基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估方法及系统

技术领域

本发明属于机场毁伤评估技术领域，具体涉及基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估方法及系统。

背景技术

机场是空中力量生存和作战的基地，承担着军队航空兵的日常训练、战备、作战等任务，目前机场跑道的主要威胁为子母弹、撒布式覆盖武器等。为研究子母弹对机场跑道的毁伤程度和打击效果，需要对子母弹打击机场跑道开展毁伤评估。毁伤效能评估实现的基础是作战单元和被打击目标的基本技术战术参数。狭义的讲，毁伤效能评估的对象是一组“弹药-目标”体系进攻防对抗的结果。该结果不仅取决于攻击武器的弹目交汇特征、引信作用机制以及战斗部终点效应模式和威力，还取决于目标的结构形式和关键部件固有的安全性、防护装置的效能和结构强度。

机场跑道毁伤评估是指对机场实施打击后,对机场的毁伤效果进行的综合评估。其评估准则基础的一点为：在布满弹坑的跑道上，若能找到一个矩形区域满足飞机起飞的综合条件，则认为机场跑道毁伤失败；否则认为产生毁伤。

现有针对机场跑道毁伤评估的研究主要包括：(1)应用四阶龙泽库塔方法求解反跑道子母弹子弹的落点坐标及终点落速；(2)在机场跑道目标易损性分析的基础上，提出一种机场跑道毁伤评估判定方法，基于蒙特卡洛抽样方法建立子母弹对机场目标毁伤效能计算模型；(3)基于计算机仿真技术和蒙特卡罗方法,建立机场跑道目标评估方法，包括跑道的数学模型、飞机的起降模式、子母弹散布的数学模型和遍历算法。综合上述对机场跑道毁伤评估的不同研究可以看出机场跑道毁伤评估相关研究虽然较多，但其评估算法大多运用遍历算法，传统遍历算法运算时间比较缓慢，影响了机场跑道毁伤评估的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估方法及系统，找出炸点稀疏区域并优先在炸点稀疏区域进行遍历搜索机场跑道最小飞行区域，大大提高了机场跑道毁伤评估效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估方法，包括以下步骤：

步骤一、建立地面坐标系和弹体坐标系，获取导弹瞄准点坐标、随机弹道方向和拦截点的坐标，构建随机弹道方程，获取母弹开舱点坐标；

步骤二、假定母弹开舱后，子弹群周向对称抛撒且始终在一个平面上，分布均匀，根据母弹开舱点的坐标，获取子弹落点在地面上的分布区域方程，建立子弹散布区域坐标系，基于蒙特卡洛抽样法获取子弹落点在子弹散布区域坐标系中的坐标，将子弹落点在所述子弹散布区域坐标系中的坐标变换得到子弹在地面坐标系中的坐标；

步骤三、假设落在跑道上的子弹100％有效，将矩形机场跑道划分为多个边长为1的矩形块，子弹的炸点坐标对应边长为1的矩形块，利用K近邻判断炸点稀疏程度，构建点密集度打分机制，通过卷积运算获取各个炸点处的点密集度分数，根据分数判断机场跑道内各个炸点处的点密集度，找出炸点稀疏区域；

步骤四、根据机场跑道毁伤评估准则，运用面积法优先在所述炸点稀疏区域内搜索是否存在满足飞机起飞条件的最小飞行区域。

进一步地，所述步骤一具体包括：

步骤11、假设导弹末端弹道为直线，所选地面坐标系为OXYZ，选定导弹瞄准点坐标为(X

步骤12、在弹体坐标系oxyz中，oxz平面为制导平面，根据导弹的圆概率偏差CEP，基于蒙特卡洛模拟获取导弹在制导平面上的拦截点坐标，

x＝x

制导平面随机拦截点的坐标表示为：z＝z

步骤13、根据所述导弹瞄准点坐标、所述随机弹道方向以及制导误差，获取制导平面随机拦截点在地面坐标系上的坐标：

步骤14、根据所述步骤12和步骤13，得到随机弹道方程为：

步骤15、根据所述随机弹道方程，选定导弹瞄准点(X

进一步地，所述步骤二中建立子弹散布区域坐标系，基于蒙特卡洛抽样计算子弹落点坐标具体包括：

步骤21、基于子弹群在同一平面上均匀分布的假设，子弹在弹体坐标系上的分布范围近似表示为：

步骤22、以母弹虚拟落点为坐标原点，建立X

步骤23、通过随机抽取所述子弹散布区域坐标系中的子弹落点坐标序列，获得子弹落点在地面坐标系中的坐标：

进一步地，所述步骤三具体包括：

步骤31、机场跑道是长为M、宽为N的矩形区域，将所述矩形区域分割为M×N个边长为1的矩形块，每个边长为1的矩形块均对应一个炸点的坐标点，将所述矩形区域用M×N的矩阵A表示：A

