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多预警机协同作战空域配置

2023-04-23 来源:品趣旅游知识分享网
第5期 2016年10月 中IiI鼋;研謦研宪限学极 Journal of CAEIT V01.11 No.5 0ct.2016 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.016 多预警机协同作战空域配置 祁炜,李侠,蔡万勇,万凡兵 (空军预警学院,湖北武汉430019) 摘要:本文针对多重点目标防御和矩形责任区空袭作战时预警机阵位配置问题,通过构建任务 线,将防御作战和空袭作战两种战场态势下预警机任务规划问题归纳为一类空域配置问题;以实时 有效全覆盖任务线为有效遂行作战任务的具体判据,对是否进行更高层级的多情报源信息融合处 理的两种协同方式,构建了相应的预警机空域配置估算模型。仿真结果表明多预警机协同作战时, 应用Model2在同时出动预警机架数方面明显少于Modell,其结果具有一定的实用价值。 关键词:预警机;协同探测;直线形任务线;空域配置 中图分类号:E925 文献标识码:A 文章编号:1673—5692(2016)05—547-07 Airspace Allocation of Multi-AEW Cooperative Combat Qi Wei,Li Xia,Cai Wan—yong,Wan Fan-bing (Air Force Early Warning Academy,Wuhan,430019,China) Abstract:For the position allocation of AEW under the situation of multiple targets defense and air—raid in rectangle responsibility area,the task line was constructed.AEW mission programming was reduced to airspace configuration issue with battlefield situation of defense and air—raid.With principle of effective coverage for combat,related AEW position allocation programming estimation model was built for whether managing multiple intelligence syncretizing of higher leve1.In battle-field of multiple AEW,numbers of Model2 superiors Modell with practically valuable results of the simulation. Key words:AEW;cooperation probing;linear task line;airspace allocation 问题。文献[3]提出了多预警机并立和串接组合两 0 引 言 预警机在遂行重点目标防御和空袭作战情报保 障任务时,由于多目标保护预警线和空袭探测责任 区过长,需要多预警机协同…,协同模式可分为两 种:Modell一各预警机独立遂行探测任务,目标情报 不进行融合处理;Model2一各预警机情报由指定预 警机或上级情报中心进行融合处理。目前,Modell 的多预警机联合探测问题的研究较为深入。文献 [2]提出了一种基于累积检测概率矩阵2一范数的 单机航线优化准则,并讨论了多预警机飞行时间间 隔和航线间隔对重点监视区域累积发现概率的影响 种空域配置协同探测方案,并对其进行了定量分析, 得出在预警机架数有限的前提下,串接航线易造成 稳定覆盖区域不稳定,易形成盲区的结论。文献 [4]提出了基于作战任务和需求,合理配置预警机 巡逻空域,并据此得出预警机兵力使用策略。文献 [5]基于突防目标机与预警机的相对位置和速度关 系,提出了探测强效区和探测弱效区的概念,并进行 了相应的作战效能仿真分析。上述文献从不同角度 对预警机空域配置问题进行了研究,但均未涉及多 预警机信息融合处理,而基于此种方法的多预警机 协同模式在减少预警机同时出动架数方面有较多得 益,这对于预警机这种战争宝贵资源来说,无疑是具 收稿日期:2016-05-09修订日期:2016-08.30 548 备较高的研究价值. 