基于目標(biāo)姿態(tài)的彈目碰撞檢測(cè)模型

王　剛，梅　衛(wèi)，劉　恒

（軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

基于目標(biāo)姿態(tài)的彈目碰撞檢測(cè)模型

王剛，梅衛(wèi)，劉恒

（軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003）

為通過(guò)彈目碰撞檢測(cè)統(tǒng)計(jì)命中彈數(shù)并計(jì)算武器系統(tǒng)的命中概率，研究建立基于目標(biāo)姿態(tài)的彈目碰撞檢測(cè)模型，根據(jù)目標(biāo)外形建立等效幾何體，利用空間解析幾何分析彈丸與目標(biāo)的位置關(guān)系，給出彈丸與目標(biāo)碰撞的判讀條件和計(jì)算公式。該模型不用考慮復(fù)雜的坐標(biāo)變換，不涉及力學(xué)和動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，能夠高效地進(jìn)行彈目碰撞檢測(cè)。仿真實(shí)例結(jié)果表明：目標(biāo)姿態(tài)能對(duì)碰撞檢測(cè)產(chǎn)生明顯影響，忽略目標(biāo)姿態(tài)的檢測(cè)模型會(huì)造成錯(cuò)判和漏檢；同時(shí)也驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

仿真；碰撞檢測(cè)；命中概率；解析幾何；姿態(tài)

0　引　言

命中概率和毀殲概率是評(píng)定武器系統(tǒng)射擊效率的重要指標(biāo)[1]，是武器系統(tǒng)效能分析的重要研究?jī)?nèi)容。在對(duì)炮彈、導(dǎo)彈和彈藥拋射的殺傷元素等進(jìn)行命中概率和毀殲概率計(jì)算時(shí)需要統(tǒng)計(jì)命中彈丸數(shù)，所以進(jìn)行彈丸與目標(biāo)的碰撞檢測(cè)是確定射擊效率的必要步驟。

文獻(xiàn)[2]利用運(yùn)動(dòng)原理將彈丸和目標(biāo)在地面坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換化為彈丸在目標(biāo)坐標(biāo)系中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算彈丸運(yùn)動(dòng)軌跡與目標(biāo)等效體表面的交點(diǎn)獲得命中信息。文獻(xiàn)[3]將目標(biāo)各頂點(diǎn)從目標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到地面坐標(biāo)系，把碰撞檢測(cè)的問(wèn)題模擬成一線性規(guī)劃方程。文獻(xiàn)[4]建立射彈實(shí)體原點(diǎn)和頂點(diǎn)在目標(biāo)實(shí)體坐標(biāo)系中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，以及目標(biāo)幾何等效體殼體方程，并用逐步搜索法檢測(cè)射彈實(shí)體頭部頂點(diǎn)與目標(biāo)的碰撞。文獻(xiàn)[5]在碰撞檢測(cè)時(shí)將殺傷破片和目標(biāo)從世界坐標(biāo)系變換到以飛散錐頂點(diǎn)為原點(diǎn)的新坐標(biāo)系，通過(guò)設(shè)置分級(jí)包圍盒進(jìn)行逐級(jí)相交檢測(cè)。以上方法都較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)彈目標(biāo)的碰撞檢測(cè)，但坐標(biāo)變換和相對(duì)方程的建立使得計(jì)算量明顯增加，對(duì)較大規(guī)模的武器系統(tǒng)效能評(píng)估的仿真實(shí)時(shí)性產(chǎn)生局限和影響。

本文對(duì)武器系統(tǒng)效能分析數(shù)字仿真中彈丸與目標(biāo)的碰撞檢測(cè)進(jìn)行研究，通過(guò)建立目標(biāo)等效幾何體簡(jiǎn)化目標(biāo)外形，分析彈丸與目標(biāo)的空間位置關(guān)系以及目標(biāo)姿態(tài)與對(duì)彈目碰撞的影響，將目標(biāo)姿態(tài)引入命中檢測(cè)的判定條件，并給出算法流程和計(jì)算公式。

1　碰撞檢測(cè)模型

在建立模型前需選擇合適的參考系和建立合適的坐標(biāo)系，火控系統(tǒng)中常用直角坐標(biāo)系如圖1所示[6]。選取炮口位置O作為坐標(biāo)原點(diǎn)，過(guò)O點(diǎn)作平行于水平面的平面，稱為炮口水平面Z，并把它選作坐標(biāo)平面，一般常選取正東方向?yàn)閄軸正向，正南方向?yàn)閅軸正向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正向，目標(biāo)位置M由坐標(biāo)（x，y，z）確定。

