水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究

孫振新, 顧天軍

水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究

孫振新, 顧天軍

(江蘇自動(dòng)化研究所, 江蘇 連云港, 222061)

隨著魚雷智能化水平不斷提高, 反魚雷魚雷(ATT)作為對(duì)抗來襲魚雷的硬殺傷武器已成為各國(guó)研究的重點(diǎn), 而攔截策略直接影響ATT的攔截概率。對(duì)此, 文中首先建立了ATT概略位置攔截、迎面攔截、直接攔截和當(dāng)前位置攔截4種模型, 將水面艦艇防御來襲魚雷過程分為遠(yuǎn)距離段防御、中距離段防御、近距離段防御和近界段防御4個(gè)過程, 通過對(duì)不同態(tài)勢(shì)下ATT攔截概率的仿真計(jì)算得出不同距離段ATT最優(yōu)攔截方式, 并提出水面艦艇防御來襲魚雷的最優(yōu)攔截策略。文中研究可為改善水面艦艇的海上生存能力提供參考。

反魚雷魚雷; 攔截概率; 攔截策略

0 引言

隨著現(xiàn)代魚雷在水面、空中和水下的廣泛應(yīng)用, 其對(duì)目標(biāo)的隱蔽搜索、探測(cè)和攻擊能力大大提高, 迫使水面艦艇采用更多的方式對(duì)其進(jìn)行防御[1]。同時(shí), 在目標(biāo)提取和判斷技術(shù)方面, 現(xiàn)代魚雷已經(jīng)能夠有效識(shí)別假目標(biāo)、聲誘餌和聲對(duì)抗器材等“軟對(duì)抗”器材。反魚雷魚雷(anti-torpedo tor- pedo, ATT)作為一種新型“硬殺傷”武器, 具有主動(dòng)搜索和精確制導(dǎo)的特點(diǎn), 相比于攔截彈、深彈等“硬殺傷”武器, 高毀傷概率使其成為各軍事強(qiáng)國(guó)研究的重點(diǎn)。

“綜合即創(chuàng)造”是現(xiàn)代科技創(chuàng)新發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。水面艦艇綜合防御魚雷技術(shù)不僅要通過合理規(guī)劃軟殺傷、硬殺傷以及規(guī)避機(jī)動(dòng)等多種對(duì)抗形式, 建立全方位、多層次、多手段的綜合防御魚雷一體化作戰(zhàn)機(jī)制, 而且要研究不同態(tài)勢(shì)下ATT最優(yōu)攔截策略, 最大限度地縮短反應(yīng)時(shí)間、提高打擊精度和防御效能[2]。

基于此, 文中探討了ATT 4種攔截方式的攔截彈道及適用態(tài)勢(shì), 通過對(duì)不同態(tài)勢(shì)下ATT攔截概率的仿真計(jì)算, 得出不同距離段ATT最優(yōu)攔截方式, 從而提出水面艦艇防御來襲魚雷的最優(yōu)攔截策略。

1 模型建立

1.1 直接攔截模型

直接攔截是通過解算來襲魚雷的速度、航向及方位得到其攻擊彈道, 并在解算出來襲魚雷攻擊彈道后, 利用解三角形原理, 求解ATT諸元參數(shù), 設(shè)定ATT攔截彈道, 使其出現(xiàn)在目標(biāo)未來航路相遇點(diǎn)附近, 利用ATT自導(dǎo)搜索系統(tǒng), 捕獲來襲魚雷[3], 攻擊過程如圖1所示。

圖1 ATT直接攔截攻擊過程示意圖

假定來襲魚雷報(bào)警位置在點(diǎn), 以固定提前角方式朝本艦攻擊, 艦艇火控系統(tǒng)解算出射擊諸元后, ATT按照設(shè)定彈道直接攔截來襲目標(biāo), 有利提前角為, 通過一段直線航行, 在來襲魚雷未來航路點(diǎn)位置與目標(biāo)相遇, 簡(jiǎn)化的攔截彈道如圖2所示, ATT攔截來襲魚雷仿真如圖3所示。圖中:V為艦艇航速;V為來襲魚雷航速;V為ATT航速;為艦艇航速和來襲魚雷速度比;1為目標(biāo)初始方位;2為相遇點(diǎn)目標(biāo)方位;1為目標(biāo)初始距離;2為相遇時(shí)雷艦距離。

