Способ оптимальной адаптации маршрута перехвата воздушной цели при нахождении в районе полетов группировки зенитных ракетных комплексов
METHOD FOR OPTIMUM ADAPTATION OF AN AIR TARGET INTERCEPT ROUTE WHEN A GROUP OF AIR DEFENCE SYSTEMS IS IN THE AREA OF FLIGHTS

Изобретение относится к автоматизированным системам управления и может быть использовано в интересах повышения вероятности перехвата воздушной цели при наличии в районе полетов группировки зенитных ракетных комплексов (ЗРК).
В современных военных конфликтах заметную роль играет противоборство пилотируемой авиации и наземных средств противовоздушной обороны. При этом в районах боевого соприкосновения может создаваться как локальная (очаговая) зона огня, так и сплошная зона огня ЗРК с многократными перекрытиями. Это обусловливает необходимость совершенствования способов адаптации маршрута полета к сложным тактическим условиям, в частности, в интересах повышения вероятности вывода перехватчика в район применения оружия.
Одним из наиболее распространенных путей получения этого результата является обход зоны поражения наземных ЗРК, «заимствованный» из многолетней практики облета опасных зон или зон с неблагоприятными условиями. Известен способ траекторного управления летательными аппаратами (ЛА) с облетом зон с неблагоприятными метеорологическими условиями (патент RU 2490170, дата публикации 27.05.2013). В рамках известного способа границу опасной зоны аппроксимируют окружностью, а маршрут ее облета формируют в виде скорректированного курса на основе традиционных методов наведения. Параметры определяют либо на пункте управления, либо непосредственно на борту ЛА. Корректировку курса ЛА начинают тогда, когда расстояние от наводимого ЛА до центра опасной зоны становится меньше определенной величины. Однако применение известного способа для безопасного обхода зоны поражения группировки ЗРК очень значительно удлиняет маршрут полета, что особенно затрудняет выполнение временного баланса при перехвате воздушной цели.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ адаптивно-маршрутного управления пилотируемым аппаратом (патент RU 2568161, дата публикации 27.10.2014).
Основой известного способа адаптивно - маршрутного управления при заданной дислокации группировки ЗРК с известным пространственным распределением плотности вероятности поражения ЛА является расчет маршрута полета, обеспечивающего минимальную опасность полета, достижимую при ограниченности бортового запаса топлива. С этой целью район, доступный для полетов, разбивают на одинаковые дискреты с размерами Δх×Δу, а маршрут аппроксимируют совокупностью прямолинейных участков между центрами соседних дискретов. При этом конечную точку каждого участка маршрута размещают в центре одного из пяти ближайших дискретов, в котором плотность вероятности поражения ЛА достигает значения, наименьшего для перечисленных альтернативных вариантов.
Основной причиной, препятствующей реализации известного способа адаптивно-маршрутного управления (прототип), является сложность получения в явном виде координатной зависимости пространственной плотности вероятности поражения ЛА. Это связано с тем, что опасность поражения ЛА в любой точке опасной зоны определяется не координатами, а общей продолжительностью пребывания ЛА в пределах границ опасной зоны. Кроме того, в случае налаженного информационного взаимодействия в группировке ЗРК, ЛА после кратковременного пребывания в зоне поражения одного комплекса может быть подвергнут обстрелу сразу после входа в зону поражения другого комплекса. Опасность поражения ЛА быстро увеличивается в процессе полета и практически не зависит от координат.
Вторым недостатком прототипа является предполагаемый универсализм маршрута полета пилотируемого аппарата и отсутствие его привязки к типу выполняемой задачи. Это существенно ограничивает рациональность выбора показателя оптимизации маршрута.
Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом способе оптимальной адаптации маршрута перехвата, для реализации которого используется актуальная информация о составе и местах расположения ЗРК, предельных радиусах зоны поражения для всего диапазона высот полета перехватчика, а также о координатных и скоростных параметрах маршрута полета воздушной цели - агрессора.
Задачей настоящего изобретения является повышение вероятности перехвата воздушной цели при наличии в районе полетов группировки ЗРК.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение безопасности преодоления зоны поражения группировки ЗРК и снижение дальности проникновения воздушной цели в охраняемое пространство.
