多預警機協(xié)同探測能力及航線規(guī)劃

祁 煒, 李 俠, 蔡萬勇, 金加根

(空軍預警學院, 湖北 武漢 430019)

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多預警機協(xié)同探測能力及航線規(guī)劃

祁 煒, 李 俠, 蔡萬勇, 金加根

(空軍預警學院, 湖北 武漢 430019)

針對帶狀責任探測區(qū)多架預警機協(xié)同探測問題,根據(jù)是否進行更高層級的多情報源信息融合處理,定義了兩種協(xié)同模式。構(gòu)建了多預警機實時探測覆蓋區(qū)估算模型;提出了穩(wěn)定覆蓋度概念和定量公式;討論了帶狀責任探測區(qū)中多預警機部署問題,給出了具體的協(xié)同部署優(yōu)化決策模型。對兩種協(xié)同模式下多預警機部署問題進行仿真分析,結(jié)果表明Model2明顯優(yōu)于Model1,所構(gòu)建的各種估算與決策模型考慮了各種主要的內(nèi)、外因素,具有實用價值。

預警機; 協(xié)同探測; 實時探測覆蓋區(qū); 航線規(guī)劃

0 引 言

在承擔邊境防空預警作戰(zhàn)任務(wù)時,預警機的責任探測區(qū)通常呈較長帶狀分布,且需要多架預警機協(xié)同探測。預警機協(xié)同模式可分為兩種:Model1——各預警機獨立遂行局域性責任子區(qū)探測任務(wù),相互之間只進行橫向的跨區(qū)任務(wù)交接,各自感知的目標信息不進行更高層級的融合處理和情報共享,這是目前常用的一種協(xié)同模式；Model2——各預警機獨立遂行局域性責任子區(qū)探測任務(wù),相互之間不僅進行跨區(qū)任務(wù)交接,且各自感知的目標信息進行更高層級的融合處理和情報共享,具體多源目標信息融合處理由指定的某架預警機的信息融合分系統(tǒng)(或上級情報中心)承擔。目前,人們大多關(guān)注于Model1的多預警機聯(lián)合探測問題的研究,如文獻[1-2]提出了預警機實時探測覆蓋區(qū)的概念,并給出了單架預警機的具體算例。文獻[3]提出了多預警機并立和串接組合協(xié)同探測的概念,并指出在預警機架數(shù)有限的前提下,串接航線易造成穩(wěn)定覆蓋區(qū)域不穩(wěn)定,易形成盲區(qū)的結(jié)論。文獻[4]提出了一種基于累積檢測概率矩陣2-范數(shù)的單機航線優(yōu)化準則,并討論了多預警機飛行時間間隔和航線間隔對重點監(jiān)視區(qū)域累積發(fā)現(xiàn)概率的影響問題。文獻[5-6]從目標進入預警機覆蓋區(qū)概率的角度,討論了雙平行線和橫8兩種巡航航線飛行時預警機的瞬時覆蓋率問題。文獻[7]基于突防目標機與預警機的相對位置和速度關(guān)系,提出了探測強效區(qū)和探測弱效區(qū)的概念,并進行了相應的作戰(zhàn)效能仿真分析。文獻[8]提出了預警機兵力使用策略,并討論了單架預警機航線規(guī)劃問題。文獻[9]基于雷達干擾自衛(wèi)距離公式,討論了有源干擾條件下的多預警機部署優(yōu)化問題。上述文獻未涉及多預警機目標信息融合處理和情報共享。

本文構(gòu)建了兩種協(xié)同模式的多預警機實時探測覆蓋區(qū)估算模型,提出了穩(wěn)定覆蓋度的概念和定量公式;討論了帶狀責任探測區(qū)中多預警機部署問題,并給出了具體的部署優(yōu)化決策模型;對兩種協(xié)同模式的多預警機部署問題進行仿真分析。通過仿真分析,證明了Model2優(yōu)于Model1,且隨著責任探測區(qū)L的增加,以及預期的覆蓋度要求越高時,Model2更加優(yōu)于Model1。本文構(gòu)建的各種估算與決策模型考慮了各種主要的內(nèi)、外因素,具有實用價值。

1 單預警機實時探測覆蓋區(qū)