目鼋;纠.鼍f研宪陛学帜 2Ol6年第5期 “橄榄”形的实时探测区对中层防空预警线进行全 面覆盖。 本文详细分析了两种协同模式的多预警机直线 形任务线协同空域配置问题,对任务线和预警机阵 图1(b)为多预警机协同遂行空袭作战任务时 的空域配置态势图,令任务划定责任区成矩形, 为责任区纵深,D… 为阵位线到责任区近界距离。 责任区远界、近界和阵位线均是以W 和D… 为距 离构筑的平行线,因此,此时的“橄榄”形的实时探 测区只需对责任区远界(Q Q )进行全面覆盖即可。 令阵位线到任务线距离d =d =W + 位线之间的关系进行了定量描述;运用等概率密度 场的方法,对多预警机两种协同方式的可行性进行 了定量分析;构建r通用性的多预警机空域配置估 算模型。文中构建的各种估算与决策模型考虑了各 种主要的内、外因素,具有实用价值。通过仿真,分 析了两种模式下多预警机空域配置和资源使用问 题,并得出Model2明显优于Modell的重要结论。 D… ,则两种预警机作战任务可归结为一类针对直 线形任务线实时有效全覆盖时预警机空域配置 问题 1 问题描述 当多架预警机采用并立航线协同遂行目标探测 2协同模式瞬时覆盖区估算 2.1 探测距离与发现概率的关系 令预警机有效遂行作战任务所需发现概率为 P ,则两种协同模式时的多预警机综合发现概率 Jp 的估算公式为: rmax{Pm },Pfl ≥PlIII (Model1) 任务时,令各预警机航线中心点E (i=l,2,…n)均 与阵位线重合,且巡逻直飞航线与中层防空预警线 (责任区远界)平行,则实时探测区为直飞航线四端 点为圆心、以最大探测距离为半径的交叠区域(图1 中阴影区域)I 。 巾层防 ’ 警戒线 \阵位线 P【J {ll—H (1一P ),P ≥P d_ I(M。d l2) (1) D1…D, … , 式中,P 是第i(i:l,2,…/t')架预警机在距离其k (k:1,2,… )点处独立探测目标时的发现概率,令 此时预警机探测距离为 。 防空警戒和对空引导是预警机的两项主要作战 (a)彩H标 线分布防御 任务,所需发现概率P ={0.5,0.8}、虚警概率 P =10~。对于每部机载预警雷达而言,实际 与所探测目标类型有关。对于防空警戒和对空引导 (b)带状责仃J , 袭 两项任务而言,令目标RCS为常量,机载预警雷达 最大探测距离尺…,且令第i架预警机在k点处的 R =KequikR ,K 是发现概率为P 时实际探测 图1预警机空域配置态势图 图I(a)为多预警机协同遂行防御作战任务时 的空域配置态势图,图中阵位线与中层防空预警线 的距离d 和阵位线与多目标分布线距离D 的 大小与对方机场和重点目标距离,以及对方战斗机 续航能力有关 。。不失一般性,设对方战斗机对 距离的折算系数,则可根据文献[9]提供的估算方 法,构建P 与尺 之间的关系曲线(图2),显然其 为单调递减函数。 2.2协同模式瞬时综合覆盖区估算 不失一般性,令任意两架预警机协同工作,则两 于每个重点目标的攻击能力相同,则可用一条与m 个重点目标中层防空预警线相切的直线(Q Q )定 量表示防御方整体中层防空预警线。因此,中层防 空预警线、阵位线和重点目标分布线是以d 和 D 为距离构筑的平行线,而多架预警机应以近似 种协同模式时的综合瞬时覆盖区可按先解算平面内 各点分别到第i一1和第i架预警机航线中心的距离 尺 和尺 ,再通过文献[9]所得到的尺 与 P 和R 与Jp 之间的关系式解算不同距离上的 2016年第5期 祁炜等:多预警机协同作战空域配置 549 尸d。 Pd (a)尸d =0.5 (b)Pd in=0.8 图2 Pm与K。 关系图 发现概率,最后通过公式(1)得到两种协同模式大 于P i 时的协同发现概率分布,从而得到相应瞬时 协同覆盖区面积。其具体估算流程为: Stepl:设置两架预警机之间瞬时间距d 值, 以各自航线中心点E一 和E的连线中点0为坐标 原点、连线为 轴,构建XOY直角坐标系,通过[ , Stepd:将 和 通过Step3所得关系式, 分别解算矩阵各元素P 和P龇值,并构成P 和 矩阵; Step5:根据公式(1)两种协同模式方程,分别解 算Modell和Model2相应的Pdc0 矩阵; Step6:瞬时综合覆盖区面积及边界估算 Step6—1:将Pdco 中小于Pd i 的元素赋值0,其 Y]=meshgfid(一p/2:p/2,一q/2:q/2)将直角坐 标系栅格化,从而得到P×q维列向量相同的 矩阵 和行向量相同的y矩阵; 余赋值1,则瞬时综合覆盖区面积为P 中1的个 数乘以栅格单元面积; Step2:构建不同预警机R 矩阵 通过Stepl所得 、y矩阵,分别解算XOY坐标 系中各离散坐标点与坐标(一dsi-1/2,0)和(dsi-1/2, 0)的距离,从而构成第i一1架和第 架预警机的 R 。 