基于行为模型的飞机目标想定模型自动生成与实现∗

殷 哲 闫抒升 李连华 李广强

（空军预警学院 武汉 430019）

1 引言

雷达预警模拟训练模型中心是雷达预警模拟训练体系公共基础支撑条件的重要组成部分，能够提供各类模型资源，并对模型进行存储、调用和管理，为各类训练信息系统和训练模拟器材运行提供模型服务，从而产生并输出各类目标实体数据，使得雷达预警模拟训练更加贴近实战，提升模拟训练质量效益。飞机目标行为模型是模型中心的模型资源库中重要目标模型之一，可为雷达模拟器提供飞机目标数据，是实现雷达预警模拟训练自动生成想定航线的基础模型。因此，构建飞机目标行为模型是建设雷达预警模拟训练模型中心的关键技术之一。

目前，国内外对飞机的航迹模拟仿真已经比较成熟，例如文献［1～7］提出飞机目标直线运动模型、圆弧运动模型、跑道线运动模型、“∞”字运动模型等典型运动模型；文献［8～9］还提出了预警机跑道形和横8字形巡逻航线。总的来看，现有资料主要对飞机目标的典型运动模型进行了研究或基于上述模型对预警机雷达探测进行了分析。虽然提出了空中目标运动模型在模拟仿真想定生成中的运用，但也仅描述了飞机目标在空中的运动状态，并未描述飞机目标从起飞、执行任务到降落的完整过程，而这一实际过程是完成雷达预警模拟训练探测飞机目标的关键组成部分。此外，文献中大多通过给定的多个航路点综合成一条多边形航线，进行曲线拟合从而生成航线或是将飞机典型运动模型进行组合，在二维态势图上拖动目标进行拐点定位，无法实现通过给定任务区域及要求即自动生成目标航线。

本文基于飞机目标典型运动模型，结合雷达预警模拟训练和航空兵训练的战术背景与要求，对预警模拟训练中飞机目标行为模型进行了分类及分析研究，提出了想定生成模型，实现了根据训练内容，输入边界控制条件，从而自动生成想定航线，完整描述飞机目标起降、执行任务过程的功能。相较于当前手动绘制想定航线时只能就单批想定目标绘制航线的方法，大幅提高了想定制作的便捷性，提高了想定生成的质量和效率。

2 飞机目标想定模型

根据相关训练法规要求，本文将预警模拟训练中飞机目标想定模型分为如下三类：

1）“转场想定模型”是指飞机从起始地点机动至预定地点的运动过程，是执行作战任务时采用较多的战术行为之一。

2）“警巡想定模型”主要用于模拟航空兵在一定时间和空域内，使用少量兵力进行空中巡查、警戒；模拟使用航空器进行侦察；监视空中、水面目标，为有关指挥所和作战单元提供空情等战斗行动，能够实现区域巡逻和规划航线巡逻。

3）“训飞想定模型”是指用于模拟飞行训练的航迹模型。其中，较多采用“∞”字飞行轨迹，是飞行员进行领航等专业训练的基础。

3 飞机目标想定生成算法

3.1 飞机目标转场想定模型

在转场想定生成的算法中，通过确定飞机的起始位置（控制点）、高度和目标速度和飞行时间来实现航线自动生成。如图1所示，首先根据想定内容确定起始点A、F，转场模型中需要经历爬升运动阶段AB、改平阶段BC、直线飞行阶段CD、俯冲预备阶段DE和俯冲运动阶段EF。

图1 转场模型侧视平面图

爬升阶段AB中，A、B点坐标为A(XA,YA,ℎA)，B(XB,YB,ℎB)，飞机俯仰角为α，加速度为a，初始速度为v0，在任一Ai时刻速度为Vi，设置增速后速度为VN，按照仿真步长 ∆t推算目标飞行位置，其推算模型为