圖2 ATT直接攔截彈道示意圖

圖3 ATT直接攔截來襲魚雷仿真示意圖

相應(yīng)數(shù)學(xué)模型

1.2 迎面攔截模型

迎面攔截是在解算來襲魚雷攻擊彈道后, 得到ATT直航距離和轉(zhuǎn)角參數(shù)。ATT入水直航一段距離后, 通過轉(zhuǎn)向使其沿著來襲魚雷相反的方向航行, 進(jìn)而實(shí)施攔截, 攻擊過程如圖4所示。簡(jiǎn)化的攔截彈道如圖5所示, 攔截來襲魚雷仿真示意圖見圖6。相應(yīng)數(shù)學(xué)模型如下。

1) ATT直航彈道

式中: Va為ATT航速; Ca為ATT的航向。

圖5 ATT迎面攔截彈道示意圖

圖6 ATT迎面攔截來襲魚雷仿真示意圖

2) ATT的旋回彈道模型[4-5]

旋回搜索過程中ATT的航向

式中: 順時(shí)針取負(fù), 逆時(shí)針取正;C(t)為ATT初始旋回航向;ω為ATT的旋回角速度。

3) ATT旋回后的彈道模型

式中,為轉(zhuǎn)角, 其與目標(biāo)方位1、目標(biāo)距離1及目標(biāo)航向C有關(guān)。

1.3 當(dāng)前位置攔截模型

當(dāng)前位置攔截屬于應(yīng)急攔截, 當(dāng)目標(biāo)距離較近, 來不及解算目標(biāo)航速航向時(shí), ATT可通過一次轉(zhuǎn)角后直接朝著目標(biāo)的當(dāng)前位置進(jìn)行搜索, 攻擊過程如圖7所示。

圖7 ATT當(dāng)前位置攔截攻擊過程示意圖

設(shè)水面艦艇在點(diǎn), 以速度V和航向C運(yùn)動(dòng), 目標(biāo)當(dāng)前位置在點(diǎn), ATT旋回半徑為r, 聲吶探測(cè)到來襲魚雷方位1、雷艦距離為1。考慮到發(fā)射裝置與艦艇位置關(guān)系(夾角π/4), ATT發(fā)射入水后, 轉(zhuǎn)過角度, 朝來襲魚雷點(diǎn)位置沿著方向進(jìn)行搜索, 攔截彈道如圖8所示。

相應(yīng)數(shù)學(xué)模型

1.4 概略位置攔截模型

概略位置攔截彈道是在僅知道目標(biāo)方位信息情況下, 利用四方位法[6]解算出來襲魚雷概略航向航速, 預(yù)估來襲魚雷的彈道, 進(jìn)而實(shí)施概略攔截, 概略攔截彈道如圖9所示。

設(shè)水面艦艇在點(diǎn), 以速度V、航向C運(yùn)動(dòng)。聲吶被動(dòng)探測(cè)情況下, 在點(diǎn)發(fā)現(xiàn)來襲魚雷在點(diǎn), 方位為, 概略航向C,連線與來襲魚雷方位線的夾角為。當(dāng)聲吶探測(cè)到來襲魚雷目標(biāo)時(shí), 來襲魚雷可能發(fā)現(xiàn)本艦, 也可能沒有發(fā)現(xiàn)本艦。如果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本艦, 則其航向通常是指向本艦的, 即方向; 如果沒有發(fā)現(xiàn)本艦, 則其航向是原正常的搜索航向, 即沿概略航向C方向搜索。因此來襲魚雷的實(shí)際航向可能分布在和C區(qū)間內(nèi)的任意一個(gè)方向。

圖8 ATT當(dāng)前位置攔截彈道示意圖

圖9 ATT概略位置攔截彈道示意圖

按照概略航向及概略速度可算出ATT的發(fā)射提前角

式中:為ATT的發(fā)射提前角;V為ATT的航速;V為來襲魚雷的概略速度。

因此, 在不能得到更多目標(biāo)信息態(tài)勢(shì)下, ATT的攻擊航向可取連線與本艦航向C區(qū)間的中間值。依據(jù)以上攔截模型可得到4種攔截方式下的攔截方案。

1) 直接攔截方案

ATT采用直航搜索的攔截彈道, 利用解相遇原理, 減少了攻擊距離, 縮短了攔截時(shí)間。作為該方案具備高效能的重要前提, 其首先要解算出目標(biāo)精確航路和運(yùn)動(dòng)要素, 因此該方案一般是在聲吶主動(dòng)探測(cè)工況或者聲吶主被動(dòng)聯(lián)合探測(cè)工況下使用, 屬于精確攔截。

