自導(dǎo)作用距離對(duì)輕型魚雷攻潛效能的影響

陳 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 賀

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自導(dǎo)作用距離對(duì)輕型魚雷攻潛效能的影響

陳 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 賀

(海軍裝備研究院, 北京, 100161)

針對(duì)傳統(tǒng)的輕型魚雷攻潛效能評(píng)估中把自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值作為自導(dǎo)作用距離的恒定輸入?yún)?shù), 從而影響作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的問(wèn)題, 分析了自導(dǎo)作用距離隨照射角變化的規(guī)律, 采用多亮點(diǎn)模型和基于網(wǎng)格搜索法的魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型, 通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)比分析了同一態(tài)勢(shì)下, 以自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值和在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的自導(dǎo)作用距離預(yù)估值作為自導(dǎo)作用距離的輸入?yún)?shù)的2種不同情況下的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率。仿真結(jié)果表明, 為了更真實(shí)地反映實(shí)際戰(zhàn)況, 建議根據(jù)敵我態(tài)勢(shì)和水文條件, 將真實(shí)自導(dǎo)作用距離作為輕型魚雷效能評(píng)估的輸入?yún)?shù)。

輕型魚雷; 自導(dǎo)作用距離; 作戰(zhàn)效能; 輸入?yún)?shù); 目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率

0 引言

魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估是魚雷武器裝備論證的重要基礎(chǔ), 是魚雷作戰(zhàn)使用研究的重要支持, 是反潛武器輔助決策的重要依據(jù)。輕型魚雷實(shí)際作戰(zhàn)有一定的復(fù)雜性、不確定性和非線性等特性[1], 自導(dǎo)作用距離是輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型的輸入之一[2-3]。國(guó)內(nèi)對(duì)魚雷作戰(zhàn)效能研究的熱度持續(xù)不減: 楊惠珍[4]探討了可組合的魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程; 卜廣志[5]提出了使用分布式交互仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)魚雷作戰(zhàn)效能仿真的思路; 楊緒升[6]定量分析了射擊諸元誤差對(duì)聲自導(dǎo)魚雷作戰(zhàn)效能的影響。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估的研究范圍廣, 但從未涉及自導(dǎo)作用距離這一重要輸入?yún)?shù)。目前, 魚雷攻潛效能評(píng)估模型一般將自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值作為自導(dǎo)作用距離的恒定輸入, 而實(shí)際潛艇目標(biāo)為體目標(biāo), 不同部位的反射能力存在較大差異, 若忽略攻擊潛艇不同方位時(shí)自導(dǎo)作用距離變化帶來(lái)的影響, 將導(dǎo)致魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果與實(shí)際作戰(zhàn)效果不符。

有鑒于此, 針對(duì)自導(dǎo)作用距離對(duì)輕型魚雷攻潛效能評(píng)估的影響, 在當(dāng)前魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型的基礎(chǔ)上引入多亮點(diǎn)目標(biāo)回波模型和自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型, 深入研究了輕型魚雷攻擊實(shí)際潛艇目標(biāo)時(shí), 不同攻擊方位對(duì)魚雷自導(dǎo)作用距離的影響, 使其更有效、真實(shí)地反映實(shí)際戰(zhàn)況。

1　傳統(tǒng)魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型基本情況

傳統(tǒng)魚雷作戰(zhàn)效能通常采用作戰(zhàn)模擬法來(lái)計(jì)算, 蒙特卡洛法是作戰(zhàn)模擬法的一種, 能夠較真實(shí)地模擬實(shí)戰(zhàn)條件下對(duì)抗條件和交戰(zhàn)對(duì)象及武器的協(xié)同, 并且快速、低成本地獲取裝備效能評(píng)估數(shù)據(jù)[2-3]。如表1所示, 傳統(tǒng)魚雷作戰(zhàn)效能模型將魚雷航速、航向、自導(dǎo)作用距離、自導(dǎo)搜索扇面、魚雷航程和目標(biāo)航速、航向、方位、初始雷目距離等作為輸入?yún)?shù), 其仿真結(jié)果輸出為魚雷的發(fā)現(xiàn)概率或命中概率[4-5]。