和R 矩阵; step6—2:设置误差范围值 ,将P 中属于 [Pdn1i 一Pd_w ,P +P ]区间的元素赋值1,其余赋 值0,则由1标记的元素,即为瞬时综合覆盖区边界。 令相同型号预警机协同遂行作战任务,探测 Swerling I型目标,RCS相同,Pd i ={0.5,0.8}、 Pfa=10 时R =1,则R =Ko 当任意两架预 Step3:对预警机战术指标给出的已知目标类型 所对应的P 和 … 进行赋值,并拟合图2中所需 重点探测目标类型的P 。 与尺 和P 与R 之 问的关系式; 警机d =1.6R ,其Modell和Model2协同瞬时覆 盖区边界如图3所示,F,和 是两预警机R 。 = R 时的交点,其对应图2中P 时 。 的取值。 (a)Pd =0.5 (b)Pd mis=0.8 图3 两种协同模式瞬时覆盖区域仿真图 550 .日.霉;舛攫q雹豫学瓤 2016年第5期 图3中,Model2协同瞬时覆盖区边界是以各预 警机P船可降为零的前提条件下绘制的,这在实际 中显然不合理。如图4所示,实际预警机机载雷达 的脉冲重复周期 是一定的,且一般分为三段: 段 与规定的机载预警雷达的R 之间存在对应关系; f 段为设计者预留冗余时间~t+ 称为正程时间; t 段为逆程时间,常用于干扰分析和BIT。显然, Modell可用时间段为t 而Model2可用时间段为 t 。+t ,因此,Model2最远可用探测距离R = (t +t )C/2。 厂_] . . r_] i—— — 图4 实际预警机机载雷达的脉冲重复周期分配 令分别以第i一1和第i架预警机瞬时阵位为圆 心,相应 一 和R 为半径的两圆交集面积为 s 一 ,相应以R… 和R… 为半径的圆面积分别 为s。 和.s 当P岫可降为零时Model2瞬时覆盖区 面积为S 。 ,则相邻两架预警机不同协同方式 时的瞬时覆盖区为: s =S一 ={【(M。S sS i_ l 2 1 二Sn  。。 I)U Ss 一1 U 5。s。 , ,Model 2 。 —(2) 3空域配置建模 令多预警机协同遂行对空警戒任务,且针对不 同重点探测目标类型时,任意一架预警机所用工作 方式的R 均不大于图2中P 所对应的R 取值。 如图5所示,第i架预警机巡逻直飞航线四个端点 分别为A B C 和D ,且直飞航线长度 lAY Y;l=f cY DY l=LY =2a 、转弯直径lAY CY l= 1 D l=i一1=R 一 ,第i架预警机单独覆盖任 务线长度为 、第i一1和i架预警机之间航线中心 点间距为d 一 。当多预警机对长度为 的任务线 遂行作战任务时,其协同探测相交边界均是由C 点 ,. , 和DY…点为圆心、R d = 和尺 、 厶 R + 为半径的圆形构筑,两种协同模式均以 为 坐标系原点、y轴垂直于预警机巡逻直飞航线,构建 XE l,直角坐标系。对于Modell而言,多预警机 协同空域配置态势如图5(a)所示, 是以D 为 圆心、以 。为半径的实时探测边界和任务线的 交点, 是分别以c 、D 为圆心、以 … 、R 为半径的实时探测边界交点,且与任务线重合。由 于cⅥ1。坐标为(一。 ,一b ),且令 点坐标为 ( ,Y ),则联立方程组: ,( +口卜1) +(Y+b 一1) =R ax 一1 {【 ∈(0√R2 一1一b l 一0 一1),Y>0 y:d (3) y \\\ /八\ l// f  AYi-‘ 1 ; 喜 y U / 、 \ 任务线 Ⅸl / f Y¨’ {一 l b】Model2 图5 多预警机直线形任务线协同覆盖示意图 可求得 点坐标( ,Y )为: _l+ zx+bi)z1(4) tyf/1=d 因 一 =2x ,同理可得 :2 (、 =- 一口 ),则相邻两架预警机之间 航线中心点间距d 一,为: d l=(f 1+fdI1)/2 (5) 因此,当任务线长度为 时,所需预警机同时 出动架数凡的约束条件为: 2016年第5期 祁炜等:多预警机协同作战空域配置 551 n一1 边界的交点,U5是分别以c 、D 为圆心、以 ∑l < ≤∑l =1 i=1 (6) R 、Rmaxi为半径的实时探测边界的交点,‰一 与 对于Model2而言,多预警机协同空域配置态势 Modell中fdf!