坐標為(-2,1),飛行器A2坐標為(3,-2.5),飛行器A3坐標為(2,1)。飛行器的飛行計劃已經規劃完畢,飛行速度為200m/s。當前時刻T=0,水面艦艇在時刻T=2沿方向左舷45°發射一枚導彈,速度為600m/s,整體態勢如圖7所示,整體沖突檢測效果如圖8所示。

圖7 空域態勢圖

圖8 沖突檢測效果圖

序號位置沖突單位沖突時間1A-32，32()飛行器A1和導彈[4．35，6．71]∩[0，5．44]2A-32，-72()飛行器A3和限制區域[21．36，26．01]3A-52，-72()飛行器A3和限制區域[26．01，30．66]

由上述圖標可以得出,該方法可以有效對空域中產生的各類沖突進行檢測,并給出相應的沖突類型及沖突信息。

6 結語

本文主要通過利用基于網格法分割空域的方法對空域中可能出現的沖突進行檢測,經過仿真結果發現可以有效探測出空域中的各類沖突。但是由于對空作戰任務中情況負責多變,不能單純地在二維平面中進行分析,因此需要對下一步工作進行拓展,在三維直角坐標系中進行分析,進一步提高沖突檢測方法的實用性和有效性。

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Conflict Detection of Warship-aircraft Cooperatively Anti-aircraft

LIU Yuliang1AN Jingxin2LIU Zhong3ZHANG Jianqiang3

(1. 709thResearch Insititure, China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430205) (2. Representative Office of Navy in 8357 Reseaich Institute, Tianjin 300308) (3. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In the situation of air combat, the warship-aircraft cooperatively anti-aircraft become the main form of air defense, but there are many conflicts in airspace. In order to guarantee the safety of the unit, the conflicts are detected effectually and the information of conflicts is obtained. In this paper, the airspace of warship-aircraft cooperatively anti-aircraft is comminuted by using the grid method and the airspace cells are obtained. The use of various kinds of platforms of airspace is studied, and a detection method of conflict based on grid method is proposed.

warship-aircraft cooperatively anti-aircraft, grid method, airspace cell, conflict detection

2015年2月3日,

2015年3月27日

劉玉亮,男,碩士,研究方向:作戰指揮控制。安景新,男,碩士,研究方向:系統工程。劉忠,男,教授,研究方向:作戰指揮控制。

E837

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.010