表1　輸入輸出參數(shù)表

傳統(tǒng)輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估利用蒙特卡洛法在某一種態(tài)勢(shì)下進(jìn)行多次迭代, 模擬魚雷和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、判斷目標(biāo)是否落入魚雷自導(dǎo)搜索扇面, 并通過(guò)古典概率模型計(jì)算目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率[6]

式中:為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的次數(shù);為模擬次數(shù)。

目前的輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型都把魚雷自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值作為輸入?yún)?shù), 而實(shí)際作戰(zhàn)使用中, 魚雷打擊的是具有一定尺度特征的體目標(biāo), 打擊目標(biāo)潛艇不同部位時(shí), 魚雷自導(dǎo)作用距離真實(shí)值不同于指標(biāo)值, 這對(duì)魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型的影響不容小覷?；诖? 引入多亮點(diǎn)目標(biāo)回波模型和自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型, 對(duì)輕型魚雷攻潛效能評(píng)估模型做出一定的改進(jìn)。

2　輕型魚雷攻潛作戰(zhàn)效能評(píng)估

由于目標(biāo)各部位的聲學(xué)反射特性存在差異, 當(dāng)魚雷從不同方位攻擊目標(biāo)潛艇時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度不同, 自導(dǎo)作用距離也隨相遇角的變化而變化。傳統(tǒng)魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型把自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值視作恒定輸入?yún)?shù), 未能真實(shí)有效地反映實(shí)際打擊效果。受限于潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的真實(shí)數(shù)據(jù)值涉密程度較高, 無(wú)法獲取, 故引入多亮點(diǎn)目標(biāo)回波模型對(duì)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行仿真, 并采用自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型分析魚雷攻擊體目標(biāo)的作戰(zhàn)效能中自導(dǎo)作用距離變化的影響, 提出對(duì)輕型魚雷攻潛效能評(píng)估模型的改進(jìn)方案。

2.1　多亮點(diǎn)目標(biāo)回波模型

多亮點(diǎn)模型把目標(biāo)回波視為多個(gè)亮點(diǎn)子回波的相干迭加之和, 是對(duì)體目標(biāo)的合理簡(jiǎn)化, 真實(shí)描述其聲學(xué)反射特性。對(duì)比單亮點(diǎn)模型而言, 多亮點(diǎn)模型真實(shí)反映了目標(biāo)體積散布和各部位間隱蔽的特性, 更加逼真, 充分表征了體目標(biāo)的回波脈沖寬度延伸與幅度效應(yīng), 與實(shí)際測(cè)量情況相符。

基于多亮點(diǎn)模型的潛艇回波時(shí)域表達(dá)式為[7]

基于多亮點(diǎn)模型的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度表達(dá)式為[7]

2.2　目標(biāo)強(qiáng)度、自導(dǎo)作用距離與作戰(zhàn)效能模型的關(guān)系

被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)潛艇輻射噪聲來(lái)搜索、發(fā)現(xiàn)目標(biāo); 主動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)向外發(fā)射聲脈沖信號(hào), 通過(guò)接收目標(biāo)回波來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。隨著潛艇隱身性的提高, 目前大多數(shù)反潛武器均采用主動(dòng)聲自導(dǎo)方式作為反潛主要手段。

混響背景下的主動(dòng)聲自導(dǎo)方程為

噪聲背景下的主動(dòng)聲自導(dǎo)方程為

(5)

通常主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的主要干擾場(chǎng)為混響。聲自導(dǎo)魚雷在相同海洋水文條件下的和由其自身性能決定, 可視為恒定不變。

(6)

目標(biāo)強(qiáng)度是具有方向性的參數(shù), 通常目標(biāo)強(qiáng)度與方位、深度、頻率、距離和脈沖持續(xù)時(shí)間有關(guān)[8]。由于目標(biāo)各部位的聲學(xué)反射特性存在差異, 目標(biāo)強(qiáng)度在潛艇的正橫方向較強(qiáng)、首尾方向較弱, 當(dāng)魚雷從不同方位攻擊目標(biāo)潛艇時(shí),是不同的, 即隨的變化而變化; 而變化會(huì)引起變化, 所以自導(dǎo)作用距離與相遇角有關(guān), 即隨的變化而變化[9]。

自導(dǎo)作用距離作為輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估的重要輸入?yún)?shù), 其準(zhǔn)確性直接影響作戰(zhàn)效能評(píng)估模型的輸出結(jié)果。利用自導(dǎo)作用距離隨相遇角變化這一特點(diǎn), 把自導(dǎo)作用距離作為變量輸入, 進(jìn)一步優(yōu)化輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型。

