无人艇防空机动模型及仿真分析
杨罗章,胡生亮，罗亚松
(海军工程大学兵器工程学院,湖北 武汉 430033)
摘 要: 基于水面无人艇搭载防空导弹执行防空反导任务这一作战样式,针对拦截导弹概率最大化目标下无人艇机动这一问题,构建物理模型对无人艇防空导弹跟踪区及射界进行了计算,求解了不同航路捷径条件下无人艇机动的最优解,并针对不同态势确定了无人艇机动方案,仿真结果表明,无人艇防空机动模型及机动方案合理有效。
关键词: 水面无人艇;防空反导;跟踪区;射界;机动方案
水面无人艇具有体积小，环境适应性强，隐蔽性好，机动灵活，无人员伤亡等优点,成为现代无人作战系统中一个重要分支。其使命任务也不仅局限于巡逻警戒、监视侦查等任务,在水面无人艇上搭载武器系统,配合大型舰艇执行反舰、防空反导、反潜、对岸火力支援等硬杀伤任务,拓展丰富海上作战样式,也成为其重要发展趋势[1-3]。其中,无人艇搭载防空导弹前出水面舰艇拦截反舰导弹,增加水面舰艇的有效反导远界,是提高大型舰艇抗饱和攻击能力、提高拦截和抗击反舰导弹成功概率的有效方式。与有人舰艇执行防空反导任务相比,无人艇防空反导应最大限度减少人在回路的控制,一方面可以提高其执行作战任务的实效性,另一方面可以满足其智能化和自动化的控制要求。因此,根据无人艇典型结构和防空反导需求构建机动模型,使其全自动执行作战流程是无人艇防空反导的一项重要研究内容。本文以搭载防空导弹的水面无人艇为研究对象,以无人艇执行防空反导任务时拦截概率最大化为目标,对无人艇防空机动进行研究。
1 无人艇机动
无人艇机动,即无人艇为达成战术目的,相对于目标所进行的变换位置或保持位置的运动,目的是抢占和保持有利阵位,充分发挥己方武器的威力,阻碍敌方武器的使用或降低其效果。无人艇的机动样式,主要包括定向定速机动、定舷角运动、混合机动和曲折机动[4-5]。
1)定向定速机动,亦称直航向机动,机动过程中航向航速不变,是最基本的机动样式。双方定向定速机动时,要采取最佳的航向、航速和相应的机动时间,以使阵位要素的变化对己方有利。
2)定舷角机动,是在机动过程中或一段时间内,保持本艇舷角不变的机动。
3)混合机动,是一方做定向定速机动,另一方做定舷角机动。
4)曲折机动,亦称“之”字运动,是采取有规律或按预定方案无规律变向(有时也变速)的机动,对于阻碍、规避敌方使用炸弹的攻击和降低敌方舰炮射击效果有良好作用。
刘崐一生多次出任各地考官，两度出任顺天乡试考官、会试副考官、读卷官、翰詹大考阅卷官。1864年，太平天国运动被镇压，为网罗士子，清廷恢复江南乡试。这是十二载未开考的大比，考生达二万零三百八十五名，谁任主考才能镇得住江南学界，朝廷颇费周章。最后从曾国藩举荐的刘崐、李鸿藻、文祥三人中选定刘崐为大主考。此次乡试，刘崐唯才是举，不问托请，深得学界赞许，被尊为后世楷模。江南大考回来，58岁的刘崐任内阁学士兼礼部侍郎、署顺天府尹兼任文渊阁直阁事。
此外，为了保障农田水利能够进行大面积的喷射，应在喷灌机的上面安装喷头，确保喷灌机能够大面积的喷灌，克服局限性的影响。在设计农田灌溉路线的过程中，可对其自由设计，如自动的移动喷灌机，通过不断移动喷灌机使农田水利的各个方位和方向达到灌溉的效果。
无人艇防空作战时,由于无人艇速度相对于空中来袭导弹目标的速度很慢,基本可以忽略不计,因此,无人艇的防空运动可看作是混合机动,即无人艇做转向机动,目标做定向定速运动或曲线运动。
2 无人艇防空导弹跟踪区及射界分析
无人艇上使用旋转发射架的防空导弹,安装在艇艏时,其物理模型如图1所示。假设无人艇防空导弹的最大射程为R ,高度值为h 的点M 为导弹最远射击距离上一点。以无人艇为原点,建立如图2坐标系,Y 轴为无人艇的初始航向C w 方向,X 轴在水平面内垂直于Y 轴,指向无人艇右舷,H 轴垂直水平面向上。
图1 无人艇物理模型图
图2 无人艇防空导弹跟踪区及射界坐标系
无人艇的结构特点制约着其防空导弹的可跟踪俯仰角和舷角,从而使防空导弹存在部分跟踪死区[6]。防空导弹的最小可跟踪俯仰角与可跟踪舷角关系如图3所示。
图3 最小可跟踪俯仰角与可跟踪舷角关系图
在导弹发射时,为保证无人艇自身的安全,取发射安全角为ΔQ ,为满足防空导弹的导引头对目标捕获跟踪,又满足导弹的可发射舷角[7-8],则无人艇的最小发射舷角Q min、最大发射舷角Q max、最大水平射距r 与目标高度h 的关系为
(1)
3 无人艇防空作战机动模型
3.1 无人艇机动最优解分析