步骤32、利用K近邻算法查找被预测点附近的样本点，基于欧式距离

步骤33、构建打分机制，对所述被预测点与所述被预测点附近的样本点之间的距离打分，距离越近则分数越高，定义点密集度公式为

步骤34、计算所述步骤31中矩形区域内各个炸点的点密集度：根据所述打分机制构建一个m×n的卷积核h，其中，m和n均为奇数，被预测点与样本点之间对应距离的得分作为卷积核的权重，根据所述矩形区域的矩阵A，得到卷积运算公式为：

进一步地，所述点密集度指的是被预测点附近的样本点数量越多、且距离被预测点距离越近则认为被预测点处点密集度越大。

进一步地，所述步骤四中的面积法为：优先在炸点稀疏区域内遍历选取最小飞行区域，连接所述炸点稀疏区域中的任一炸点与满足飞机起飞条件的最小飞行区域的顶点，所述最小飞行区域为矩形，所述炸点与所述最小飞行区域的四个边构成四个三角形，根据最小飞行区域的面积与四个三角形的面积之和的大小关系，判断所述炸点是否位于最小飞行区域内。

一种基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估系统，包括炸点计算模块和毁伤评估模块，所述炸点计算模块用于依次初始化弹道参数、弹药参数和目标列表参数，并根据所述弹道参数、弹药参数和目标列表参数，基于蒙特卡洛方法计算出拦截点坐标和炸点坐标，并将所述炸点坐标传递至毁伤评估模块；所述毁伤评估模块用于根据接收到的炸点坐标，利用K近邻判断所述炸点稀疏程度，并通过卷积运算对炸点稀疏程度进行打分，运用遍历法搜索最小飞行区域，最终输出评估结果。

进一步地，所述弹道参数包括导弹入射角、导弹瞄准点坐标、方位角、圆概率偏差以及开舱高度，所述目标列表参数包括机场跑道的长度、宽度和满足飞机起飞条件的最小飞行区域的长度、宽度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明运用蒙特卡洛方法结合子母弹炸点分布算法模拟子弹在机场跑道的落点，数学模型简单，计算出的毁伤概率有效。

2、本发明基于K近邻卷积算法对传统遍历算法进行改进，该算法能够智能选择炸点稀疏区域，优先在炸点稀疏区域进行遍历选取机场跑道最小飞行区域，大大加快了机场跑道最小飞行区域的评估速度。

3、本发明设计的机场跑道毁伤评估系统，能够实际应用于真实打击模式的打击场景时，评估效率高且评估结果准确。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中机场跑道毁伤失败示意图。

图2为本发明中机场跑道毁伤成功示意图。

图3为本发明中机场跑道毁伤评估系统流程图。

图4为本发明中地面坐标系和弹体坐标系示意图。

图5为本发明中子弹在地面上的分布示意图。

图6为本发明中机场跑道中的炸点示意图。

图7为本发明中矩形区域分割示意图。

图8为本发明实施例1中的矩形区域、炸点以及最小飞行区域示意图。

图9为本发明实施例1中的毁伤评估结果示意图。

图10为本发明实施例2中工况1的机场跑道毁伤示意图。

图11为本发明实施例2中工况1的机场跑道毁伤评估结果示意图。

图12为本发明实施例2中工况2的机场跑道毁伤示意图。

附图标记说明:

1—机场跑道；2—炸点；3—最小飞行区域。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-12所示，一种基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估方法，包括以下步骤：

步骤一、如图4所示，建立地面坐标系和弹体坐标系，获取导弹瞄准点坐标、随机弹道方向和拦截点的坐标，构建随机弹道方程，获取母弹开舱点坐标。具体步骤包括：

步骤11、假设导弹末端弹道为直线，所选地面坐标系为OXYZ(O点为目标的几何中心点)，选定导弹瞄准点坐标为(X

步骤12、在坐标系oxyz中，oxz平面为制导平面，导弹在制导平面上的拦截点由导弹的圆概率偏差CEP决定，根据导弹的圆概率偏差CEP，基于蒙特卡洛模拟获取导弹在制导平面上的拦截点坐标，制导平面随机拦截点的坐标表示为：

步骤13、根据所述导弹瞄准点坐标(X

步骤14、根据所述步骤12和步骤13，得到随机弹道方程为：

步骤15、根据所述随机弹道方程，选定导弹瞄准点(X

步骤二、假定母弹开舱后，子弹群周向对称抛撒且始终在一个平面上，分布均匀，根据母弹开舱点的坐标，获取子弹落点在地面上的分布区域方程，建立子弹散布区域坐标系，基于蒙特卡洛抽样法获取子弹落点在子弹散布区域坐标系中的坐标，将子弹落点在所述子弹散布区域坐标系中的坐标变换得到子弹在地面坐标系中的坐标；

所述步骤二中建立子弹散布区域坐标系，基于蒙特卡洛抽样计算子弹落点坐标具体包括：

步骤21、基于子弹群在同一平面上均匀分布的假设，以及导弹的末端弹道为直线的假设，可以得到如图5所示的子弹在地面上的分布示意图。子弹在弹体坐标系上的分布范围近似表示为：

