Evaluation of Two-vs-One Air Combats Using Hybrid Maneuver-Based Framework and Security Strategy Approach

In this paper, we aim to develop a simulation platform and maneuver selection methodology for two-vs-one air combats. It consists of the aircraft performance model, aerial combat maneuvers and game theoretical decision strategy. The performance parameters of F-16 are used to implement the aircraft dynamics. The hybrid system theory underlies the modeling methodology of the aerial combat maneuvers, which are the possible options of the combatants. The decision strategy is derived from security policy approach in game theory using some metrics that present the air superiority. The definitions of these metrics and evaluation strategy are presented. The verification of the models and developed decision processes are given through the simulations.

Hibrit Manevra Tabanlı Yapı ve Güvenlik Stratejisi Yaklaşımı ile 2x1 Hava Muharebelerinin Değerlendirilmesi

Bu makalede, 2’ye karşı 1 hava muharebelerinin simülasyonunun yapılabileceği bir platform tasarlanmıştır. Tasarlanan platform uçak performans modeli, hava muharebe manevraları ve oyun teorisi kapsamlı karar stratejisini içermektedir. Uçak performans modeli F-16 uçağının performans parametreleri ile kullanılmıştır. Muharebe manevraları hibrit sistem modellemesi yardımıyla oluşturulmuştur. Bu manevralar hava muharebesinde pilotların olası seçimlerini ifade etmektedir. Bu çalışmada, hangi manevranın uygulanması gerektiği hava üstünlüğünü ifade etmek için kullanılan bazı metriklerin oyun teorisi yaklaşımları ile değerlendirilmesi ile elde edilmektedir. Değerlendirme stratejisi ve 2’ye karşı 1 hava muharebeleri için hava üstünlüğünü ifade eden metriklerin tanımlanması bu çalışmanın kapsamı içerisindedir. Çalışmanın son aşamasında modeller ve karar süreci simülasyonlarla tahkik edilmiştir.

PDF

___

[1] Austin, F., Carbone, G., Falco, M., Hinz, H., and Lewis, M., “Automated maneuvering decisions for air-toair combat”, In Guidance, Navigation and Control Conference, page 2393, 1987.

[2] Austin, F., Carbone, G., Hinz, H., Lewis, M., and Falco, M., “Game theory for automated maneuvering during air-to-air combat”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 13(6):1143–1149, 1990.

[3] Başar, T., and Olsder, G. J., “Dynamic noncooperative game theory”, SIAM, 1998.

[4] Baspinar, B., and Koyuncu, E., “Aerial combat simulation environment for one-on-one engagement”, In 2018 AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, page 0432, 2018.

[5] Burgin, G. H. , and Sidor, L., “Rule-based air combat simulation”, Tech. Report, TITAN SYSTEMS INC LA JOLLA CA, 1988.

[6] Ferguson, T. S. , “Game theory”, 2014.

[7] Lygeros, J., Tomlin, C., and Sastry, S., “Hybrid systems: modeling, analysis and control”, preprint, 1999. [8] McGrew, J. S., “Real-time maneuvering decisions for autonomous air combat”, PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2008.

[9] Mitchell, I. M., and Tomlin, C. J., “Overapproximating reachable sets by hamilton-jacobi projections”, Journal of Scientific Computing, 19(1):323–346, 2003.

[10] Nguyen, L. T., Ogburn, M. E., Gilbert, W. P., Kibler, K. S., Brown, P. W., and Deal, P. L., “Simulator study of stall/post-stall characteristics of a fighter airplane with relaxed longitudinal static stability”, 1979.

[11] Raskin, J. F., “An introduction to hybrid automata”, In Handbook of networked and embedded control systems, pages 491–517, Springer, 2005.

[12] Shaw, R. L., “Fighter Combat”, Naval Institute Press, 1985.

[13] Sheffield, R. G., “The Official F-15 Strike Eagle Handbook”, Compute Pu, 1990.

[14] Stevens, B. L., Lewis, F. L., and Johnson, E. N., “Aircraft control and simulation: dynamics, controls design, and autonomous systems”, John Wiley & Sons, 2015.

[15] Virtanen, K., Karelahti, J., and Raivio, T., “Modeling air combat by a moving horizon influence diagram game”, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 29(5):1080–1091, 2006.