為了更逼真地反映出自導(dǎo)作用距離對(duì)作戰(zhàn)效能的影響, 對(duì)輕型魚雷作戰(zhàn)效能模型進(jìn)行如下改進(jìn): 首先, 由多亮點(diǎn)模型通過(guò)仿真確定目標(biāo)強(qiáng)度分布, 再通過(guò)自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型, 根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度分布建立魚雷自導(dǎo)作用距離與照射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系; 然后合理選取步長(zhǎng), 將同一態(tài)勢(shì)下不同照射角的魚雷自導(dǎo)作用距離作為動(dòng)態(tài)輸入作戰(zhàn)效能評(píng)估模型, 此時(shí)自導(dǎo)作用距離不再是常量, 而是隨角度變化的變量; 最后, 根據(jù)不同的實(shí)際情況, 選取當(dāng)前態(tài)勢(shì)下對(duì)應(yīng)的魚雷自導(dǎo)作用距離作為輸入, 進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估。從輸入?yún)?shù)的科學(xué)性角度對(duì)傳統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估模型進(jìn)行了優(yōu)化, 使作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果更加有效, 能夠更大程度反映實(shí)際情況。

3　仿真試驗(yàn)

3.1　仿真模型

首先, 根據(jù)多亮點(diǎn)模型[10](如圖2所示)將目標(biāo)由6個(gè)剛性球體組成的多亮點(diǎn)模型表示, 包括艇首、前艇體、艦橋、艇舯、后艇體和艦艉。取表示艦橋的球體半徑為8 m, 其他球體均取半徑為7 m。以表示艇艉的球體球心為參考點(diǎn), 球體球心到參考點(diǎn)的距離為球體間距, 各個(gè)球體間距和反射系數(shù)見(jiàn)表2[10]。

表2　球體間距和反射系數(shù)

利用多亮點(diǎn)模型對(duì)潛艇目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行仿真, 目標(biāo)強(qiáng)度隨潛艇照射角的變化如圖3所示。圖3中極坐標(biāo)系中極點(diǎn)為潛艇聲學(xué)中心, 極軸0°為艇艏方向、180°為艇艉方向, 極角為照射角, 目標(biāo)強(qiáng)度呈蝶形分布。結(jié)合采用網(wǎng)格搜索法的自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型[11], 可以預(yù)估不同態(tài)勢(shì)下的目標(biāo)強(qiáng)度和自導(dǎo)作用距離(見(jiàn)表3)。

其次, 分別建立魚雷、目標(biāo)、火控和聲吶模型, 各仿真參數(shù)如表4所示。其中, 魚雷航速誤差為最大誤差, 目標(biāo)側(cè)向、測(cè)距誤差為2階原點(diǎn)矩, 目標(biāo)航向、航速解算誤差為均方差。目標(biāo)以航速4或8等速直航。

表3　不同照射角時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度和自導(dǎo)作用距離

表4　仿真參數(shù)

由于目標(biāo)強(qiáng)度在潛艇中軸線左右兩側(cè)具有對(duì)稱性, 仿真試驗(yàn)只需考慮單側(cè)目標(biāo)特性即可。對(duì)每個(gè)攻擊態(tài)勢(shì)進(jìn)行1000次作戰(zhàn)仿真。

3.2　仿真結(jié)果與分析

假設(shè)目標(biāo)航速8 kn, 目標(biāo)距離5 500 m, 選取步長(zhǎng)45°, 分別對(duì)照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°時(shí), 自導(dǎo)作用距離作為定量和變量輸入2種情況的目標(biāo)潛艇進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估。自導(dǎo)作用距離作為定量輸入(自導(dǎo)作用距離指標(biāo)為: 在良好水文條件下, 目標(biāo)強(qiáng)度為12 dB時(shí), 自導(dǎo)作用距離為900 m), 照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°時(shí)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率如表5所示。自導(dǎo)作用距離作為變量輸入時(shí), 照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°的目標(biāo)強(qiáng)度分別為5 dB, 14 dB, 25 dB, 13 dB, 4 dB, 自導(dǎo)作用距離分別為560 m, 1200 m, 2500 m, 1000 m, 500 m, 其作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　2種情況下不同照射角的發(fā)現(xiàn)概率