一 相同。由于c 。、D 坐标分别为 如图5(b)所示, 是以D 一 为圆心、以 一。为半 (一口 ,一b )、(o +dⅢ“一。,一b ),且令 点坐标 径的实时探测边界和任务线的交点, 是分别以 为( ,Y ),则联立方程组: c 、D 为圆心、以尺 、尺kvl为半径的实时探测 f( +。 一。) +(y+b ) = 一 ∈(0八/ :: 一。 一 ),y>0 (7) l( 一0 —dm“一1) +( +6 ) =R 可得: (8) (9) (10) cl1.2=一(b 1一b )/(a 一1+n +dHx 1) ei-1,2=( 一 一n 。+(哦+d ) 一62_ +b ̄)12(a 吼+d ) 令y 和Yu5均为d ,从而分别求得对应的d脱_1. 预警机遂行对空警戒作战任务,且巡逻直飞航线L 和d ... ,则第i一1和i架预警机之间航线中心点间 为80 km、转弯直径w 为20 km、阵位线到任务线距 距为d HxI—ldrlx㈠=min{ }D“_1.1,d删-1.2}。当任务线长 离d: ∈[0 km,300 km】。不失一般性,当Pd=0.5、 度为 时,所需预警机同时出动架数n的约束条 P =10~,且预警机对雷达有效截面为2 m 的 件为: Swerling I型目标进行探测时,R =350 km,Rky/ f0≤ ≤fdl1’ n=1 R =1.16(K 。 =1.161)。则d: 与两种协同模式 i +字+ < ≤z + +奎‰ ,n> 下相邻两架预警机阵位间距d 的关系曲线如图6 t 1所示,则可得出以下结论: (11) (1)在多预警机协同探测能力范围内,不论d 4仿真分析 取何值,Model2比Modell的d 间距均大,说明相 同战场环境下,使用Model2协同方式比使用Modell 4.1阵位对比分析 协同方式可覆盖更长的任务线。 (2)无论何种协同模式,dHx均随d: 的增大而减 为便于分析两种协同模式的差别,令相同型号 小,说明预警机阵位线离任务线越远,相邻两架预警 552 嚼.霉;舛譬善呷宪阪譬取 2016年第5期 机阵位间距越小。 dzx/km 图6 与d 的关系曲线图 令相同d 时,Model2与Modell的dHx间距差值 为d ,则dzx与d。 的关系曲线如图7所示,d 随 d 的增加而变大,说明预警机阵位线离任务线越 远,使用Model2比使用Modell协同方式的优势 明显。 azx/km 图7 d 与dcz,的关系曲线图 4.2 L 与 取值关系分析 令d =250 km、任务线长度L ∈[0,2 500 km], 战场环境和预警机固有探测能力及巡逻航线均与上 面相同,则所需同时升空预警机架数/7,与 的关系 如图8所示,由此可得出以下结论。 (1)单架预警机覆盖L 长度为388 km,说明当 L  ̄<388 km时,预警机无需任何协同方式,单架独 三 m 图8 L 与 的关系曲线图 立作战即可有效遂行对空警戒任务。 (2)当同时升空两架预警机时,分别使用Mod— el1和Model2进行协同,其覆盖 长度分别为 777 km和854 km,说明在777 km<L ≤854 km 时,ModeL2比Modell即可节约一架同时升空的预 警机资源。 (3)随 变大,Model2比Modell节约预警机 资源效果越明显。 5 结 语 本文以等概率密度场实际可用范围为依据,以 充分发挥协同探测能力为预警机协同作战基本原 则,详细讨论了基于直线形任务线假设的两种协同 模式多预警机协同空域配置问题,构建了预警机空 域配置估算模型,所建模型考虑了各种主要的内、外 因素。通过仿真,对比了两种协同模式时预警机同 时出动架数,提出的空域配置原则、定量模型、以及 仿真结论可供实际预警机兵力部署决策时参考使 用。因篇幅有限,本文未涉及基于凹形和拱形任务 线假设条件下的多预警机协同空域配置问题,而这 些问题有待进行专题研究。 参考文献: [1] 盛大同.关于预警机任务系统的软件架构研究[J].中 国电子科学研究院学报,2016,11(2):182—186. 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