步骤22、以母弹虚拟落点为坐标原点，建立X

步骤23、通过随机抽取所述子弹散布区域坐标系中的子弹落点坐标序列，获得子弹落点在地面坐标系中的坐标：

步骤三、假设落在跑道上的子弹100％有效，依据机场功能特性和毁伤概率模型，如果机场跑道1在导弹攻击后仍有一个最小的飞行区域，那么破坏的概率是0；反之，如果没有，破坏的概率就是1，因此将机场跑道1的毁伤判断工作集中在寻找并判断最小飞行区域3上。将矩形机场跑道1划分为多个边长为1的矩形块，子弹的炸点坐标对应边长为1的矩形块，利用K近邻判断炸点2稀疏程度，构建点密集度打分机制，通过卷积运算获取各个炸点2处的点密集度分数，根据分数判断机场跑道1内炸各个炸点2处的点密集度，找出炸点稀疏区域；

所述步骤三具体包括：

步骤31、机场跑道1是长为M、宽为N的矩形区域，如图7所示，将所述矩形区域分割为M×N个边长为1的矩形块，每个边长为1的矩形块均对应一个炸点2的坐标点，将所述矩形区域用M×N的矩阵A表示：A

步骤32、利用K近邻算法查找被预测点附近的样本点，基于欧式距离

步骤33、构建打分机制，对所述被预测点与所述被预测点附近的样本点之间的距离打分，距离越近则分数越高，定义点密集度公式为

步骤34、计算所述步骤31中矩形区域内各个炸点2的点密集度：根据所述打分机制构建一个m×n的卷积核h，其中，m和n均为奇数，被预测点与样本点之间对应距离的得分作为卷积核的权重，根据所述矩形区域的矩阵A，得到卷积运算公式为：

若要从分数较高者开始搜索，卷积核可以设计成由中心向外依次递减，矩形区域的矩阵定义为A

步骤四、根据机场跑道毁伤评估准则，运用面积法优先在所述炸点稀疏区域内搜索是否存在满足飞机起飞条件的最小飞行区域3。

所述步骤四中的面积法为：优先在炸点稀疏区域内遍历选取最小飞行区域3，连接所述炸点稀疏区域中的任一炸点2与满足飞机起飞条件的最小飞行区域3的顶点，所述最小飞行区域3为矩形，所述炸点2与所述最小飞行区域3的四个边构成四个三角形，根据最小飞行区域3的面积与四个三角形的面积之和的大小关系，判断所述炸点2是否位于最小飞行区域3内。当点在矩形区域内部时，所述最小飞行区域3的面积与四个所述三角形的面积之间满足公式：S

一种基于K近邻卷积算法的机场跑道毁伤评估系统，包括炸点计算模块和毁伤评估模块，所述炸点计算模块用于依次初始化弹道参数、弹药参数和目标列表参数，并根据所述弹道参数、弹药参数和目标列表参数，通过蒙特卡洛模拟计算出拦截点坐标后，通过蒙特卡洛抽样计算炸点坐标；所述毁伤评估模块用于根据接收到的炸点坐标，利用K近邻判断所述炸点稀疏程度，并通过卷积运算对炸点稀疏程度进行打分，运用遍历法搜索最小飞行区域3，最终输出评估结果。

所述弹道参数包括导弹入射角、导弹瞄准点坐标、方位角、圆概率误差以及开舱高度，所述目标列表参数包括机场跑道1的长度、宽度和满足飞机起飞条件的最小飞行区域3的长度、宽度。

实施例1

如图8所示，假设有四个子弹落在尺寸为8×4的矩形区域的机场跑道内，将矩形区域的机场跑道分割成边长为1的矩形块，矩形区域能够用矩阵表示，四个子弹在矩形区域中的坐标分别是P

表1

根据表1得出的结果可以看出，最高分为30分，说明在该处点的炸点2最为稀疏，能找到目标矩形的概率最大，与实际情况一致。如图8所示，假设最小飞行区域3的尺寸为4×2，在得分为30处的区域进行搜索，矩形区域中存在如图9所示的最小飞行区域3，毁伤失败。

实施例2

将本发明提供的机场跑道毁伤评估系统用于真实打击模式的打击场景，设置子母弹对跑道目标进行打击，并针对炸点2分布情况进行飞行区域的评估。

选用JP233型子母弹进行打击，打击目标为台南机场，机场参数设置长3068m，宽45m，最小飞行区域3为长600m宽20m的矩形区域，设置两个打击工况：

工况一：四发子母弹在无偏角，入射角60°条件下对跑道间隔500m均布打击；

工况二：五发子母弹在无偏角，入射角60°条件下对跑道间隔500m均布打击；

两种工况下的打击结果如下：

如图10、图11所示的工况一情况下，弹药数量不够，虽然打击范围内宽度方向完全封锁，但是留有长度1000m左右的空白区域，大于最小飞行区域3范围，算法输出代表最小飞行区域3的矩形框，代表存在最小飞行区，机场跑道毁伤失败；

如图12所示的工况二情况下，整个跑道系统被分为六块成功实现机场跑道整体封锁，算法无法找到最小飞行区域3，机场跑道毁伤成功。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。