2) 迎面攔截方案

該方案是在發(fā)射ATT以后, 通過ATT轉(zhuǎn)角使其旋回到來襲魚雷的攻擊航向上, 開啟自導(dǎo), 沿目標(biāo)彈道的逆航向上進(jìn)行搜索。其適用于已知來襲目標(biāo)距離、方位及航向信息, 也屬于精確攔截, 同樣對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算精度要求很高, 需要在聲吶的主動(dòng)探測(cè)工況下使用。

3) 當(dāng)前位置攔截方案

該方案屬于近界應(yīng)急攔截, 由于系統(tǒng)沒有足夠的反應(yīng)時(shí)間解算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù), 攔截效能取決于ATT的自導(dǎo)性能, ATT入水后, 朝著目標(biāo)當(dāng)前位置攻擊, 依靠自身的搜索系統(tǒng)捕獲毀傷目標(biāo), 適應(yīng)于近界應(yīng)急防御態(tài)勢(shì)。

4) 概略位置攔截

該方案屬于遠(yuǎn)距離攔截, 此時(shí)艦艇聲吶處于被動(dòng)探測(cè)工況下, 不能獲取目標(biāo)的速度、距離及航向等信息, 只能得到目標(biāo)的方位信息, 由于獲得的目標(biāo)信息少且精度不高, 因此該方案攔截效能不高, 往往配合艦艇機(jī)動(dòng)規(guī)避來保證艦艇的安全。

2 攔截策略研究

現(xiàn)代魚雷武器攻擊速度更快、隱蔽性更強(qiáng), 同時(shí)魚雷導(dǎo)引方式也趨于多樣化: 聲自導(dǎo)和線導(dǎo)相結(jié)合、尾流自導(dǎo)和線導(dǎo)相結(jié)合, 加之在目標(biāo)識(shí)別、推進(jìn)控制系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域的不斷深入, 在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別來襲魚雷的制導(dǎo)類型較為困難[7], 可將防御區(qū)段分為遠(yuǎn)距離段、中距離段、近距離段及近界段, 由單一層次向遠(yuǎn)中近多層次防御發(fā)展。

1) 遠(yuǎn)距離區(qū)段

在距艦艇距離7~5 km的范圍內(nèi), 本艦聲吶采用被動(dòng)探測(cè)方式, 且此時(shí)來襲魚雷還處于直航段, 未進(jìn)入自導(dǎo)段, 此種態(tài)勢(shì)只能選擇概略位置方案, 并配合機(jī)動(dòng)完成防御。

2) 中距離段

在距艦艇距離5~3 km的范圍內(nèi), 本艦聲吶可以對(duì)來襲魚雷進(jìn)行報(bào)警和探測(cè), 并獲得目標(biāo)的距離、方位、航速及航向, 但目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算誤差較大。此區(qū)段可采用迎面攔截方案, 該方案對(duì)速度的解算精度要求不高, 為獲得較好的攔截效能, 可考慮雙雷迎面齊射, 增大ATT自導(dǎo)搜索覆蓋范圍, 提高對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

3) 近距離段

在距艦艇距離3~1 km的范圍內(nèi), 來襲魚雷已經(jīng)進(jìn)入自導(dǎo)搜索段, 本艦聲吶采用主動(dòng)探測(cè)方式, 可獲得精確的目標(biāo)速度、航向、方位和距離等信息, 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算精度較高?？蛇x擇直接攔截, 縮短攻擊時(shí)間, 也可選擇迎面攔截, 兩者都有較高的攔截效能, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確攔截, 此區(qū)域段為ATT攔截目標(biāo)的主要區(qū)段。

4) 近界段

在距艦艇距離1 km~500 m的范圍內(nèi), 此時(shí)來襲魚雷朝著本艦攻擊, 由于報(bào)警距離較近, 靠本艦機(jī)動(dòng)已無法擺脫目標(biāo)的追蹤, 且來不及解算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素, 只能采用當(dāng)前位置方案進(jìn)行應(yīng)急攔截, 依靠ATT自身的自導(dǎo)性能攔截目標(biāo), 同時(shí)可配合拖曳式聲誘餌誘騙綜合防御。

3 仿真驗(yàn)證與分析

3.1 捕獲魚雷條件

ATT采用扇面檢測(cè)法進(jìn)行主動(dòng)搜索, 即在ATT搜索過程中, 只有目標(biāo)進(jìn)入了ATT的自導(dǎo)搜索扇面內(nèi), 才能發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 進(jìn)而去捕獲目標(biāo)。因此, 目標(biāo)和ATT之間的相對(duì)距離和相對(duì)方位必須滿足一定的約束條件。

