聲納性能對ATT 武器系統(tǒng)效能影響的仿真分析

何躍峰

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061）

0 引言

現(xiàn)代魚雷武器飛速發(fā)展，水面艦艇很難通過改變航向、航速和利用聲誘餌等手段來擺脫魚雷的攻擊，對水面艦艇的威脅主要體現(xiàn)在以下方面：

1）航程遠(yuǎn)、毀傷威力大。目前先進(jìn)的魚雷如MK48 等，航速不小于50 kn，航程不小于50 km，采用線導(dǎo)導(dǎo)引模式，可較遠(yuǎn)距離發(fā)起攻擊。一條重型魚雷即可擊沉或重創(chuàng)一艘大中型水面艦艇。

2）制導(dǎo)方式較先進(jìn)。潛射魚雷具備多種導(dǎo)引方式，如線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)/尾流自導(dǎo)、線導(dǎo)+主/被動聲自導(dǎo)/主被動聲自導(dǎo)、直航，并且智能化程度高的魚雷還具備根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢實時轉(zhuǎn)換制導(dǎo)方式的能力。

3）智能化程度高，抗干擾能力強。隨著魚雷智能化水平的發(fā)展，其信號處理能力不斷提高，對聲誘餌等水聲器材的抗誘騙性不斷提高，識別/追蹤水面艦艇目標(biāo)的能力越來越強。

4）攻擊隱蔽性好。國外先進(jìn)魚雷通過控制作戰(zhàn)環(huán)節(jié)中的噪聲，基本實現(xiàn)了作戰(zhàn)全過程的隱蔽性，即自航出管、低噪聲航行、中遠(yuǎn)程被動聲自導(dǎo)探測。艦艇報警聲納對其探測距離近，魚雷防御時間短。

從魚雷防御體系構(gòu)建的現(xiàn)狀及發(fā)展看，反魚雷手段主要包括軟對抗和硬殺傷。隨著魚雷技術(shù)的發(fā)展，聲抗器材不能防御直航、尾流自導(dǎo)來襲魚雷，主要用于誘騙聲自導(dǎo)魚雷和干擾敵潛艇導(dǎo)引。隨著來襲魚雷對抗水平不斷提高，來襲魚雷識別聲抗器材能力大大增強，進(jìn)一步削弱了反魚雷系統(tǒng)的軟對抗體制對抗效果，這增加了艦艇面臨（二次）威脅的幾率。而“硬殺傷”防御武器可直接摧毀聲自導(dǎo)、尾流自導(dǎo)、直航等各種來襲魚雷，基本不受魚雷智能化水平影響，攔截成功即可消除該來襲魚雷對本艦的威脅，已成為未來魚雷防御的主要發(fā)展方向。

反魚雷魚雷（Anti-Torpedo Torpedo，ATT）屬“硬殺傷”魚雷防御裝備中精準(zhǔn)攔截武器，具有攔截對象多（可攔截聲自導(dǎo)、尾流自導(dǎo)、直航等各種工作方式魚雷）、自主作戰(zhàn)能力強、作戰(zhàn)效能高等特點，已經(jīng)受到各軍事強國的重視。美國于20 世紀(jì)80 年代初研制出反魚雷魚雷樣雷，并進(jìn)行了海上試驗，目前美國第三代反魚雷對抗系統(tǒng)（SSTD）計劃中，廣泛開展反魚雷魚雷等硬殺傷武器的研究。俄羅斯研制了“帕科特-Э/НК”反魚雷魚雷武器系統(tǒng)，幾乎可以裝備任何排量的水面作戰(zhàn)艦艇。據(jù)報道，該系統(tǒng)可使艦艇的生存能力提高3～3.5 倍。德國海軍在研發(fā)廉價反潛武器（LCAW）的基礎(chǔ)上推出“海蜘蛛”反魚雷魚雷。采用水下火箭推進(jìn)系統(tǒng)作為主推進(jìn)動力，可高速攻擊來襲魚雷。

1 ATT 武器系統(tǒng)

反魚雷魚雷主要包括：戰(zhàn)雷段、自導(dǎo)頭段、燃料倉段、動力艙段、控制段。按其功能可分為自導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部及引信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、全雷電路及供電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、殼體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)［1］，作為一種魚雷防御體系結(jié)構(gòu)中內(nèi)層防御武器，它既能主動發(fā)射脈沖信號去探測來襲魚雷，也可以采用被動接收來襲魚雷航行過程中產(chǎn)生的噪音或發(fā)射的脈沖信號發(fā)現(xiàn)目標(biāo)［2］。當(dāng)反魚雷魚雷與來襲魚雷相對運動至其引信作用區(qū)域內(nèi)，通過引信設(shè)定引爆反魚雷魚雷，用以毀傷來襲魚雷內(nèi)的儀表及探測設(shè)施，使來襲魚雷失靈，進(jìn)而喪失攻擊能力，達(dá)到確保水面艦艇安全的目的。