Алгоритм безопасного преодоления составной зоны поражения основан на поиске безопасного коридора обхода опасной зоны и построении маршрута преодоления зоны поражения.
1
2
3
Примеры безопасных коридоров обхода зоны поражения группировки трех ЗРК, расположенных в точках O, О и О, представлены на фиг. 1, где (а) при наличии разрыва между зонами поражения, (б) при отсутствии разрыва между зонами поражения, а их границы выделены жирным пунктиром. Границы зоны поражения комплексов условно обозначены окружностями. Условием существования безопасного коридора между соседними ЗРК является выполнение неравенства:
i
где r(h)- радиус горизонтального сечения зоны поражения i-го ЗРК на высоте h;
i
R - удаление центра зоны поражения i-го ЗРК от точки А;
i
i
i+1
α - азимутальный угол между отрезками AO и AO;
0
b - заданная константа.
Минимальную длину маршрут между точками А и В будет иметь, если в его состав войдут две касательные к границе зоны поражения ЗРК, проведенные из точек А и В, и сопряженная с ними дуга EQ (фиг. 2).
е
е
q
q
i
i
Координаты «узловых» точек маршрута Е(х, у) и Q(x, y) определим, используя заданные свойства ΔAEO и ΔBQO.
а
а
где х, у- координаты точки А;
Аналогичные выражения для координат точки В могут быть получены путем замены индексов а и е в формулах (2) на b и q, соответственно.
Используя известные координаты узловых точек, полную длину кривой AEQB (L) оценим следующим выражением:
Выражения (1)-(3) являются основой для выбора оптимального маршрута, обеспечивающего снижение опасности и длительности полета перехватчика при преодолении опасной зоны. Блок-схема алгоритма расчета элементов оптимального маршрута преодоления зон поражения ЗРК, включающая три блока, представлена на фиг. 3.
Представленный алгоритм обеспечивает адаптацию маршрута преодоления к заданной конфигурации зоны поражения группировки ЗРК и гладкое его сопряжение с дополняющим маршрутом перехвата.
Актуальность уменьшения дальности проникновения воздушной цели в охраняемое воздушное пространство (далее по тексту - дальность проникновения) обусловлена необходимостью перехвата воздушного носителя ракет класса «воздух - земля» до пуска крылатых ракет, то есть - на возможно ранних стадиях его полета. Технические предпосылки реализации раннего перехвата создает увеличение дальности обнаружение воздушных целей современными информационными средствами ПВО и дальности пуска отечественных ракет класса «воздух - воздух».
При решении практических задач построения маршрута перехвата широко применяется упрощенный эвристический подход, основанный на использовании независимости оптимального движения ЛА в вертикальной плоскости от характера его движения в горизонтальной плоскости, а также энергетически оптимальных программ изменения высоты и скорости полета на каждом участке маршрута для конкретного режима работы двигателя и заданного профиля полета ЛА.
Предлагаемый алгоритм оптимизации маршрута перехвата воздушной цели включает определение аналитической зависимости дальности проникновения перехватываемой цели от усредненных значений высоты и скорости полета на каждом из участков маршрута, а также выбор варианта, обеспечивающего минимальную дальность проникновения цели в охраняемое воздушное пространство, при вариации длины балансного участка и дальности пуска ракеты класса «воздух - воздух».
Типовые схемы маршрутов перехвата для прямого перехвата, маневра и атаки в переднюю полусферу цели, а также маневра и атаки в заднюю полусферу цели представлены на фиг. 4, где:
а) - схема маршрута при прямом перехвате;
б) - схема маршрута при маневре и атаке в переднюю полусферу цели;
в) - схема маршрута при маневре и атаке в заднюю полусферу цели;
А - начало маршрута ЛА;
С - начальное положение цели;
РМ - балансный участок маршрута;
CG - дальность проникновения цели;
MD - участок совершения маневра перехватчиком;
Н - положение ЛА в момент пуска ракеты;
G - положение цели в момент поражения ее ракетой «воздух-воздух».
