多手段綜合防御魚雷指控系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)

陳顏輝,趙 雷

(1.武漢數(shù)字工程研究所,湖北 武漢 430205;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室,山東 青島 266000)

按照組織實施規(guī)模的不同,水面艦艇的魚雷防御行動可分為單一防御、綜合防御、協(xié)同防御3個控制層面。文獻[1]中系統(tǒng)闡述了水面艦艇采取規(guī)避機動、軟硬殺傷等手段獨立防御4種明確制導(dǎo)類型魚雷的基本原理,這些均屬于單一防御技術(shù),也是綜合防御魚雷技術(shù)研究的理論基礎(chǔ)。綜合防御技術(shù)作為當今水面艦艇防御魚雷領(lǐng)域的研究前沿,也就是通過合理規(guī)劃軟殺傷、硬殺傷以及規(guī)避機動等多種對抗手段,建立多層次、多形式的綜合防御魚雷對抗體系,從而最大程度上提高魚雷防御效能。目前,業(yè)內(nèi)關(guān)于水面艦艇多手段綜合防御魚雷研究已經(jīng)形成一定理論積累,本文主要探討如何構(gòu)建完整的綜合防御指控架構(gòu)與實現(xiàn)問題。

1 綜合防御指控原理

綜合防御魚雷可包含兩層概念:一是從探測、決策到交戰(zhàn)控制等各種設(shè)備的縱向綜合;二是關(guān)于規(guī)避機動、軟硬殺傷等多種對抗手段的橫向綜合?？v向綜合是新型防御魚雷系統(tǒng)基本的功能配置,而橫向綜合則體現(xiàn)了新型防御魚雷系統(tǒng)的多樣化研制特征。通常所說的綜合防御技術(shù)主要就是指橫向綜合,其含義不僅是運用多種對抗器材綜合殺傷魚雷,更是強調(diào)運用多種對抗手段綜合防御魚雷,包括利用本艦規(guī)避機動與軟硬殺傷器材之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)最大化綜合防御效能。

綜合防御技術(shù)的基本特征主要體現(xiàn)在2個方面:防御對象的多樣性、防御手段的多樣性。防御對象的多樣性是由水面艦艇對來襲魚雷制導(dǎo)類型的識別能力決定的?？紤]到水面艦艇在防御過程中難以準確獲知魚雷制導(dǎo)類型,因此防御對象可按照直航魚雷、聲自導(dǎo)魚雷、尾流自導(dǎo)魚雷、線導(dǎo)魚雷4種基本類型及其不同組合情況加以區(qū)分,并在此框架下制定防御策略。防御手段的多樣性主要體現(xiàn)在規(guī)避機動、軟殺傷、硬殺傷的綜合使用方面,典型的軟硬殺傷器材有拖曳聲誘餌、火箭助飛聲誘餌、火箭助飛噪聲干擾器、反魚雷魚雷(ATT)、懸浮深彈、誘殺彈等等。本艦的規(guī)避機動策略隨著對抗態(tài)勢的不同也會有所不同,因此制定綜合防御策略時就要協(xié)調(diào)各種對抗手段之間的相互影響。

綜合防御魚雷過程如圖1所示,大致劃分為報警、識別、定位、決策和實施5個階段。其中,識別是對來襲魚雷制導(dǎo)類型的識別,定位是預(yù)測來襲魚雷彈道散布,決策是指多手段綜合運用策略的優(yōu)化。整個防御過程在理論上可以構(gòu)成多次循環(huán),但在魚雷報警聲納發(fā)現(xiàn)魚雷來襲并持續(xù)跟蹤過程中,一旦水面艦艇采取了軟硬殺傷或規(guī)避機動后,就可能導(dǎo)致目標進入報警聲納探測盲區(qū),或軟硬殺傷器材工作噪聲嚴重干擾報警聲納而丟失目標,因此應(yīng)立足于一次性防御部署的理念展開綜合防御決策的制定與指揮控制。

圖1 綜合防御實施過程

圖1中的識別、定位2個環(huán)節(jié)也可以歸結(jié)為態(tài)勢生成問題,這個問題是制約魚雷防御效能提升的主要瓶頸。由于所獲關(guān)鍵信息的數(shù)量少、精度差且態(tài)勢緊迫,水面艦艇對魚雷來襲的戰(zhàn)場感知能力弱,所獲信息和數(shù)據(jù)不能為傳統(tǒng)意義上的目標識別方法和要素解算算法提供足夠支持,難以及時構(gòu)造出清晰完整的戰(zhàn)場態(tài)勢。在這種情況下,展開合理預(yù)測就成為了信息補充的必要手段,也就是在各種直接探測信息的基礎(chǔ)上通過人工估測或綜合解算方式而得出某些關(guān)鍵信息,形成對戰(zhàn)場態(tài)勢相對客觀、及時的描述,進而構(gòu)建出綜合防御的優(yōu)化策略。

