基于舷角變化信息的來襲魚雷彈道類型判別方法*

鄭 強，楊日杰，陳佳琪，陳貽煥

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

0 引言

潛艇水下魚雷攻擊是水面艦艇在未來海戰(zhàn)中面臨的主要威脅，如何對來襲魚雷進行有效對抗是急需解決的重要問題。來襲魚雷導引方式不同，彈道類型不同，則需要的對抗器材類型，對抗方法也會有所差異。魚雷作為水下快速小目標，隱蔽性強，水面艦艇可用主動或被動聲納對魚雷進行預警，為了有充裕的時間完成對魚雷的預警、探測、跟蹤、識別和對抗決策，艦艇需要在中遠距離對來襲魚雷報警，而主動聲納對來襲魚雷報警距離近，難以滿足對抗魚雷的及時性要求。通常情況下，中遠距離上的魚雷探測主要依靠被動聲納，而被動聲納只能獲得來襲魚雷的方位信息，無法獲取魚雷的距離信息和類型信息，給對抗器材的使用和艦艇規(guī)避決策帶來困難。一直以來，對來襲魚雷的識別僅僅依靠像素層范疇（LOFAR 和DEMON 譜分析技術）［1］，且只能實現(xiàn)魚雷與非魚雷目標的區(qū)別，而對相關戰(zhàn)術信息缺乏有效應用，對來襲魚雷彈道類型的判別缺乏深入研究。因此，在魚雷向艦艇目標接近過程中，如果能夠根據來襲魚雷的舷角變化信息，判斷來襲魚雷可能的攻擊彈道類型，則可為中遠距離對抗器材的使用及魚雷類型判別提供信息支持，提高艦艇反魚雷水聲對抗作戰(zhàn)決策的針對性和有效性。

1 潛射魚雷彈道模型

潛射魚雷按自導方式主要可分為直航、聲自導、線導+聲自導、線導+尾流自導4種形式［2］，目前直航魚雷已較少運用，而線導+聲自導、線導+尾流自導魚雷在向目標接近過程中則采取線導導引，因此，魚雷中遠距離向艦艇接近過程中，本文主要研究兩種不同類型的魚雷彈道，即聲自導魚雷彈道和線導魚雷彈道。

1.1 聲自導魚雷彈道模型

潛艇采用提前角法進行聲自導魚雷攻擊如圖1所示，圖中T為魚雷位置，A為被攻擊艦艇位置，ct，vt為魚雷航向、航速，cs，vs為艦艇航向、航速，qt為魚雷所處艦艇的舷角，φ為理想攻擊提前角，Q為魚雷理想命中點，B為魚雷的有利導引點。魚雷按航向ct直航搜索接近目標，與艦艇目標在Q點相遇。采用提前角引導魚雷攻擊時潛艇須解算目標運動要素，通常魚雷攻擊的正常提前角可表示為［3］：

在一定射擊條件下，魚雷發(fā)現(xiàn)概率最高的提前角為有利提前角，即使魚雷自導扇面中的某點與目標相遇，即將圖1中魚雷自導扇面內的B點與目標相遇。有利提前角φa可由K系數分段法和形心法近似求解，通?？捎墒剑?）近似估計魚雷攻擊的有利提前角 φa［3］：

式中，K為優(yōu)化系數，由魚雷自導性能確定，qt為艦艇相對魚雷舷角。

1.2 線導雷彈道模型

線導魚雷導引方法主要包括現(xiàn)在方位法導引、修正方位導引、前置點導引、人工導引等。盡管線導魚雷存在多種不同的導引方法，但以“三點一線”為特點的現(xiàn)在方位導引是潛艇控制魚雷攻擊目標的必經過程，特別是在有干擾條件下，現(xiàn)在方位導引法是對機動目標唯一有效的導引方法［4］。現(xiàn)在方位導引僅需要目標方位，潛艇、魚雷位置及其航行參數信息，就可對線導魚雷進行控制和導引。