В интересах получения аналитической зависимости дальности проникновения перехватываемой цели от параметров маршрута перехвата в его состав введен балансный участок РМ.
Оптимальный маршрут прямого перехвата строится в виде отрезка прямой линии, протяженность трех участков которой определяется летно-техническими характеристиками ЛА и не зависит от скорости и направления полета цели. Дальность проникновения цели  при этом оценивается выражением:
i
i
ν, t - средние скорость и длительность полета перехватчика на i-м участке,
S - начальное расстояние между целью и перехватчиком (отрезок АС на фиг. 4);
3
p
ν, ν - средние скорости полета цели и ракеты соответственно.
К числу преимуществ выбранной схемы маршрута прямого перехвата (фиг. 4а) следует отнести существование точного решения (4), которое не является универсальным. Область его применения определяется выполнением условия замкнутости ΔACG.
В уравнения, формализующие условия замкнутости треугольников при использовании маневра (фиг. 4б, 4в), кроме неизвестных временных и скоростных характеристик входят также курсовой угол скорости перехватчика (ϕ) и его тригонометрические функции. Вследствие этого системы уравнений, определяющих значения параметров маршрута перехвата при использовании маневра, являются трансцендентными.
Для устранения возникших сложностей курсовой угол используется в качестве параметра, а дальность проникновения при атаке в переднюю полусферу цели  оценивают в виде функции от параметра:
p
в
i,
0
ν, ν, ν R, β, θ - заданные исходные данные.
В рамках данного подхода при маневре и атаке в заднюю полусферу цели получена следующая оценка дальности проникновения:
Минимальная глубина проникновения воздушной цели достигается при значениях параметра  таких, что:
Необходимо отметить, что условием реализуемости решений (5) и (6) является одновременное выполнение неравенств:
пред
Физический смысл условий (8) состоит в том, что дальность обнаружения цели (R) не должна превышать предельно возможного значения (R), а дальность пуска ракеты (r) не должна выходить за пределы диапазона, определяемого ее минимальным и предельным значениями.
Представленные формульные выражения (4)-(6) позволяют получать численные оценки элементов маршрута ЛА при использовании трех алгоритмов сближения перехватчика с воздушной целью. Блок-схема алгоритма расчета элементов оптимального маршрута перехвата, обеспечивающего минимизацию дальности проникновения цели, представлена на фиг. 5.
Представленный алгоритм обеспечивает оптимизацию маршрута ЛА по дальности проникновения воздушной цели, что не является жестким ограничением. Для оптимизации может быть использован любой показатель маршрута, критически влияющий на выполнение цели полета и представимый в виде явной функции от скорости и длительности полета на участках маршрута. В частности, могут быть использованы следующие показатели - дальность или продолжительность полета перехватчика, дальность полета ракеты класса «воздух-воздух» и т.д.
Алгоритмы, представленные на фиг. 3 и 5, предназначены для использования на различных участках полета, а каждый из них реализуется в «автономном» режиме.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для реализации предлагаемого способа оптимальной адаптации маршрута перехвата воздушной цели при нахождении в районе полетов группировки ЗРК используются:
- алгоритмы поиска безопасного коридора и расчета элементов оптимального маршрута преодоления зоны поражения группировки ЗРК;
- алгоритмы расчета элементов оптимального маршрута перехвата при заданном алгоритме сближения с целью.
1
2
3
1
Предлагаемый способ основан на формировании группы двух типов возможных маршрутов, рассчитанных при различных значениях курсового угла скорости перехватчика (ϕ) для известных алгоритмов сближения с целью(s, s, s), а также на определении в этой группе оптимально адаптированного маршрута перехвата, обеспечивающего минимальное проникновение перехватываемой цели в охраняемое воздушное пространство. К первому типу возможных маршрутов относятся маршруты перехвата  проходящие мимо опасной зоны и не требующие адаптации, а ко второму - адаптированные составные маршруты M, проходящие через опасную зону при использовании безопасных коридоров.
1
Типовой состав группы исходных маршрутов перехвата для формирования группы маршрутов  и M представлен на фиг. 6.