2 綜合防御態(tài)勢生成

態(tài)勢生成是綜合防御魚雷指控系統(tǒng)的核心工作。就現(xiàn)有探測手段而言,圖1中的類型識別和彈道散布2類信息是很難及時而準確獲取的。但就現(xiàn)有防御手段而言,對這2類信息的需求又是無法回避的,因此必須要從多角度入手尋求解決途徑。

2.1 魚雷制導(dǎo)類型識別

已知潛射魚雷可分為直航、聲自導(dǎo)、尾流自導(dǎo)和線導(dǎo)4種基本類型。在實際對抗中,只有識別出明確的制導(dǎo)類型,才能更有針對性地制定防御策略。文獻[1,5-7]從戰(zhàn)技特征層入手提煉出了13個特征證據(jù),分析了這些證據(jù)的影響機理并構(gòu)建了基于“排除”概念的類型識別融合算法。這也是一種基于知識和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的專家推理系統(tǒng),其核心思想就是逆向運用潛艇魚雷攻擊原理中的各種限制條件、以人機結(jié)合的方式展開合理推測。

類型識別畢竟是個不確定性推理過程,在剝離了輸出結(jié)果中的不確定信度表述后,魚雷制導(dǎo)類型識別的輸出結(jié)果可以按照圖2所示分為單選、雙選、三選和全選4組(共含15種)確定性組合形式。

圖2 魚雷制導(dǎo)類型識別輸出的可能結(jié)果

水面艦艇只有對其中每一種識別結(jié)果都能形成相應(yīng)的綜合防御策略,方能擺脫對指揮員的思維束縛,并確保綜合防御決策適用空間的完整性。例如:經(jīng)過最終推理確認來襲魚雷不是直航魚雷B、尾流自導(dǎo)魚雷B,但仍無法確認其究竟為聲自導(dǎo)魚雷B還是線導(dǎo)魚雷B,則水面艦艇制定對抗策略時就要兼顧防御假設(shè)組合BB中的所有類型魚雷。

2.2 魚雷彈道信息求解

水面艦艇探測魚雷主要依靠被動報警聲納,且只能相對準確地測定來襲魚雷方位信息,至于魚雷航向、航速、距離等信息則無法直接探測獲得。對于單基聲納被動探測信息而言,利用匹配場處理(matched field processing,MFP)、垂直波束形成、聚焦波束形成、目標運動分析(target motion analysis,TMA)等方法都可實現(xiàn)目標定位和運動要素求解。但應(yīng)用到魚雷防御態(tài)勢中,目前只有下面2類TMA算法具備一定可行性。

①實際彈道預(yù)測法。即利用相對少量估測參數(shù)以及聲納系統(tǒng)一段時間內(nèi)持續(xù)提供的目標時間-方位序列求解來襲魚雷彈道散布的數(shù)學(xué)方法。圖3給出了運用兩方位一距離一速度方法求解由不同方位入射魚雷航向的仿真示意圖,其原理詳見文獻[4,8-9]。這種方法在潛艇火控系統(tǒng)中應(yīng)用較多,輸出結(jié)果客觀性較強且服從于收斂率標準,對參數(shù)誤差具備自我修正能力。但是,解算結(jié)果對信息累計時長依賴性大,累計時間較短無法達到收斂標準,累計時間較長會嚴重擠壓后續(xù)行動實施環(huán)節(jié)的寶貴時間,而且也不適用于求解魚雷的線導(dǎo)導(dǎo)引彈道和自導(dǎo)追蹤彈道。

圖3 實際彈道預(yù)測法求解魚雷航向收斂示意

②似然彈道預(yù)測法。即利用相對較多估測參數(shù)以及聲納系統(tǒng)提供某一時刻的目標方位信息、逆向運用潛艇魚雷射擊原理來預(yù)測魚雷彈道散布的數(shù)學(xué)方法。圖4給出了運用似然彈道預(yù)測法求解由不同方位入射魚雷的直航或線導(dǎo)導(dǎo)引彈道散布,其原理詳見文獻[1,9-10]。這種方法實時性好,無需對探測信息進行長時間累積,可瞬時求解來襲魚雷的彈道散布范圍,而且既能用于對直航彈道的預(yù)測求解,也可通過仿真手段預(yù)測出線導(dǎo)魚雷的線導(dǎo)導(dǎo)引彈道。但是,這種方法的運用必須與上述的制導(dǎo)類型識別功能相結(jié)合,而且不具備對參數(shù)誤差的自我修正能力,也難以使用明確的概率標準來定量評估解算結(jié)果對魚雷實際彈道的遮蓋程度。