圖4是2種情況下的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率對(duì)比圖。當(dāng)自導(dǎo)作用距離作為定量輸入時(shí), 不論照射角(即魚雷的攻擊方位)如何變化, 目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率都在87%左右; 而當(dāng)自導(dǎo)作用距離作為變量輸入時(shí), 目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率受自導(dǎo)作用距離的影響變化較大。例如, 魚雷從正橫方向攻擊目標(biāo)潛艇時(shí), 目標(biāo)強(qiáng)度最強(qiáng), 此時(shí)自導(dǎo)作用距離為2500, 目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為99.9%; 當(dāng)魚雷尾追攻擊目標(biāo)時(shí), 目標(biāo)強(qiáng)度最弱, 自導(dǎo)作用距離只有500, 發(fā)現(xiàn)概率僅為54.9%, 幾乎是正橫方向攻擊時(shí)最大發(fā)現(xiàn)概率的一半。由此可知, 魚雷自導(dǎo)作用距離作為輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估的重要輸入?yún)?shù), 會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

表6　目標(biāo)航速4 kn時(shí)2種情況下不同照射角發(fā)現(xiàn)概率

表7　目標(biāo)距離4 500 m時(shí)2種情況下不同照射角發(fā)現(xiàn)概率

表8　目標(biāo)距離6500 m時(shí)2種情況下不同照射角發(fā)現(xiàn)概率

由表5~表8可知, 不同態(tài)勢(shì)下的魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果均受自導(dǎo)作用距離變化的影響, 可見(jiàn)自導(dǎo)作用距離若作為恒定值輸入, 魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果的真實(shí)性較低。

綜上所述, 在進(jìn)行魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估時(shí)考慮不同態(tài)勢(shì)下自導(dǎo)作用距離變化對(duì)發(fā)現(xiàn)概率的影響是很有必要的。在今后的魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型中, 為加強(qiáng)參數(shù)的合理化和科學(xué)化輸入, 應(yīng)將真實(shí)的魚雷自導(dǎo)作用距離作為輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估的參數(shù)輸入, 使其為魚雷武器裝備論證、魚雷作戰(zhàn)使用研究和反潛武器輔助決策提供更有力的支持。

4　結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估存在的輸入?yún)?shù)科學(xué)性較低的問(wèn)題, 深入分析了傳統(tǒng)輕型魚雷攻擊實(shí)際目標(biāo)作戰(zhàn)效能評(píng)估模型把自導(dǎo)作用距離這一隨態(tài)勢(shì)變化的參數(shù)作為定量輸入的不足, 利用多亮點(diǎn)模型和魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報(bào)模型對(duì)自導(dǎo)作用距離真實(shí)值進(jìn)行預(yù)估, 通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)比分析了同一態(tài)勢(shì)下, 魚雷自導(dǎo)作用距離作為定量和變量輸入2種情況下目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率, 提出了對(duì)輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估模型輸入?yún)?shù)的改進(jìn)建議, 為今后輕型魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估的優(yōu)化和完善提供思路, 為實(shí)戰(zhàn)條件下魚雷作戰(zhàn)能力的提高打下良好基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Effect of Homing Range on Lightweight Torpedo?s Anti-submarine Operation Efficiency

CHEN JingHE Xin-yiLEI LeiGAO He

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

In conventional evaluation of lightweight torpedo′s anti-submarine operation efficiency, the homing range is taken as the constant input parameter, which influences the evaluation accuracy. Therefore, this paper analyzes the relation between homing range and irradiation angle. Adopting the multi-highlight model and the torpedo homing range prediction model based on the grid search method, this paper contrastively analyses the target detection probability via simulation experiment for two different situations: 1) taking the homing range as input parameter, and 2) taking the estimated value of homing range in actual battlefield environment as input parameter. The results suggest that in order to more really reflect battlefield situation, the real homing range be taken as the input parameter for evaluation of the torpedo?s anti-submarine operation efficiency according to situations of ourselves and the enemy and hydrological condition.

lightweight torpedo; homing range; operation efficiency; input parameter; target detection probability

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.013

TJ630.3; E925.23

A

1673-1948(2016)06-0469-06

2016-09-26;

2016-10-31.

陳 菁(1992-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.