Основными исходными данными для построения возможных маршрутов перехвата, представленными на фиг. 6, являются:
А - исходное положение перехватчика;
В - исходное положение воздушной цели, движущейся прямолинейно с постоянной скоростью;
окружности 14-17 - горизонтальные сечения зоны поражения группировки ЗРК на заданной высоте;
безопасный коридор обхода зоны поражения - проход между локальными зонами поражения 15 и 16.
На фиг. 6 приведены два типа маршрутов перехвата:
неадаптированные маршруты перехвата 1, 2, 3, 6, 7 и 8;
адаптированные составные маршруты, в каждом из которых объединены маршрут преодоления зоны поражения 5 и один из группы дополняющих маршрутов 9, 10, 11, 12 и 13.
Маршруты 1 и 2 рассчитаны при использовании маневра и атаке в заднюю полусферу цели для разных значений курсового угла скорости перехватчика. На фиг. 6 их представлено всего два подобных маршрута, но в реальных условиях в зависимости от условий их количество может изменяться в диапазоне от 0 до нескольких десятков. Маршрут 3 является маршрутом прямого перехвата, который существует в единственном числе. Маршруты 6, 7 и 8 рассчитаны при использовании маневра и атаке в переднюю полусферу цели для разных значений курсового угла скорости перехватчика. Количество маршрутов данного типа также может изменяться в диапазоне от 0 до нескольких десятков в зависимости от исходных данных, в числе которых - величина дискрета изменения курсового угла скорости перехватчика. В состав маршрутов  входят только маршруты 1 и 8, проходящие мимо опасной зоны.
Общей частью адаптированных составных маршрутов является оптимальный маршрут преодоления зоны поражения группировки ЗРК (на фиг. 6 - АС), плавно переходящий в один из дополняющих маршрутов перехвата (9, 10, 11, 12 и 13). При этом маршрут преодоления проходит через безопасный коридор между соседними зонами поражения 14 и 15 и обладает минимальной длиной среди всех кривых, не проходящих через опасную зону и соединяющих точки А и С. Дополняющие маршруты перехвата 9 и 10 рассчитаны при использовании маневра и атаки в заднюю полусферу цели для разных значений курсового угла скорости перехватчика, маршруты 12 и 13 - при использовании маневра и атаки в переднюю полусферу цели для разных значений курсового угла скорости, а маршрут 11 - является маршрутом прямого перехвата. Число возможных маршрутов перехвата с использованием маневра при некоторых исходных данных может изменяться от нуля до нескольких десятков.
1
Сопоставление значений глубины проникновения цели, получаемых при использовании маршрутов перехвата  и М, позволяют в качестве оптимально адаптированного выделить адаптированный составной маршрут, объединяющий маршрут преодоления зоны поражения 5 и дополняющий маршрут 9.
0
В качестве показателя оптимизации маршрутов перехвата используется глубина проникновения цели вглубь охраняемой территории, а, как показали результаты анализа, эта глубина пропорциональна длительности полета перехватчика. Это открывает возможность при выборе оптимального маршрута преодоления зоны поражения М выбирать тот, который имеет минимальную длительность.
Реализация предлагаемого способа включает выполнение следующей последовательности действий (фиг. 7).
Выполняют ввод исходных данных 1, включающих состав, характеристики и координаты точек дислокации ЗРК, значения длительности и скорости полета перехватчика на основных участках маршрута, а также координаты, направление и скорость полета цели, вторгшейся в охраняемое воздушное пространство.
Для заданных исходных данных определяют координаты границ горизонтального сечения зоны поражения группировки ЗРК 2. Далее проводят расчет элементов группы маршрутов перехвата для заданных алгоритмов сближения с целью 3, при этом маршруты, основанные на использовании маневра, рассчитывают также для дискретного ряда значений курсового угла скорости перехватчика. В случае отсутствия реализуемых маршрутов перехвата изменяют значения высотно-скоростных показателей полета перехватчика и повторно выполняют проведенные ранее расчеты. Подобные итерации повторяют вплоть до нахождения хотя бы одного маршрута перехвата, для которого выполняются условия реализуемости. Основой для проведения необходимых вычислений являются формулы (4)-(6).