ATT 武器系統(tǒng)一般由魚雷預(yù)警及探測設(shè)備、火控設(shè)備、發(fā)射裝置及武器組成?；鹂卦O(shè)備綜合處理戰(zhàn)場態(tài)勢信息，輔助指揮員指揮決策，并據(jù)此進(jìn)行火控解算，將攔截參數(shù)設(shè)定至ATT。當(dāng)指揮員下達(dá)發(fā)射命令后，由發(fā)射裝置完成武器出管，ATT 按照設(shè)定的攔截參數(shù)航行至預(yù)定位置后開啟自導(dǎo)裝置，當(dāng)其接近到來襲魚雷一定距離時進(jìn)行自爆，或摧毀來襲魚雷，或使其自導(dǎo)、控制系統(tǒng)功能失效。反魚雷魚雷武器系統(tǒng)配置圖見圖1。

圖1 反魚雷魚雷系統(tǒng)配置圖

作為“點對點”精確攔截的魚雷防御武器，聲納對來襲魚雷目標(biāo)的探測性能會影響武器系統(tǒng)對于目標(biāo)定位的快速性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響魚雷防御作戰(zhàn)的時機和效能。

1.1 魚雷防御時機窗口進(jìn)一步縮短

受戰(zhàn)場態(tài)勢的緊迫性和水下信息的模糊性影響，水面艦艇目前很難實現(xiàn)對來襲魚雷距離、航向、航速等運動要素的精確求解。現(xiàn)代魚雷隱蔽攻擊能力強，一般只能通過水聲探測手段實現(xiàn)魚雷報警，魚雷報警聲納對魚雷的識別能力較弱，識別時間較長，導(dǎo)致魚雷報警距離較近；報警聲納主動探測方式可實現(xiàn)對來襲魚雷的精確定位，不但能夠獲得魚雷方位信息，還能獲得魚雷防御決策中最為需要的距離信息，但由于魚雷雷體反射強度小，主動探測距離往往很近，尚只能用于近程報警情形，同時，由于軍事科技的飛速發(fā)展，魚雷航速越來越高，魚雷防御作戰(zhàn)時機窗口進(jìn)一步縮短，這就對武器系統(tǒng)提出了更短反應(yīng)時間的要求。

1.2 系統(tǒng)對于魚雷目標(biāo)的定位精度有待提高

水面艦艇只有利用魚雷航行輻射噪聲才具備較遠(yuǎn)距離上探測魚雷的可能，而且只能獲得魚雷方位信息，對魚雷距離、航向、航速等彈道信息只能通過估測求取，盡管理論上可以采取類似潛艇解算目標(biāo)運動要素時的純方位法推導(dǎo)來襲魚雷距離、航速和航向等要素信息，但魚雷防御態(tài)勢的緊迫性往往無法給出充裕的解算時間。因此，系統(tǒng)的解算精度在一定程度上很難滿足反魚雷魚雷武器快速準(zhǔn)確攔截的需求。只有進(jìn)一步采用新方法、新思路，增加聲納探測信息利用率，提升系統(tǒng)對魚雷的定位能力，提高攔截精度，進(jìn)而增強系統(tǒng)水下防御作戰(zhàn)能力。

2 ATT 迎面攔截模型

文獻(xiàn)［3-4］研究了反魚雷魚雷采用迎面逆彈道攔截和直接攔截兩種方案下發(fā)現(xiàn)概率的影響，研究結(jié)果表明在大多數(shù)態(tài)勢下，從武器系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率層面考慮，采用迎面逆彈道攔截方式要明顯優(yōu)于直接攔截方式。本文以ATT 迎面攔截方式為例，探討聲納性能對系統(tǒng)效能的影響。

假設(shè)艦艇探測設(shè)備在4 km～8 km 的距離處發(fā)現(xiàn)來襲魚雷并報警，其已經(jīng)完成機動段彈道，以固定提前角方式攻擊艦艇。艦艇發(fā)射反魚雷魚雷采用迎面攔截方式對其實施攔截，迎面攔截彈道就是在火控系統(tǒng)解算出來襲魚雷攻擊彈道后，將反魚雷魚雷發(fā)射到來襲魚雷未來彈道航路上的某一點，使ATT 轉(zhuǎn)向沿著與來襲魚雷相反的方向逆向航行實施攔截。逆彈道攔截的方式類似于潛射尾流自導(dǎo)魚雷的折線攻擊（帶角攻擊）情形，不但需要考慮到一次轉(zhuǎn)角和展開航程段，也考慮到二次轉(zhuǎn)角。