本文主要研究線導魚雷的現(xiàn)狀方位法導引彈道，潛艇按周期測定目標艦艇所在方位，根據魚雷位置和速度信息，控制魚雷航向，使其方位與艦艇所在方位相一致［5］。如圖 2所示，Sb0、S0分別為魚雷發(fā)射t0時刻潛艇和艦艇所在位置，csb、cs分別為潛艇和艦艇的航向，艦艇相對潛艇初始目標方位為B0。Sb1、S1為t1時刻潛艇和艦艇所在位置，此時艦艇相對潛艇方位為B1。魚雷出管后自主航行，然后按照設定的轉角ω轉至L1點，轉入線導階段。Sb2和S2，Sb3和S3…分別為導引時刻t2、t3…潛艇和艦艇所在位置，艦艇相對潛艇所在方位分別為B2、B3…。若在導引時刻ti潛艇位置點為，艦艇在潛艇方位為Bi，艦艇目標方位線方程可表示為［5］：

式中，k為方位線直線方程斜率。

為了提高魚雷轉入聲自導狀態(tài)后對目標的搜索、捕獲能力，線導魚雷通常按有利點進行導引，有利點位于魚雷縱軸線前方r0點，根據魚雷的當前位置，魚雷航速vt及魚雷有利點引導位置，可以得到魚雷有利提前點滿足的位置方程為：

式中，Δ t為線導魚雷導引時間間隔。

由式（3）、式（4）得有利提前點與目標方位線Bi的交點，若存在兩個交點，通常取距離發(fā)射艇較遠的交點作為當前時刻魚雷導引的目標位置點。

如果為線導+尾流自導魚雷，線導階段潛艇需要將魚雷導引至滯后于當前艦艇目標所在方位的某點，以使魚雷能夠有效捕獲艦艇尾流，線導彈道模型與線導+聲自導魚雷類似。

因此，通過現(xiàn)在方位導引法，潛艇在只有目標方位信息的條件下，根據潛艇、魚雷位置及其航行信息，可以將魚雷導向被攻擊的艦艇目標。

2 基于舷角變化信息的彈道判別方法

2.1 判別依據

艦艇對中遠距離來襲魚雷報警時通常只能獲取方位信息，處于聲自導彈道中的魚雷和處于線導導引階段的魚雷相對艦艇的舷角變化規(guī)律是不同的，可以根據魚雷報警舷角的變化情況判斷魚雷可能的彈道信息。

如圖1所示，Q和Q'分別為聲自導魚雷正常提前角攻擊和有利提前角攻擊時的魚雷命中點，ΔATQ為相遇三角形，φ=∠ATQ和φa=∠ATQ'分別為相應的提前角，由于有利提前角導引是將魚雷自導扇面中的某點（圖中B點）與艦艇目標相遇，因此，φa＜φ。假設經過Δ t時間后，艦艇到達N點，有利提前角導引魚雷至T'1，正常提前角導引魚雷至T1點，TT1=TT'1。魚雷按正常提前角向艦艇接近過程中，相對艦艇舷角qt保持不變，而有利提前角攻擊時魚雷相對艦艇舷角緩慢變大，經Δ t時間后，舷角為∠QNT1=q't＞qt。舷角變化范圍的大小與對抗態(tài)勢有關，當艦艇直航機動時，來襲聲自導魚雷相對艦艇舷角變化不明顯。

當潛艇對魚雷采用現(xiàn)在方位法導引時，為了保持平臺對魚雷的導引，潛艇通常選擇較低的航速，魚雷的攻擊彈道主要取決于艦艇目標的機動，假設艦艇在水聲對抗決策之前保持直航，且水面艦艇的航速明顯高于潛艇航速。由圖2可知，水面艦艇從S1到S4的運動過程中，魚雷從L1到L4，魚雷相對艦艇所在舷角明顯增大，而舷角變化范圍與對抗態(tài)勢及艦艇和潛艇的運動狀態(tài)有關?？梢?，當魚雷在向被攻擊艦艇接近過程中，魚雷相對艦艇所在舷角會變大，相對于魚雷有利提前角攻擊彈道，現(xiàn)在方位法攻擊彈道的舷角變化更為明顯，因此，根據艦艇對來襲魚雷報警后，魚雷報警舷角的變化情況可以對來襲魚雷的攻擊彈道類型進行初步判斷，為水聲對抗決策提供依據。