Определяют подмножество маршрутов перехвата, не пересекающих границу зоны поражения группировки ЗРК 4. Параметры маршрутов, для которых выполняется данный критерий, передают в блок 8.
Далее проводят поиск безопасного коридора для преодоления зоны поражения 5 и рассчитывают маршрут обхода 6, вписанный в безопасный коридор и обладающий минимальной протяженностью. Основой для выполнения этих процедур являются формулы (2)-(3) и блок-схема алгоритма, представленная на фиг. 3.
Рассчитывают параметры дополняющих маршрутов перехвата для заданных алгоритмов сближения с целью 7, при этом координаты начала дополняющих маршрутов перехвата рассчитывают на основе уже известных параметров маршрута обхода. Параметры маршрутов, основанных на использовании маневра, рассчитывают при изменении курсового угла скорости перехватчика в пределах возможного диапазона величин и из этого массива выбирают маршрут, при котором достигается минимальная дальность проникновения в охраняемое воздушное пространство при данном алгоритме сближения с целью. Основой для расчетов модифицированных маршрутов являются формулы (4)-(6) и блок-схема алгоритма, представленная на фиг. 5.
Формируют полный набор возможных маршрутов перехвата и выбирают из них оптимально адаптированный маршрут перехвата 8, обеспечивающий наименьшую дальность проникновения воздушной цели в охраняемое пространство.
В качестве условий для осуществления предлагаемого способа необходимо выполнение следующих мероприятий:
- разработка макетов специального программного обеспечения, обеспечивающих автоматическое выполнение всей последовательности процедур, изложенных выше, на этапах планирования (подготовки) и ведения боевых действий;
- создание макета высокопроизводительного вычислительного комплекса, обеспечивающего проведение расчетов в реальных условиях высокой динамики тактической обстановки. По имеющимся данным производительность комплекса должна не менее чем на 4 порядка превышать производительность современного компьютера с типовой комплектацией. Исходя из особенностей применения предлагаемого способа необходимо также обеспечить высокую надежность (отказоустойчивость) вычислительного комплекса. Наиболее подходящей технологией, обеспечивающей наиболее низкобюджетную реализацию изложенных требования, является кластеризация вычислительных ресурсов распределенной группы серверов. На этой основе создаются мощные вычислительные комплексы (кластеры), производительность которых может наращиваться в очень широких пределах, а отказоустойчивость может быть доведена до уровня «пяти девяток» (99,999%);
- сопряжение вычислительного комплекса с информационными и коммуникационными средствами, обеспечивающих актуальность разведданных о составе и дислокации группировки ЗРК. Информационные средства должны обеспечивать проведение постоянного контроля воздушной обстановки в районе полетов, размеры которого превышают тактический радиус действия современных ЛА, и обновление координатной информации с темпом от 10 до 60 секунд. А коммуникационные средства должны поддерживать устойчивую работу производительного канала для защищенной передачи данных на борт ЛА.
Существование коридоров безопасного обхода опасной зоны группировки зенитных ракетных средств, которое предполагается к использованию в предлагаемом способе, обусловлено существенной зависимостью радиуса горизонтального сечения зоны поражения любого наземного ЗРК от высоты этого сечения над землей. Следовательно, непрерывная зона поражения группировки ЗРК может быть создана только в заданном интервале высот полета, тогда как вне этого диапазона групповая зона поражения разбивается на совокупность непересекающихся локальных зон. Зная характеристики и дислокацию ЗРК, а также характеристики ландшафта окружающей местности можно определить предельные радиусы поражения для различных высот.
Для оценки реализуемости предлагаемого способа был разработан макет аппаратно-программного комплекса автоматизированного формирования маршрута полета ЛА в условиях очаговой структуры противовоздушной обороны при использовании изложенных выше алгоритмов сближения с целью.
Результаты исследований свидетельствуют о возможности автоматического формирования маршрута полета, что составляет основу реализации предлагаемого способа. В целом величина положительного эффекта, получаемого за счет адаптации маршрута, очень чувствительна к дислокации и составу группировки средств противовоздушной обороны противника.