如圖2 所示，以艦艇發(fā)射反魚雷魚雷時的位置為坐標(biāo)原點，以正北航向為Y 軸，正東方向為X 軸建立直角坐標(biāo)系。我艦以速度Vw，航向Cw運動，此刻目標(biāo)位于M 點，與本艦的水平距離為Dm（不考慮海深等因素），以速度Vm，航向Cm向本艦運動，反魚雷魚雷航速為Vt，旋回半徑為R。反魚雷魚雷出管后經(jīng)過一系列的機動和直航到達(dá)來襲魚雷航向線的正前方與來襲魚雷做相向運動，S 為艦艇在ATT命中來襲魚雷時的位置。

反魚雷魚雷直航段彈道模型

X（t+1）=X（t）+Vt*sin（Ct）*Δt；

Y（t+1）=Y（t）+Vt*cos（Ct）*Δt；

式中，Ct為反魚雷魚雷實時航向，Δt 為直航時間。

轉(zhuǎn)角段彈道模型

X（t+1）=X（t）±R*（cos（Ct1）-cos（Ct0））；

Y（t+1）=Y（t）±R*（sin（Ct1）-sin（Ct0））；

式中，Ct0、Ct1 為反魚雷魚雷實時變化航向。

根據(jù)上式及反魚雷魚雷與來襲魚雷相對運動關(guān)系遞推，可以得到反魚雷魚雷轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系式及攔截參數(shù)。

圖2 反魚雷魚雷迎面攔截彈道圖示

3 武器系統(tǒng)效能仿真模型

追蹤概率是魚雷自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，在追蹤目標(biāo)過程中，能追上并命中目標(biāo)的概率，計算追蹤概率時需要考慮以下幾點因素：

魚雷的剩余航程要大于追蹤航程；

彈道曲率半徑要大于魚雷最小旋回半徑；如果尾追導(dǎo)引方式下采用固定提前角彈道則可以不考慮該因素。

自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時的距離應(yīng)足以使魚雷自修正航行軌跡。

導(dǎo)引誤差不能大于目標(biāo)的命中面積。

則對于目標(biāo)，魚雷的命中概率：

P=Pv×Pv×Ph

由于潛射來襲魚雷射程一般較遠(yuǎn)（20 km 左右），當(dāng)本艦的魚雷報警聲納發(fā)現(xiàn)來襲魚雷時，來襲魚雷基本上可以認(rèn)為已經(jīng)完成了前期的機動動作（多次轉(zhuǎn)角等），此時可認(rèn)為其處于近似直航狀態(tài)。本次采用蒙特卡羅法，主要對系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行仿真計算。在ATT 完成二次轉(zhuǎn)角后自導(dǎo)開機，反魚雷魚雷直航，對ATT 及來襲魚雷目標(biāo)實時推算仿真，進(jìn)而計算ATT 的捕獲概率。

判定捕獲成功的條件如下：

ATT 當(dāng)前航程大于最小開機距離；

ATT 當(dāng)前航程小于最大射程；

ATT 當(dāng)前處于反魚雷魚雷水平自導(dǎo)扇面中。

4 仿真條件及分析

由計算機系統(tǒng)設(shè)置目標(biāo)航路理論值，并根據(jù)誤差水平隨機模擬聲納探測誤差，將帶誤差的航路參數(shù)按照聲納探測周期發(fā)送至反魚雷魚雷火控系統(tǒng)進(jìn)行濾波，攔截參數(shù)解算，并采用蒙特卡羅法對反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行仿真，統(tǒng)計反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率。仿真流程見圖3。主要從聲納探測的距離誤差、方位誤差、魚雷報警距離仿真計算反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率，進(jìn)而分析其對反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響。

圖3 仿真流程設(shè)計

4.1 測距誤差對作戰(zhàn)效能的影響

其他初始條件均保持不變的前提下，通過調(diào)整聲納測距指標(biāo)對反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行仿真。某態(tài)勢下，聲納不同測距誤差及對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率見圖4。