为达到热氮吹硫工艺的要求，对20×104 t/a硫磺回收装置及尾气处理系统进行技术改造。在一级反应器进料加热器入口分别增加1条氮气管线和1条工厂风管线，同时，在氮气和工厂风管线上各增加1台流量计，便于准确控制吹扫气量。三级硫冷凝器出口管线上增加1条直接去急冷塔的管线，跨过加氢单元，以免钝化后期含氧过程气进入加氢反应器床层，对加氢催化剂造成不可逆的影响。急冷塔出口增加1条去尾气焚烧炉的管线，用于控制克劳斯系统吹硫钝化压力。具体改造流程如图1所示。
在美术史发展样式繁多并且观念错综复杂的今天，选择“具象表现绘画”这样一个限定性很强的概念，首先符合我们自身的文化传统（现实主义传统）和艺术理想（艺术最终对人的教育作用和艺术所体现对自我心灵的净化功能），其次在于它具备审美上的客观性和表达方式的个体性特点，再次，“具象表现性绘画”的语言探索本身有助于创造精神的开发。艺术来源于生活，又高于生活。我认为我们美术教育应建立在客观现实和主观表达的双重基础上，对于具体的教学来说就是具象与表现的折衷，具象与表现的统一。它们是互为前提，共同依存的。
图4 坐标系示意图
无人艇的机动方案为:转向机动,保持对目标的射击点P 的舷角在导弹射界范围内,且可靠射击区长度最大。定义转向角ψ 以无人艇航向为基准,顺时针方向为正,即ψ >0时,无人艇向右转向;ψ <0时,无人艇向左转向,其取值范围为[-π,π]。
(2)
图5 可靠射击区示意图
若目标航路捷径d =0,可靠射击区长度L 1=r ,为固定值,此时无人艇的机动最优解只需满足目标到达射击点P 时的舷角
有
当目标航路捷径d >0时,由于d 和导弹的最远水平射距r 是已知的,则
因此,角度δ 和距离L 1的值变为已知,由于L =L 1+L 2,则当L 2值取最大时,L 也得到最大值。而L 2=d ×tanγ ,因此,求解L 的最大长度问题可转化为求解角度γ 的最大值问题,而
(3)
小学中年段教材中的作文要求都是以文字体现，小学生阅读之后会感到不知所云、茫然无措，有些教师阅读后也往往一头雾水，不知道该怎样对学生进行教学。学生写作基础与语文能力存在差异，写作水平各不相同，教师在指导上也有一定困难。在这种情况下，语文教师可以应用游戏作文，以作文主题、单元主题作为依据，对相关游戏进行创设，让原本枯燥难懂的作文题目与作文要求，通过游戏的形式生动形象地体现出来，使小学生在游戏的同时对作文主题有清晰的领悟，并与自身所学课文相结合，强化对作文的理解。这样的方式，可促使学生全身心投入教学之中，提升写作热情，提高作文写作质量。
γ =Q 2-Q 1-δ -dQ ,dQ ≥0
(4)
由于Q max、Q min、δ 的值是已知的,则当dQ =0时,γ 取得最大值,此时B 点与射击点P 重合。即目标到达射击点P 时的舷角为Q min时,防空导弹对该目标的可靠射击区长度最大。则舷角Q min方向为无人艇防空导弹对敌最佳发射舷角,无人艇的旋回机动的最优解就是使目标到达防空导弹射界时的舷角为
即射击点P 的舷角等于最佳对敌发射舷角,如图6所示。
传统的教学评价过分强调了对学科知识的考查，而忽视了对学生思维品质、学习策略、情感态度、文化意识等方面的评价。殊不知，英语核心素养的培养离不开对学生思维能力的培养、对英语学习策略的点拨和对文化意识的灌输。新课标指出，英语课程评价体系要有利于促进学生综合语言运用能力的发展，要采用多元优化的评价方式。所以，教学评价的内容和标准要以新课标为依据，优化评价方式，从多个维度进行评价，形成科学、立体的多元评价模式，激发学生学习的积极性。
若无人艇位于点O ,航向为C w =0;目标位于T 点,方位为C m ,斜距为R m ,高度为h ,目标相对于无人艇的速度为V m ,敌舷角Q =C m -C w ,假设目标做匀速直线运动,通过目标与目标相对速度方向一致的射线为目标航路。以无人艇为原点,建立如图4所示水平坐标系,Y 轴为无人艇的初始航向C w 方向,X 轴在水平面内垂直于Y 轴,指向无人艇右舷。
图6 无人艇机动目标示意图
3.2 无人艇机动方案
其中,目标坐标为(X 0,Y 0),无人艇相对于目标的偏航角为φ ,D m 为目标斜距R m 在水平面内的投影,
为目标对无人艇的相对水平速度。目标航路与导弹此时的最远水平射距r 为半径的圆的交点为P ,定义P 点为无人艇防空导弹对目标的射击点。则射击点P 的坐标(X 1,Y 2)、舷角Q 0及目标到达导弹射击点的时间t 1可由式(2)方程组求解。目标航路与防空导弹可射击区扇面相交的弦长L 为导弹的可靠射击区长度。
