面向高速空中目标的观测设备跟踪能力需求分析_许俊飞.pdf

第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 08 10;修回日期:2022 09 05作者简介:许俊飞(1990)，男，博士，讲师，E-mail:xjf09531163 com。通信作者:吴玲(1976)，女，博士，副教授，硕士生导师，E-mail:wuling0531163 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304002面向高速空中目标的观测设备跟踪能力需求分析许俊飞，吴玲，张朱峰，卢发兴(海军工程大学 兵器工程学院，武汉430033)摘要:为满足舰载观测设备对空中高速运动目标的有效跟踪，从空中目标运动角速度模型出发，建立了观测设备对空中目标的方位、高低跟踪死区模型，分析跟踪死区存在的条件，通过理论计算与仿真分析，明确了方向跟踪死区、高低跟踪死区与目标速度、高度、航路捷径以及观测设备跟踪角速度之间的关系:观测设备方向跟踪死区受航路捷径影响较大，高低跟踪死区受目标高度影响较大;跟踪死区大小与炮弹速度成正比、与观测设备跟踪角速度成反比。通过仿真计算给出在一定目标速度条件下，为实现对目标有效跟踪所需的观测距离或预置观测点，以满足舰载观测设备的跟踪能力需求。关键词:观测设备;跟踪死区;跟踪能力;角速度本文引用格式:许俊飞，吴玲，张朱峰，等 面向高速空中目标的观测设备跟踪能力需求分析 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):9 15Citation format:XU Junfei，WU Ling，ZHANG Zhufeng，et al equirement analysis of the tracking capability of observa-tion equipment for high-speed aerial targets J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):9 15中图分类号:N945 1文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0009 07equirement analysis of the tracking capability of observationequipment for high-speed aerial targetsXU Junfei，WU Ling，ZHANG Zhufeng，LU Faxing(College of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract:In order to realize effective tracking of high-speed aerial moving targets by shipborne observationequipment，this paper establishes a model of directional and high/low tracking dead zones of observationequipment on air targets from the model of angular velocity of the air moving targets，and analyzes theconditions for the existence of the tracking dead zones Through theoretical calculation and simulationanalysis，the relationship between dead zones of both directional and high/low tracking and target speed，altitude，route shortcut as well as tracking angular velocity of the observation equipment is clarified:thedirectional tracking dead zones of the observation equipment are influenced by the route shortcut，and thehigh/low tracking dead zones are influenced by the target altitude The size of the tracking dead zones isproportional to the projectile velocity and inversely proportional to the tracking angular velocity of theobservation equipment In order to meet the tracking capability requirements of the shipboard observationequipment，the required observation distance or pre-set observation points are calculated to achieveeffective tracking of the target through the simulation under certain target velocity conditionsKey words:observation equipment;tracking dead zone;tracking capability;angular velocity0引言导弹、飞机等空中目标是舰艇面临的最大安全威胁，空中目标具有运动速度快、体积小、机动性好、隐蔽性高等优势，由于空中目标的威力较大，对其进行有效拦截，首先需要确保舰载观测设备能够对空中目标进行稳定跟踪，由于空中目标的高速特性以及观测设备跟踪角速度的限制，将可能产生跟踪不上的问题。