圖1　參考直角坐標(biāo)系示意圖

在模型中目標(biāo)姿態(tài)的定義如圖2所示，在參考直角坐標(biāo)系O-XYZ下，目標(biāo)在飛行過(guò)程中機(jī)體縱軸線與水平面X-O-Y的夾角為俯仰角λ，如圖2（a）所示；目標(biāo)在水平面投影運(yùn)動(dòng)方向與Y軸正方向的夾角為航向角θ，如圖2（b）所示。

圖2　目標(biāo)俯仰角和航向角圖示

在有飛行控制系統(tǒng)的仿真中，目標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)可以直接從飛行控制系統(tǒng)獲得[7]。如果目標(biāo)飛行控制系統(tǒng)選取的大地坐標(biāo)系與炮位置坐標(biāo)系不重合，可根據(jù)兩坐標(biāo)系的關(guān)系進(jìn)行角度修正。在沒(méi)有飛行控制系統(tǒng)的仿真中目標(biāo)航跡的生成部分將目標(biāo)視為質(zhì)點(diǎn)[8]。忽略攻角和側(cè)滑角的影響時(shí)目標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)可以通過(guò)航跡的變化近似解算。假設(shè)在炮位置坐標(biāo)系下目標(biāo)的坐標(biāo)為（xa，ya，za），i為仿真節(jié)點(diǎn)，單位時(shí)間Δt內(nèi)坐標(biāo)的變化為（Δxa，Δya，Δza），則

由圖2和三角函數(shù)關(guān)系易知，目標(biāo)俯仰角的算式為

圖3　俯仰角與目標(biāo)位置變化的關(guān)系（側(cè)視）

圖4　航向角與目標(biāo)位置變化的關(guān)系（俯視）

俯仰角與目標(biāo)位置變化關(guān)系如圖3所示。圖4為航向角的3種情況，圖4（a）為Δya＜0時(shí)的示意圖，圖4（b）為Δya≥0且Δxa＜0時(shí)的示意圖，圖4（c）為Δya≥0且Δxa≥0的示意圖。目標(biāo)的航向角可由下式計(jì)算得到。

同樣在圖1所示的坐標(biāo)系框架下建立目標(biāo)等效空間幾何體，如圖5所示。r1、r2分別為等效圓柱體的長(zhǎng)度和橫截面直徑，其質(zhì)點(diǎn)為A，頂面中心和底面中心分別為B和C。

圖5　目標(biāo)等效幾何體和彈目相對(duì)位置示意圖

根據(jù)目標(biāo)的俯仰角λ和航向角θ，得目標(biāo)機(jī)體運(yùn)動(dòng)方向單位向量為

設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為（xa，ya，za），則B點(diǎn)和C點(diǎn)的坐標(biāo)

彈丸與機(jī)體中心縱軸（直線BC）的距離為d1，與機(jī)體中心A所在橫截面的距離為d2。

由矢量ν和點(diǎn)A（xa，ya，za）可得機(jī)體中軸線BC的參數(shù)式方程為

由空間中點(diǎn)到直線和平面的距離公式[9]可得彈丸位置P（xp，yp，zp）和機(jī)體中心軸的距離為

如果彈丸與目標(biāo)中心縱軸的距離小于半徑且彈丸與目標(biāo)中心橫截面的距離小于長(zhǎng)度的一半，則彈丸位于目標(biāo)體內(nèi)部，彈目一定發(fā)生碰撞，由此目標(biāo)受彈的判讀條件為

由命中彈數(shù)和發(fā)射彈數(shù)即可實(shí)現(xiàn)命中概率的統(tǒng)計(jì)法計(jì)算。

2　仿真實(shí)驗(yàn)

以俄羅斯AS-4C Kitchen遠(yuǎn)程空對(duì)地導(dǎo)彈為例，彈長(zhǎng)為11.67 m，彈體直徑為0.92 m，將該目標(biāo)等效為11.67m×0.92m的等效圓柱體。

某時(shí)刻彈丸與導(dǎo)彈幾何中心的相對(duì)距離為

當(dāng)航向角為0，俯仰角在[-π/2，π/2]范圍變化時(shí)對(duì)d1和d2的影響如圖6所示，當(dāng)俯仰角為[-1.189，-0.8796]時(shí)判定命中。當(dāng)俯仰角為0，航向角在[π/2，3π/2]范圍變化時(shí)對(duì)d1和d2的影響如圖7所示，當(dāng)航向角為[2.482，2.681]時(shí)判定命中。