ATT與來襲魚雷的相對(duì)距離

來襲魚雷的相對(duì)方位[8]

式中:為ATT的橫坐標(biāo);為ATT的縱坐標(biāo);為來襲魚雷的橫坐標(biāo);為來襲魚雷的縱坐標(biāo)。

ATT最大搜索航距為, 搜索扇面半徑為, 自導(dǎo)扇面角為時(shí), 需同時(shí)滿足[9]

當(dāng)同時(shí)滿足上述3個(gè)條件時(shí), 可判定來襲魚雷進(jìn)入了ATT的搜索范圍, ATT開啟自導(dǎo), 直至捕獲目標(biāo)。

3.2 仿真驗(yàn)證

仿真條件如下:

1) 系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間: 非應(yīng)急攔截(遠(yuǎn)距離段、中距離段、近距離段)反應(yīng)時(shí)間取18 s(聲吶穩(wěn)定跟蹤6個(gè)點(diǎn), 周期3 s), 應(yīng)急攔截(近界段)反應(yīng)時(shí)間取3 s;

2) 來襲魚雷制導(dǎo)類型: 聲自導(dǎo)魚雷;

3) 來襲魚雷攻擊方式: 固定提前角10°;

4) 誤差水平: 設(shè)為目標(biāo)距離, 聲吶主動(dòng)工況下, 測(cè)向誤差2°, 測(cè)距誤差2%+50 m, 測(cè)速誤差1 kn; 聲吶被動(dòng)工況下, 測(cè)向誤差10°, 測(cè)距誤差20+100 m, 測(cè)速誤差2 kn;

5) ATT運(yùn)動(dòng)參數(shù): 自導(dǎo)作用距離800 m, 自導(dǎo)搜索扇面角90°, 轉(zhuǎn)角角速度50°/s, ATT轉(zhuǎn)角延遲500 ms。

仿真結(jié)果如圖10~圖14所示。

遠(yuǎn)距離段采用概略位置攔截, 從仿真結(jié)果來看, 發(fā)現(xiàn)概率不高, 主要因?yàn)槁晠忍綔y(cè)精度較低, 能獲取的目標(biāo)信息較少, 當(dāng)然此區(qū)域段來襲魚雷一般處于直航段, 這時(shí)本艦還未進(jìn)入來襲魚雷的自導(dǎo)搜索范圍, 可利用概略位置攔截進(jìn)行初步防御, 同時(shí)也為艦艇向安全區(qū)域機(jī)動(dòng)規(guī)避提供參考。

中距離段聲吶探測(cè)處于被動(dòng)工況下, 選擇迎面攔截, 通過仿真結(jié)果可得, 單射/齊射迎面攔截情況下, 發(fā)現(xiàn)概率隨著報(bào)警距離增加不斷提高, 報(bào)警距離在3500 m時(shí), 迎面齊射攔截對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率達(dá)80%左右, 整個(gè)區(qū)域齊射條件下, 對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率比單射攔截時(shí)提高15%左右; 另外, 該區(qū)域系統(tǒng)有充足的反應(yīng)時(shí)間實(shí)施防御攔截, 因此該距離段優(yōu)先選擇迎面齊射攔截。

圖10 遠(yuǎn)距離段概略位置攔截仿真結(jié)果

圖11 中距離段單/齊射迎面攔截仿真結(jié)果

圖12 近距離段單/齊射攔截仿真結(jié)果

圖13 近界段當(dāng)前位置攔截仿真結(jié)果

圖14 發(fā)現(xiàn)概率隨報(bào)警距離變化曲線

近距離聲吶探測(cè)處于主動(dòng)工況下, 能獲取全面的目標(biāo)信息且目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算精度較高, 攔截方式可選擇單/齊射迎面攔截、單/齊射直接攔截, 通過仿真結(jié)果可得, 2種攔截方式單射情況下對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率都可達(dá)85%以上, 目標(biāo)報(bào)警距離小于2 km時(shí), 對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率達(dá)90%以上, 且齊射對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率提高不明顯, 因此該距離段優(yōu)先選擇單射。考慮到該區(qū)域本艦很可能已經(jīng)在來襲魚雷自導(dǎo)搜索扇面內(nèi), 攻擊時(shí)間窗口進(jìn)一步縮短, 相比迎面攔截, 直接攔截方式具有更短攻擊時(shí)間, 因此目標(biāo)處在3~2 km范圍內(nèi)優(yōu)先選擇迎面單射攔截; 目標(biāo)處在2~1 km范圍內(nèi), 優(yōu)先選擇單射直接攔截方式。