根據不同魚雷導引方式的特點，可設定魚雷報警舷角的變化范圍ΔqT，在特定時間間隔范圍內，當魚雷舷角變化量大于ΔqT時，可判斷為現(xiàn)在方位法攻擊彈道，否則為提前角或有利提前角攻擊彈道。舷角變化量ΔqT的范圍，需要根據具體的作戰(zhàn)對象和對抗態(tài)勢進行分析，本文將在特定戰(zhàn)、技術背景下的判斷方法進行仿真分析。

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真參數

仿真參數如表1所示。對抗仿真時的來襲魚雷的報警距離分為遠距離（30 cab～40 cab）、中等距離（20 cab～30 cab）兩種情況，在不同的報警舷角下，進行1 000次的蒙特卡洛仿真，統(tǒng)計判斷時間分別為30 s和 60 s。

表1 仿真計算參數

2.2.2 仿真結果

不同報警距離，各報警舷角下，魚雷采取有利提前角彈道攻擊和現(xiàn)在方位法彈道攻擊時，魚雷報警舷角的變化如下頁圖3、圖4所示。由表1可以看出，相同對抗態(tài)勢下，艦艇對來襲魚雷報警后，魚雷有利提前角攻擊彈道和現(xiàn)在方位法攻擊彈道下相對艦艇的舷角變化范圍是不同的，考慮魚雷報警聲納方位誤差的影響，有利提前角攻擊彈道的舷角變化量有限。魚雷報警舷角變化范圍與魚雷來襲距離、舷角和判斷時間有關，距離越近，變化范圍越大；判斷時間越長，變化范圍越大；魚雷大舷角或小舷角來襲時，報警舷角變化較小。通常情況下，魚雷現(xiàn)在方位導引彈道舷角的變化范圍大于有利提前角攻擊彈道舷角變化范圍，在魚雷大舷角或小舷角來襲時，兩種魚雷攻擊彈道下魚雷報警舷角變化范圍比較接近。

3 結論

實際對抗中應根據戰(zhàn)場水聲環(huán)境條件、魚雷報警聲納性能、作戰(zhàn)對象魚雷性能等，結合艦艇內外部戰(zhàn)術情報信息，對來襲魚雷報警距離進行估計，在一定時間范圍內對魚雷舷角變化進行統(tǒng)計，分析、判斷來襲魚雷攻擊彈道類型：

1）在魚雷非大舷角和小舷角魚雷來襲情況下，若來襲魚雷舷角變化范圍Δq較小，或基本保持不變，則認為來襲魚雷處于提前角或有利提前角攻擊彈道；若Δq大于某一范圍ΔqT，則可認為來襲魚雷處于現(xiàn)在方位法攻擊彈道。具體舷角變化范圍ΔqT根據可能的魚雷距離、對抗對象和判斷時間確定。

2）魚雷報警距離較遠，且魚雷從大舷角或小舷角來襲時，兩種攻擊彈道相對艦艇報警舷角變化量比較接近，按照保守對抗原則，可認為來襲魚雷處于威脅更大的現(xiàn)在方位導引法攻擊彈道進行對抗。

由以上分析可知，來襲魚雷舷角變化信息是艦艇水聲對抗中的重要決策參考信息，可作為中遠距離來襲魚雷類型識別的重要依據，對提高反魚雷作戰(zhàn)的針對性和有效性具有重要意義。但對于近距離魚雷跟蹤彈道或者滑模控制等新型魚雷導引彈道的判別方法還需作進一步的深入研究［6］。

［1］陳顏輝，趙曉哲，黃文斌.潛射魚雷類型識別系統(tǒng)建模與數值仿真［J］.彈道學報，2007，19（4）：82-85.

［2］陳顏輝，朱偉良，杜毅.潛射魚雷彈道預測模型與仿真［J］.海軍工程大學學報，2013，25（2）：57-61.

［3］張宇文.魚雷彈道與彈道設計［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，1999.

［4］李剛強，黃文斌.線導魚雷導引方法綜述［J］.魚雷技術，2003，11（2）：38-42.

［5］趙正業(yè).潛艇火控原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003：228-232.

［6］劉宇，原建平，侯朝煥.水下自導武器導引律研究［J］.兵工學報，2008，29（4）：483-486.