适配器模式属于结构型模式，它将一个类的接口转换成用户需要的接口[2]，并让原本接口不兼容的类协同工作[3]。适配器模式可以分为对象适配器和类适配器，由于类适配器需要适配器继承目标类与适配者类，而对象适配器对适配者类应用动态组合的方式使代码具备了更大的灵活性，因此在Java、C#等不能支持多重继承的静态语言中主要使用对象适配器。
ψ 的值确定与两个条件有关:一是射击点P 的舷角大小;二是无人艇相对于目标的方位φ 。
ψ 的值分为以下几种情况:
1)φ =0时,即目标航路捷径d =0时,转向角ψ 为
(5)
2)φ >0时,若
无人艇的机动最优解是Q 0′=Q min;若
或
无人艇的机动最优解是Q 0′=-Q max,此时转向角ψ 为
(6)
3)φ <0时,若
无人艇的机动最优解是Q 0′=-Q min;若
或
无人艇的机动最优解是Q 0′=Q max,此时转向角ψ 为
银纹是高分子特有的一种现象。由于银纹内部存在空洞，其折光指数与高分子材料不同，宏观上表现为白色细纹，因此称为银纹。银纹由银纹质和空洞组成，一般银纹的长度在几十微米，厚度1 μm，银纹质是发生取向的高分子链段，占银纹体积的30%～50%。
(7)
4 机动模型仿真验证
假设无人艇初始航向C w =0,以无人艇为原点O 建立水平坐标系,Y 轴方向为无人艇初始航向,即正北方向;X 轴在水平面内垂直于Y 轴,指向无人艇右舷。
T =0时刻,发现敌目标位于点Μ (20 km,15 km,0.5 km),水平相对速度V m =50 m/s,初速相对速度方向α =-135°(以正北,即Y 轴为基准,顺时针为正,逆时针为负)。
此外，除了晴雯与黛玉相似，我认为妙玉与黛玉也具有可比性，她们都是姑苏人，妙玉也是一个有钱人家的子弟，她小时候也遇到了僧道，僧人建议她出家，最终妙玉选择了代发修行，此外，她们都擅长写诗，而且妙玉对宝玉也有一定的情愫，所以黛玉和妙玉也有可比性。
假设防空导弹的最远射击斜距R =4 km,无人艇的平均转向角速度ω =0.05 rad/s,艇艏部分形成遮挡的最大仰角θ 1=15°,水平舷角Q 1=15°,上层建筑遮挡的最大仰角θ 2=60°,水平舷角Q 2=145°。取最低发射俯仰角θ 0=0°,发射安全角ΔQ =10°,由目标高度h =0.5 km,根据式(1)可得无人艇防空导弹的射界范围为
(8)
假设目标做匀速曲线运动,目标航向以0.005 rad/s的修正速率向无人艇机动,则其运动方程为
因此,若Q 0不在Q min～Q max之间,无人艇需要提前进行转向机动,改变自身航向,使得目标到达射击点P 时处于防空导弹可射击舷角内,即同时,为提高防空导弹的命中概率和毁伤效果,延长作战反应时间,提升重复拦截能力,无人艇的机动目标还需要满足防空导弹的可靠射击区长度最大,即弦长L 取得最大值。防空导弹对目标的可靠射击区如图5所示。
(9)
目标运动轨迹仿真如图7所示。
班级管理制度是班级所有成员必须共同遵守的规范和准则，是达成班级自主管理的重要保障与必要条件[9]。班级管理制度不完善首先具体表现为没有学生共同遵守的班级条约。而公平合理的班级条约能够对学生的行为起到制约、督促作用，同时也能为班干部的自主管理创造良好的氛围。有些班级因为缺乏统一的班级管理条约，班干部的管理行为缺少令人信服的依据，管理工作难以开展，结果是班干部要么工作勤奋却不见成效，要么工作敷衍而难见成效。
可由式(2)得T 时刻防空导弹射击点P 的坐标(X p ,Y p )为
图6显示了本文所提模型带控制因子与不带控制因子的差别。由于开关攻击会出现不正常的信任波动,所以本文从信任波动的角度设计了控制因子,目的是降低开关攻击节点的值域范围。当引入控制因子后,一旦j的信任值出现不正常波动,那么节点j的信任值域范围将会向下平移,因此更有利于降低开关攻击节点的信任值。
(10)
则射击点P 的方位角Q p 为
(11)
图7 目标运动轨迹图
则目标方位,射击点P 的方位及无人艇航向随时间变化关系如图8所示,由图8可知:
图8 各角度变化曲线
1)无人艇初始航向为0,做曲线运动;
2)在A 点之前,目标处于防空导弹射界之外,求解的射击点P (即目标航路延长线与导弹射距的交点)的方位逐渐减小;
3)无人艇依据射击点P 的方位以平均最大转向角速度转向机动,直到到达A 点对应时刻,
即射击点相对无人艇的舷角刚好等于导弹最小发射舷角;