仿真結(jié)果表明，目標(biāo)姿態(tài)能對(duì)彈目碰撞判定產(chǎn)生較明顯的影響，特別是對(duì)類似巡航導(dǎo)彈的小型目標(biāo)，忽視目標(biāo)姿態(tài)的碰撞檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的誤判和漏檢，最終影響對(duì)命中概率和毀殲概率的評(píng)估。

圖6　目標(biāo)俯仰角對(duì)計(jì)算d1和d2的影響

圖7　目標(biāo)航向角對(duì)計(jì)算d1和d2的影響

另外，在某碰撞檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)中將仿真步長(zhǎng)0.2s分為200個(gè)離散點(diǎn)，每發(fā)彈丸與目標(biāo)各有200個(gè)空間位置參數(shù)，該批次彈丸共有22發(fā)，即單仿真步長(zhǎng)內(nèi)需要進(jìn)行4400次命中判定，在Matlab環(huán)境下的平均計(jì)算時(shí)間為1.746×10-3s（如圖8所示），能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。

圖8　碰撞檢測(cè)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)仿真

3　結(jié)束語(yǔ)

本文建立了武器系統(tǒng)效能分析數(shù)字仿真中基于目標(biāo)姿態(tài)的彈目碰撞檢測(cè)模型，通過(guò)建立目標(biāo)等效幾何體簡(jiǎn)化目標(biāo)外形，利用解析幾何分析彈丸與目標(biāo)的空間位置關(guān)系，將目標(biāo)姿態(tài)引入命中檢測(cè)的判定條件，給出了彈目碰撞檢測(cè)的計(jì)算公式。仿真結(jié)果表明目標(biāo)姿態(tài)會(huì)對(duì)碰撞檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，該算法準(zhǔn)確、可行、高效，具有較好的工程實(shí)用性。

[1]肖元星，張冠杰.地面防空武器系統(tǒng)效費(fèi)分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：213-220.

[2]齊占元，徐文旭，張更宇.設(shè)計(jì)仿真過(guò)程的命中判斷方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2003，24（1）：30-33.

[3]于冀國(guó)，陳家照.一種導(dǎo)彈與目標(biāo)碰撞檢測(cè)的仿真模型[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：1073-1075.

[4]鄭曉輝，趙曉哲，孫永侃.射擊仿真過(guò)程中實(shí)體碰撞命中檢測(cè)模型研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（1）：37-40.

[5]張宇宏，胡亞海，彭曉源，等.基于HLA的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真平臺(tái)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19（1）：1-4.

[6]劉銳，盛安冬.不完全隨機(jī)有偏量測(cè)下高炮火控系統(tǒng)諸元誤差統(tǒng)計(jì)特性分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31（2）：229-234.

[7]徐海亮，李駿揚(yáng)，費(fèi)樹(shù)岷.全數(shù)字飛行仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，41（1）：113-117．

[8]趙晶，劉義，來(lái)慶福，等.反艦導(dǎo)彈攻防對(duì)抗仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24（10）：2108-2130.

[9]數(shù)學(xué)手冊(cè)編寫組.數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2004：92-99.

（編輯：李妮）

Model of projectile-target collision detection based on target attitude

WANG Gang，MEI Wei，LIU Heng
（Electronic and Optical Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to calculate the hitting projectiles number and hitting probability of weapon system，a collision detection model based on target attitude was developed.Equivalent geometry of the target was built and the space location relation between shell and target was analyzed by analytic geometry at the same time.Then the judging condition and the calculating expressions of collision detection were proposed.The model can calculate hitting projectiles efficiently by evading coordinate transformation and dynamics.Simulation results indicated that collision detection must take the target attitude into account because the detection judgment could be affected by the target attitude markedly.They also illustrated that the algorithm had good accuracy and real-time characteristics.

simulation；collision detection；hitting probability；analytic geometry；attitude

A

1674-5124（2016）03-0081-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.019

2015-02-29；

2015-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61141009）國(guó)防“十二五”預(yù)研項(xiàng)目（40405070102）

王剛（1988-），男，山東日照市人，博士，研究方向?yàn)榛鹂?、指控和制?dǎo)系統(tǒng)理論與應(yīng)用。