從仿真結(jié)果來看，在聲納初始報警距離、聲納測向誤差一定的情況下，隨著時間的累積，反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率均處于一個平滑的上升階段。隨著聲納探測目標(biāo)的點數(shù)增多，對于魚雷目標(biāo)的運動要素解算越來越精確，所以發(fā)現(xiàn)概率會相應(yīng)地提高；但是，對與聲納測距水平1.0 D%和1.5 D%對應(yīng)的兩條發(fā)現(xiàn)概率曲線基本重合，從仿真結(jié)果來看，聲納測距誤差對ATT 迎面攔截方式下的發(fā)現(xiàn)概率影響不大。

圖4 聲納不同測距誤差對發(fā)現(xiàn)概率的影響

4.2 測向誤差對作戰(zhàn)效能的影響

其他初始條件均保持不變的前提下，分別對聲納測向誤差分為3.0°，2.5°，2.0°，1.5°，1.0°共5 檔進(jìn)行全航路發(fā)現(xiàn)概率仿真，某態(tài)勢下，聲納不同測向誤差及對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率見圖5。

圖5 聲納不同測向誤差對發(fā)現(xiàn)概率的影響

從仿真結(jié)果來看，在聲納初始報警距離、聲納測距誤差一定的情況下，隨著時間的累積，反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率均處于一個平滑的上升階段。但是，通過對測距二階原點距對這5 種不同測向誤差對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率曲線進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在一定的反應(yīng)時間內(nèi)（從報警聲納發(fā)現(xiàn)來襲魚雷到發(fā)射反魚雷魚雷攔截），提高測向精度對反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率的幫助較明顯，但是隨著時間的累積，聲納目標(biāo)的點數(shù)增多，武器系統(tǒng)對于魚雷目標(biāo)的運動要素解算的精度受探測誤差的影響逐漸減小，ATT 攔截參數(shù)精度逐步提高，其發(fā)現(xiàn)概率會相應(yīng)地提高，但是不同測向誤差對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率差別不大，不同測向精度對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率差別不再特別明顯。

4.3 報警距離對ATT 作戰(zhàn)效能的影響及分析

魚雷報警距離遠(yuǎn)近是能否成功對抗的關(guān)鍵，若魚雷的報警距離足夠遠(yuǎn)，只進(jìn)行艦艇機動，高速駛出魚雷自導(dǎo)搜索帶即可。使用對抗手段時，對魚雷的探測距離應(yīng)保證水面艦艇有足夠的時間進(jìn)行攔截、對抗。

在聲納其他條件不變的情況下，報警距離分為8 km、7 km、6 km、5 km、4 km，5 檔進(jìn)行全航路發(fā)現(xiàn)概率仿真。某態(tài)勢下，聲納不同測距誤差及對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率見圖6。

圖6 聲納不同報警距離及對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)概率

從以上仿真結(jié)果來看，反魚雷魚雷武器性能對發(fā)現(xiàn)概率的影響如下：

隨著時間的累積，反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率均處于一個平滑的上升階段；隨著聲納報警作用距離的增加，反魚雷魚雷在目標(biāo)相同距離處實施攔截的攔截概率會有較大幅度提高，并且可以增大攔截來襲魚雷的時機區(qū)間。

5 結(jié)論

增加聲納報警距離，提高聲納測向精度、提高聲納測距精度都能提高反魚雷魚雷的發(fā)現(xiàn)概率。尤其是在發(fā)現(xiàn)來襲魚雷后的一段時間內(nèi)，增加聲納的報警作用距離以及提高聲納的測向精度，對于提高反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率作用較為明顯，而提高測距誤差對提高反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率作用相對較小。從原理上分析也可得到結(jié)論：在反魚雷魚雷使用迎面方式對來襲魚雷進(jìn)行攔截時，只要反魚雷魚雷在合適的時機轉(zhuǎn)到來襲魚雷的逆航向上，來襲魚雷測距的誤差可通過逆航向上繼續(xù)直航得到補償。

本文基于反魚雷魚雷迎面攔截方式建立了反魚雷魚雷的運動模型及效能評估模型，仿真了基于聲納重點指標(biāo)的反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率，并分析了聲納不同測距、測向誤差以及聲納報警作用距離對反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響，得出了一系列有意義的結(jié)論。但本文的討論是基于單一平面的，即來襲魚雷和反魚雷魚雷處于在同一平面內(nèi)運動，而實際情況中，兩雷的運動應(yīng)當(dāng)是空間的，本文所建立的運動模型只是實際情況的近似。要更深入研究反魚雷魚雷的彈道和攔截概率問題，就必須建立空間的多維運動模型，這一問題還有待進(jìn)一步研究。