俯冲阶段EF中，飞机俯仰角为−α，做减速运动，模型与上式一致。

图中BC、DE阶段，通过调整俯仰角α实现飞机改平和俯冲的航向变换。

直线运动中，C、D点坐标为C(XC,YC,ℎ)，D(XD,YD,ℎ)，飞机目标沿航向β运动，在任一Ci时刻速度为Vi，设置增速后速度为VM，则模型自动查询数据库所设定型号飞机该高度层常用加速度a，按照仿真步长 ∆t推算目标飞行位置，在每一个周期判断当前速度Vi+1是否大于或等于VN，是则改变状态以VN速度匀速运动并按照匀速运动模型推算，否则继续按照加速运动模型推算，其推算模型为

在基于仿真步长推算过程中，需要在每一个周期判断当前速度Vi+1是否大于或等于VM，是则改变状态以VM速度匀速运动并按照匀速运动模型推算，否则继续按照加速运动模型推算。

3.2 飞机目标警巡想定模型

生成飞机目标警巡模型的想定模型时，通过确定警戒巡查地域的中心点坐标、警巡范围、飞机起降点坐标、飞行高度、飞行速度和飞行时间，来自动生成想定航线。如图2所示，首先，根据预先确定的航线中心点M与特征点之间的位置关系，模型自动确定航线特征点A、B、C的坐标。其次，模型处理时，由于警巡想定模型可以分解为直线运动模型AC、DE、EA和圆弧运动模型CD、EB的组合，因此生成航线时可以基于不同运动形态进行分段处理，直线运动阶段可参考前述相关内容。运动方向如图2所示，完成警巡后，飞机从E点返回起始点A。

图2 警巡模型俯视平面图

计算圆弧运动时，以CD段为例：

其中v为飞机目标飞行速度，g为重力加速度，c为飞机转弯坡度；

2）根据想定计划确定飞机转弯方向；

3）根据C点位置，半径r和AC向转弯方向的垂直矢量确定圆心O的位置；

4）∠DOE=a*cos(r EO)，EO为O到E点的距离（EO≥r）；

5）OE的矢量方向：K1=a*tan(YE−YOXE−XO)；

6）当飞机目标向左转时：OD的方向矢量K2=K1+∠DOE；

当飞机目标向右转时：OD的方向矢量K2=K1−∠DOE；

7）根据上式中得到的K2，半径r和圆心O的坐标来确定D点位置。假定飞机转弯坡度为45°，且飞机在第i−1个仿真步长时间结束时位于点Wi−1，经过一个仿真步长 ∆t，到达点Wi处，航向为β，切向速度为V，那么点Wi的坐标为

（1）飞机向左转时

3.3 飞机目标训飞想定模型

确定训飞区域和中心点O的位置信息，输入飞行高度、速度、时间，算法根据O点与控制点E、F的位置关系确定E、F点坐标，来自动生成想定航线。其中，飞行时间不小于飞机完成一次训飞任务的时间。如图3所示，航线由直线运动和圆弧运动组成。其中O→B、C→D、A→O为直线运动阶段；B→C、D→A为圆弧运动阶段。仿真时，可分别参照前述直线运动和圆弧运动模型进行分段处理。

图3 训飞模型俯视平面图

4 模拟训练飞机目标想定自动生成仿真

4.1 坐标转换模型

由于仿真过程中需要用到机体坐标系与大地坐标系两种坐标系统，为解决可能出现的地图处理与相关态势信息系统（MGS）的2D和3D态势呈现不一致等问题，本文中的模型处理采用WGS-84大地坐标（L，B，h），机体坐标（X，Y，Z），其中Y轴正向代表正北方向，X轴正向代表正东方向，Z轴方向垂直于水平面，向上为正向，向下为负向。构建模型时，需要将经纬度坐标转换为空间直角坐标，处理完毕后转回经纬度坐标进行图形数据显示［11～13］。

4.2 飞机目标想定模型生成仿真

以南京禄口国际机场（经纬度：118.78，32.05）为想定的初始位置，任务高度为8305m，飞行速度为200m/s，时间为各想定模型至少完成一次任务为时间起点，仿真步长为均为0.4s，仿真结果如下。