由观测设备跟踪不上目标而产生的区域为观测设备的跟踪死区。为解决这一问题，可以通过预设空中目标航路上的初始跟踪点，将观测设备跟踪方位指向该点，以保证该点之后能持续稳定跟踪目标，初始跟踪点或观测距离的确定都与观测设备对空中目标的跟踪死区有关。因此，如何根据空中目标的运动特性确定观测设备的跟踪死区是有效拦截空中目标亟需解决的首要问题。本文针对舰炮武器对高速空中目标的跟踪问题，首先建立观测设备对空中目标方位和高低跟踪死区模型，明确跟踪死区与空中目标速度、高度、观测距离，以及观测设备最大跟踪角速度之间的关系，通过仿真分析进而给出对高速空中目标实现有效跟踪的观测设备能力需求。1空中目标运动角速度模型随着武器装备的不断发展，空中目标速度快、机动性好的优势越来越明显，当空中目标速度较快时，可能会出现观测设备不能准确跟踪的现象。将引起观测设备不能跟踪瞄准炮弹的空域称为观测设备跟踪死区，可分为方向、高低跟踪死区。观测设备跟踪死区的大小与目标飞行条件(如飞行高度、速度、航路捷径的大小)有关，也与观测设备的跟踪性能(如跟踪角速度、角加速度)有关。本文在建立模型时仅考虑角速度跟踪性能来分析跟踪死区。要想有效拦截空中目标，发挥舰炮武器的作战效能，信息保障设备至关重要。对空中目标跟踪死区主要影响因素较多，假定在一段时间内，空中目标做水平、等速、直线运动，如图 1 所示，A 为炮弹现在点位置，O 为信息保障观测设备位置，d 为炮弹水平距离，H 为炮弹高度，Qm为炮弹目标舷角，dj为航路捷径，Vm为空中目标速度，S 为炮弹现在点投影 a到航路捷径点 a0的距离，炮弹运动方向角速度和高低角速度分别为 和。由图 1 可知，空中目标方向角 为:=arctanSd()j=arctanVmtd()j(1)此时空中目标相对舰载观测设备的方向角速度 为:=ddt=ddtarctanVmtd()j=Vmdshd2=VmsinQmd(2)空中目标高低角 为:=arctanHS2+d2()j=arctanH(Vmt)2+d2()j(3)所以空中目标相对舰载观测设备的高低角速度 为:=ddt=ddtarctanHS2+d2()()j=VmHS(S2+d2j+H2)S2+d2j=VmHcosQmsin2(4)图 1空中目标运动角速度示意图Fig 1 Schematic diagram of angular velocityfor aerial target movement2观测设备跟踪死区模型2 1方向跟踪死区模型为实现对空中目标的有效拦截，舰载观测设备需持续不断的对空中目标进行跟踪，获取目标航迹信息。假设观测设备的最大方向跟踪角速度为 g，空中目标运动的方向角速度为，因此只要有 g，则观测设备在水平方向上就能跟踪目标，反之则无法跟踪，形成水平方向的动态跟踪死区。当时，观测设备的方向跟踪死区是一个在水平面内、以观测设备为中心的圆域，方向跟踪死区的半径为 rg。rg=Vmdjg(5)为简化计算，通常是以空中目标最大的方向角速度来确定方向跟踪死区，当航路捷径 dj一定时，目标在投影点 a0处(即 d=dj，Qm=90)时空中目标的方向角速度最大，此时，由 g所确定的航路捷径 dj就是最大方向跟踪死区半径，用rmaxg表示，有:rmaxg=Vm(6)综上所述，观测设备的方向跟踪死区半径 rg与炮弹速度 Vm、水平捷径 dj及观测设备的最大方向跟踪角速度 g有关。当 Vm、g一定时，rg是随 dj的增大而增大的，直到 dj增01兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/大到 rmaxg时，观测设备恰好能跟踪上目标。当 dj=0 或 djrmaxg时，g，此时不存在方向跟踪死区;当 dj0 且 dj rmaxg时，g，形成方向跟踪死区，死区半径为 rg，当 rg=rmaxg时方向跟踪死区最大，rg与目标高度 H 无关。2 2高低跟踪死区模型由式(4)可知，目标高低角速度受多个因素的综合影响，计算较为复杂。但当目标的航路捷径 dj=0 时，目标相对于观测设备而言属于过顶飞行，此时观测设备跟踪目标所需的高低跟踪角速度处于最极限的情况，因此为简化处理，考虑最极端的情况即目标过顶飞行，研究对观测设备的最大跟踪角速度需求。此时目标的高低角速度由式(4)可简化为:=ddt=ddtarctanH()()S=VmHS2+H2(7)为实现对目标的稳定跟踪，设观测设备的最大高低跟踪角速度为 g，只要满足g(8)观测设备在高度上就能跟踪目标，反之则不行。与方位跟踪死区同理，高低跟踪死区在给定高度上也是一个圆域，设半径为 rg，则结合式(8)可知观测设备的高低跟踪死区半径 rg满足:r2g+H2VmHg=0(9)变换可得:r2g+H Vm2()g2=Vm2()g2(10)由式(10)可知，观测设备的高低跟踪死区为在铅垂面内的圆方程，S 为横轴，H 为纵轴，圆心为(0，Vm/2g)，半径为Vm/2g，如图 2 所示。当 H=0 或 HVm/g时，g，此时不存在高低跟踪死区;当 H 0 且 H Vm/g时，g，形成高低跟踪死区，死区半径为 rg;当 H=Vm/2g时，高低跟踪死区最大，半径为 rmaxg=Vm/2g。图 2高低跟踪死区示意图Fig 2 Schematic diagram of high and lowtracking dead zone2 3观测设备跟踪死区的确定对于同一舰载观测设备，对空中目标进行跟踪瞄准时，方向跟踪死区与高低跟踪死区是相互制约的，当方向(高低)进入跟踪死区范围而跟不上目标时，一定会影响高低(方向)的跟踪瞄准。因此，观测设备的跟踪死区应取两者中较大的一个，设为 rg，有:rg=max(rg，rg)=maxVmg，Vm2()g(11)3仿真分析观测设备对空中目标的跟踪受到方向和高低跟踪死区的影响，由于影响因素