近界段本艦已經(jīng)落入來襲魚雷自導(dǎo)搜索范圍內(nèi), 且目標(biāo)朝著本艦攻擊, 距離在1 km以內(nèi), 本艦既不能通過機(jī)動(dòng)擺脫目標(biāo)的攻擊, 又來不及解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素, 因此該區(qū)域適合采用當(dāng)前位置攔截, 屬于應(yīng)急攔截方式?？紤]到ATT自導(dǎo)性能, 在ATT入水開啟自導(dǎo)后, 目標(biāo)基本上都落在ATT的自導(dǎo)搜索范圍內(nèi), 對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率可達(dá)98%左右, 從艦艇的安全角度考慮, 毀傷來襲魚雷也會(huì)影響到本艦安全, 因此應(yīng)可能在1 km以外范圍內(nèi)攔截來襲魚雷。

通過仿真結(jié)果可得如下結(jié)論。

1) 遠(yuǎn)距離(7~5 km): 采用概略位置攔截ATT對(duì)來襲魚雷發(fā)現(xiàn)概率不高, 但此態(tài)勢(shì)下, 目標(biāo)對(duì)艦艇的威脅還不大, 配合艦艇機(jī)動(dòng), 降低艦艇進(jìn)入來襲魚雷自導(dǎo)搜索范圍的概率。

2) 中距離(5~3 km): 應(yīng)優(yōu)先選擇齊射迎面攔截方式, 相比于單射, 齊射方式對(duì)目標(biāo)的平均發(fā)現(xiàn)概率可提高15%左右。

3) 近距離段(3~1 km): 可選擇直接攔截或迎面攔截單射方式, 對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率可達(dá)90%以上, 齊射方式下對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率改善不明顯。

4) 近界段(1 km~500 m): 采用當(dāng)前位置攔截方式, 目標(biāo)幾乎都落在自導(dǎo)搜索扇面內(nèi), 平均發(fā)現(xiàn)概率可達(dá)98%左右。

對(duì)魚雷目標(biāo)不同距離段下, 對(duì)應(yīng)的優(yōu)先攔截策略如圖15所示。

圖15 不同距離段對(duì)應(yīng)的最優(yōu)攔截策略

4 結(jié)束語

文中基于ATT作戰(zhàn)效能對(duì)水面艦艇多層次防御策略進(jìn)行了研究, 根據(jù)來襲魚雷的報(bào)警距離, 在遠(yuǎn)距離段、中距離段、近距離段及近界段4個(gè)區(qū)域中, 結(jié)合每個(gè)區(qū)域的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)和4種方案的適用條件, 通過仿真驗(yàn)證及定性分析, 得出各區(qū)域段的最優(yōu)攔截策略; 并對(duì)ATT常用的4種攔截方式進(jìn)行了歸納總結(jié), 建立了系統(tǒng)作戰(zhàn)使用模型。文中的仿真是建立在來襲魚雷采用固定提前角攻擊水面艦艇的基礎(chǔ)上進(jìn)行, 同時(shí)沒有考慮來襲魚雷的制導(dǎo)類型(不同制導(dǎo)類型的來襲魚雷對(duì)應(yīng)的攔截策略也會(huì)不同), 在今后的作戰(zhàn)研究中應(yīng)結(jié)合來襲魚雷的制導(dǎo)類型, 制定更加精確有效的攔截策略。

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Research on Anti-Torpedo Torpedo Interception Strategy of Surface Ship

SUN Zhen-xin, GU Tian-jun

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061,China)

As the capability of torpedo intelligence continues to improve, anti-torpedo torpedoes (ATTs) have become a major research focus in many countries, where the interception strategy directly affects ATT interception probabilities. In this study, four ATT models of rough-position, head-on, direct and current-location interception are established to defend against incoming torpedoes. The defense strategy is divided into four processes: long-range, medium-range, close-range, and near-boundary. Based on a simulation of the ATT interception probability under different situations, an optimal interception method of the ATT at different ranges is then obtained, and an optimal interception strategy for surface ships to defend against incoming torpedoes is proposed, thus providing a significant means of improving survivability of surface ships.

anti-torpedo torpedo; interception probability; interception strategy

TJ630.2; E833

A

2096-3920(2020)06-0699-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.016

2020-06-17;

2020-07-15.

孫振新(1965-), 碩士, 研究員, 主要研究方向?yàn)樗媾炌Щ鹂叵到y(tǒng).

孫振新, 顧天軍. 水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(6): 699-705.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)