1）转场想定模型以南京禄口国际机场（经纬度：118.78，32.05）至北京首都国际机场（经纬度：116.5，39.37）航线为例，飞机从南京至北京的转场任务中，模拟飞机实际飞行过程的爬升、改平、平直飞行、减速飞行、低头、俯冲等运动。其仿真结果如图4所示。

图4 飞机目标转场模型仿真示例

2）警巡想定模型如图5所示，A（118.8，32.05，300）点为飞机初始位置，巡航2圈，警巡区域范围如图5所示。仿真过程中，输入中心点B（117.5，33.25，8035）的经纬度坐标，模型开始自动生成飞机目标从A地起飞，于B地地域附近警戒、巡查，最后返回至A地的航线。

图5 飞机目标警巡模型仿真示例

3）训飞想定模型飞机目标飞行训练中，通常采用“∞”字飞行路径进行训练，如图6所示，根据想定内容确定飞行训练区域范围，飞机从A（118.8，32.05，300）地起飞，以B（118.8，32.04，8305）为中心点进行训练飞行，绕行2圈，最终返回A地。

图6 飞机目标训飞模型仿真示例

5 自动生成实现

生成想定模型的过程主要是由想定自动生成软件调用模型资源库中的飞机目标行为模型，结合依据模拟训练需求制定的训练脚本即任务基本信息进行转换和编辑，进而生成飞机目标想定模型的仿真数据，由态势显示工具加载仿真数据态势并同步数字地图展现给用户。

5.1 想定自动生成软件构成

如图7（a）中，想定编辑部件即为想定自动生成软件。其架构如图7（b）所示，实际模拟训练中，训练脚本转换模块将脚本转换为可供调用的想定数据，在软件界面上录入作战行动后，背景想定编辑模块调用想定数据进行编辑，最终生成想定模型。其中，本文提出的想定模型算法主要为软件中想定编辑模块的运算处理提供支持。

图7 想定自动生成软件构成

5.2 飞机目标想定模型解算流程

想定生成的算法实现逻辑如图8所示，为了得到比较可靠的航线数据，想定自动生成软件可根据脚本信息自动设置合适的步长，还可根据需要在编辑界面手动修改。本文演示的飞机目标步长为0.4s，即每隔0.4s计算飞机位置并吐出数据。

图8 想定生成解算流程图

根据解算流程，飞机目标自动生成实现步骤如下：

Step1 启动仿真。想定生成软件调用飞机目标行为模型，根据训练脚本确定目标任务的边界条件和可变参数，生成训练想定。

Step2 想定编辑。读取想定中的边界条件和可变参数。获取飞机目标当前位置和速度等状态信息，获取目标点信息。

Step3 模型解算。根据步长和最近更新时间迭代计算，计算方向矢量和转弯半径，根据速度和方向矢量的夹角判断进行直线飞行或曲线飞行，同时更新一个积分步长内的飞机速度和位置等状态信息。

Step4 判断飞机是否到达目标点或到达当前仿真时间，若满足其一，则记录并更新飞机状态信息，结束仿真输出态势信息至雷达模拟器；若均为到达，则重复进行step3，直至飞机到达目标点或当前仿真时间。

5.3 应用实例

根据设定的训练内容在图7（a）和（b）（（b）图为（a）图子菜单）所示界面中输入任务类型、区域范围、中心点坐标、起始位置经纬度坐标、初始速度、任务高度等想定编辑参数。仿真开始后，软件根据输入的参数实现目标航迹数据生成并进行二维态势显示，显示内容加载在电子地图上，同时发送至数据总线供雷达模拟器调用。如图9所示的飞机目标航线为想定生成软件产生的“转场想定模型”、“训飞想定模型”和“警巡想定模型”。

图9 软件应用界面

6 结语

飞机目标想定的生成效率越高，越符合实际，对雷达预警模拟训练的促进作用就越显著。本文通过研究和仿真模拟，提出了具有战术实践意义的飞机目标行为想定自动生成的方法。从实际应用结果来看，本文提出的三种基于飞机目标行为的想定自动生成模型，能够较好地模拟作战飞机的典型战术行为，满足模拟训练需求，提高训练效率，能够为雷达模拟器探测飞机目标提供快速有效的数据支撑。