對于單架預警機而言,實時探測覆蓋區(qū)是指其在特定高度巡航航線任意位置,均能以規(guī)定的發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pfa,對位于高度層H上的指定目標遂行有效探測的區(qū)域。所謂指定目標是指目標類型和目標的雷達散射截面(radar cross section,RCS)值均已確定,所謂有效探測是指對目標進行數(shù)據(jù)率為fc的不間斷探測。不失一般性,以常用的雙平行線航線為例,如圖1所示,令雙平行線航線的中心O1,0為坐標原點,航線轉(zhuǎn)彎頂點分別為O1,1(-a1,-b1)、O1,2(a1,-b1)、O1,3(a1,b1)、O1,4(-a1,b1),機載雷達最大探測距離為R1。

圖1 單預警機實時探測覆蓋區(qū)(雙平行線航線)Fig.1 Real-time detection covered area of single aircraft early warning (double parallel line flight)

圖1中陰影部分S1,0即為單架預警機的實時探測覆蓋區(qū)(簡稱實時區(qū)),其4個頂點平面坐標分別為

S10[1]的具體估算公式為

S10=S11+S12-S13

(1)

式中,S11為四邊形A1B1C1D1面積;S12為4條弧對應4個圓心的扇形面積之和;S13為4個弓形面積;θ1為∠A1O1,1D1,且

(2)

通常,a1∈[30 km,45 km],b1∈[10 km,15 km][10],當R1=370 km時,S10∈[391 478 km2,416 389 km2]。由式(1)和式(2)可知,單架預警機的實時探測覆蓋區(qū)的大小主要由具體規(guī)劃的雙平行線航線和實際最大探測距離決定,而R1與目標反射截面積σ、脈沖積累數(shù)m、信噪比S/N、氣象衰減系數(shù)δ、氣象衰減區(qū)間距dq、不同目標類型的起伏插損Lf等內(nèi)外部因素有關(guān)[11],即

(3)

式中,cont為由系列雷達固有技術(shù)參數(shù)決定的常量,即

(4)

對于機載預警雷達而言,防空警戒、對空引導、以及小目標探測等不同的具體任務(wù)的檢測概率要求不同,通常為0.5、0.8、0.9,且R1(Pd=0.5)>R1(Pd=0.8)>R1(Pd=0.9),而虛警概率要求均為Pfa=10-6。而不同目標類型和目標具體反射截面積對實際R1影響很大。不同檢測概率要求、不同目標類型、目標具體反射截面積時的實際R1的估算方法參考文獻[12]。

2 多預警機實時探測覆蓋區(qū)

圖2 雙預警機實時交疊覆蓋區(qū)Fig.2 Real-time overlapping covered area of double aircraft early warning

預警機1和預警機2的實時交疊覆蓋區(qū)面積的估算公式為

(5)

Scross=2(SE1D1M1s+SE1D1g+SE1B2M1s+SE1B2g)

(6)

式中

(7)

(8)

圖3 基于Pd雙預警機協(xié)同預警實時覆蓋區(qū)域Fig.3 Real-time covered area of cooperation early warning of double aircraft early warning based on Pd

i=1,2,…,N, j=1,2

(9)

(10)

圖4 多架預警機協(xié)同覆蓋責任探測區(qū)Fig.4 Multi-aircraft early warning cooperative covered detection area

3 多預警機航線規(guī)劃

對于較長的帶狀責任探測區(qū)而言,多預警機航線規(guī)劃為一個多約束條件下的決策問題。航線規(guī)劃的終級目標是實現(xiàn)對指定責任探測區(qū)的穩(wěn)定覆蓋,具體求解的關(guān)鍵參數(shù)是各預警機航線中心間距,而約束條件包括責任探測區(qū)穩(wěn)定覆蓋度要求、各預警機航線中心點連線與責任探測區(qū)的內(nèi)邊界和外邊界的間距、多架預警機協(xié)同模式、以及由機載雷達實際最大探測威力決定的單預警機實時覆蓋區(qū)、由橫向的跨區(qū)任務(wù)交接決定的多預警機實時交疊覆蓋區(qū)等。定義責任探測區(qū)穩(wěn)定覆蓋度ηC為

(11)

并令責任探測區(qū)的外邊界的縱坐標為yD_out,則航線規(guī)劃決策問題可具體定義為在多個約束條件下尋找一組最佳的航線中心間距,即

{di}={di}opt

(12)