（3）检查货槽实货与系统信息的准确性。质检部人员每天对主货槽的准确性进行随机抽查，若出现货物对调，则让分拣人员把货物对调回来，若出现货槽内实货数量与系统不符，则去寻找问题的来源，看是否是拣错，还是系统还未跟进等等，到最后做报备。
4)A 点以后,无人艇转向机动始终保持射击点P 相对于无人艇舷角不变,即在曲线中间段,保持射击点P 的方位与无人艇航向之差恒定,为最佳射击舷角Q min;
5)目标进入导弹的射界后,即对应B 点以后,导弹以目标现在点为射击点。此时,导弹具备发射条件。
5 结束语
水面无人艇搭载防空导弹执行防空反导任务时,通过无人艇防空导弹跟踪区及射界计算,可明确无人艇机动的约束条件。以拦截导弹概率最大化目标,可求解出不同航路捷径条件下无人艇机动的最优解。针对不同战场态势,即可确定无人艇机动方案。仿真结果表明,所提出的无人艇防空机动模型及机动方案合理有效,为水面无人艇执行防空反导任务实际运用提供了有价值的参考。
参考文献:
[1]牛轶峰,沈林成,戴斌,等.无人作战系统发展[J].国防科技,2009,30(5):1-11.
[2]李家良.水面无人艇发展与应用[J].火力与指挥控制,2012,37(6):203-207.
[3]韩雁飞.舰空导弹作战使用及指挥控制[J].现代防御技术,2002,30(2):40-43.
[4]王航宇,王士杰,李鹏.舰载火控原理[M].北京:国防工业出版社,2006.
[5]卢发兴,傅冰,石章松,等.舰艇武器控制原理[M].武汉:海军工程大学出版社,2014.
[6]杨裕浩,张源,田华,等.基于模型的舰艇机动系统设计[J].舰船科学技术,2013,35(8):129-131.
[7]潘国民,邓晋.水面舰艇机动仿真模型的仿真度研究[C].第14届中国系统仿真技术及其应用学术年会,2012.
[8]荀杨,韩春亮.舰艇机动软件试验仿真评估方法研究[J].计算机与数字工程,2016,44(12):2356-2359.
Analysis on Air Defense Maneuvering Model and Simulation of USV
YANG Luo-zhang, HU Sheng-liang，LUO Ya-song
(Academy of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Abstract :Based on the combat style of unmanned surface vehicle(USV)equipped with air defense missiles performing air defense and anti-missile missions and the problem of USV maneuvering under the target of maximizing the probability of intercepting missiles, a model is constructed to calculate the tracking area and the shooting range of the USV.The optimal solution of USV maneuvering under different shortcuts is solved.The USV maneuvering scheme is determined for different situations.The simulation results show that the USV anti-aircraft maneuvering model and maneuvering scheme are reasonable and effective.
Key words :USV; air defense and anti-missile; tracking area; shooting range; maneuvering scheme
中图分类号: TP391.9；TJ761.1
文献标志码: A
DOI :10.3969/j.issn.1673-3819.2019.06.005
文章编号： 1673-3819(2019)06-0024-05
收稿日期： 2019-02-23
修回日期： 2019-05-04
作者简介： 杨罗章(1981—),男,安徽桐城人,硕士研究生,工程师,研究方向为信息作战指挥。
胡生亮(1974—),男,博士,教授。
(责任编辑:许韦韦)