如果只考慮突襲方向單側(cè)目標的預警探測問題,則只需把式(12)中yD_outW/2換成yD_outW,其他約束條件不變。此時,相當于責任區(qū)內(nèi)邊界移至預警機航線中心點,責任區(qū)縱深寬度W的取值可根據(jù)具體情況而定,但這樣并不能擴大預警機的實時探測區(qū),只是相當于移動預警機陣位,如想擴大實時探測區(qū),可減小預警機航線a、b值或增加探測威力Rmax值。

4 仿真分析

4.1 兩種協(xié)同模式對比分析

為了方便進行兩種協(xié)同模式作戰(zhàn)效能的對比分析,不妨定義穩(wěn)定覆蓋區(qū)得益度為

(13)

圖5 di與Ssum關(guān)系Fig.5 Relationship between diand Ssum

圖6 di與ηG關(guān)系Fig.6 Relationship between diand ηG

由圖5和圖6可得以下結(jié)論：

(1) 要求的檢測概率值越小,則兩機協(xié)同探測范圍Ssum值越大,且相互脫離的di臨界值越大,即在較小檢測概率工作方式時,能在更大的責任探測區(qū)中提供連續(xù)目標情報。

(2) 當di小于其臨界值時,隨著檢測概率的增大,ηG越大,說明要求的檢測概率值越大時,采用Model2方式工作比采用Model1方式工作的得益更明顯。

(3) 不論何種檢測概率要求,當Ssum恒定時,Model2比Model1的di臨界值都大,說明Model2可以在更大的di值時獲得相應的實時交疊覆蓋區(qū),從而確保相鄰兩機之間實現(xiàn)可靠的橫向跨區(qū)任務(wù)交接。

4.2 L與N取值關(guān)系分析

(15)

圖7 L與N關(guān)系Fig.7 Relationship between L and N

由圖7可得以下結(jié)論：

(1) 隨著L的增加,采用Model2協(xié)同時,所需調(diào)用的預警機架數(shù)更少。

5 結(jié) 論

針對帶狀責任探測區(qū)防空預警作戰(zhàn)需求,本文提出了兩種具體協(xié)同工作模式,構(gòu)建了多預警機實時探測覆蓋區(qū)估算模型、多預警機協(xié)同工作航線規(guī)劃決策模型。所構(gòu)建的模型考慮了各種主要的內(nèi)、外因素,可供實際預警機兵力部署決策時參考使用。因篇幅所限,所建模型尚未涉及具體的戰(zhàn)場氣象條件、干擾環(huán)境、動態(tài)探測盲區(qū)、安全距離等因素,而這些因素對預警機實際作戰(zhàn)效能的具體影響,則有待進一步研究。

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Multi-AEW cooperative detection capability and flight planning

QI Wei, LI Xia, CAI Wan-yong, JIN Jia-gen

(AirForceEarlyWarningAcademy,Wuhan430019,China)

In view of the problem of multi-aircraft early warning (AEW) cooperative detection for the ribbon responsibility area, two cooperative modes are defined based on whether or not higher level multiple information sources are utilized. Firstly, a real-time detection covered area’s estimation model of multi-AEW is given, and the concept of stable coverage degree and a quantitative equation are proposed respectively. Secondly, the decision-model of multi-AEW optimal deployment is discussed and the definite optimal model with cooperative deployment is also given. Finally, the simulation instance of two models is provided, the results show the Model2 is much better than Model1, and various major internal and external factors of estimation and decision model are considered, so the results is valuable.

aircraft early warning (AEW); cooperation probing; real-time detection covered area; flight planning

2015-11-27;

2016-06-21;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2016-11-09。

TN 951

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.12.13

祁 煒(1981-),男,講師,博士研究生,主要研究方向為預警裝備效能評估與驗證。

E-mail:bluewind19810328@163.com

李 俠(1956-),男,教授,主要研究方向為雷達裝備技術(shù)、雷達裝備作戰(zhàn)運用及效能評估。

E-mail:xliax004@sina.com蔡萬勇(1981-),男,講師,博士,主要研究方向為雷達裝備作戰(zhàn)運用與仿真。E-mail:wbh8927@sina.com金加根(1973-),男,副教授,博士,主要研究方向為雷達信息融合及目標跟蹤。E-mail:jinjiagen@126.com

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