圖4 4種類型魚雷似然彈道預(yù)測仿真示意

將上述2種方法相互結(jié)合運用更能在一定程度上提高彈道散布預(yù)測的可信度,但實際對抗中仍未必滿足魚雷防御的定位需求。如何進一步降低彈道解算中的不確定因素影響始終是一個難點,只有從探測器材的研發(fā)、解算算法的改進、防御策略的優(yōu)化以及對抗器材的設(shè)計等多方向同時入手,才有望將其對魚雷防御行動的瓶頸影響降至最小。

3 綜合防御策略制定

在實現(xiàn)了態(tài)勢生成后,制定綜合防御策略也就水到渠成了。但應(yīng)首先明確防御目的、實施原則及火力分配方式,之后才能考慮綜合防御策略的優(yōu)化問題。

3.1 綜合防御目的劃分

已知水面艦艇采用多手段綜合防御魚雷時所追求的根本目標是獲得最大生存概率,但這是一個籠統(tǒng)的概念,并不足以牽引魚雷防御策略的制定與實施。實際的防御行動主要還是圍繞具體對抗目的展開,然而運用不同手段對抗來襲魚雷的原理不同、具體的對抗目的也會存在各種差別,因此就涉及到了對抗目的整合問題,這在制定魚雷防御策略過程中是個相當重要的概念。

根據(jù)水面艦艇防御魚雷的3類主要手段,圖5給出了具體對抗目的之間的差別,例如:本艦規(guī)避機動可以將遠離彈道散布作為對抗目的,也可以將延緩魚雷命中時間作為對抗目的;硬殺傷器材可以將毀傷魚雷概率最大作為對抗目的,也可以將對本艦構(gòu)成可靠防護作為對抗目的;軟殺傷器材中的聲誘餌是將誘騙魚雷偏離原航線作為對抗目的,噪聲干擾器則是將壓制潛艇聲納探測效果并增大線導(dǎo)魚雷導(dǎo)引偏差作為對抗目的。在優(yōu)化多種對抗手段的綜合運用策略時,應(yīng)首先結(jié)合各種因素確定出主要對抗目的(通常以規(guī)避機動或硬殺傷為主確定),在主要對抗目的得以保障的前提下才能兼顧其他對抗目的。

圖5 對抗目的整合示意

3.2 綜合防御實施原則

綜合防御技術(shù)研究涉及范圍廣、相干因素多,可通過制定某些原則來縮小范圍、簡化流程。這些原則并非要求在實際運用中得到全面的體現(xiàn),主要是在干擾與沖突無法協(xié)調(diào)的情況下提供一種解決思路。

①綜合優(yōu)先原則。應(yīng)盡量多地選擇不同對抗器材和不同對抗手段綜合防御來襲魚雷,有些對抗手段之間可能存在沖突,但如果這種沖突的不利影響處于允許范圍內(nèi),例如“1+1>1.5”,仍可考慮綜合運用。

②效費比最佳原則。指水面艦艇實際裝備的對抗器材種類和數(shù)量往往有限,在對抗過程中需要綜合考慮目標類型與對抗器材貯備、沖突影響與綜合防御效果等因素,遵循效費比最佳的原則來確定器材發(fā)射數(shù)量與配比。

③硬殺傷優(yōu)先原則。相比軟殺傷器材而言,硬殺傷器材具備通用對抗各種類型魚雷的能力,且能從根本上消除來襲魚雷威脅,當兩類器材存在發(fā)射沖突或頻率干擾等情況時,應(yīng)優(yōu)先確保智能型硬殺傷器材的作戰(zhàn)使用與攔截效果。

④威脅優(yōu)先或信度優(yōu)先原則。在不同對抗器材或?qū)故侄沃g發(fā)生的沖突與干擾無法協(xié)調(diào)時,可考慮按照對本艦威脅大小的魚雷制導(dǎo)類型順序優(yōu)先組織防御,或者考慮按照類型識別可信度大小的魚雷制導(dǎo)類型順序優(yōu)先組織防御。

3.3 綜合防御火力分配

水面艦艇綜合防御魚雷火力分配可劃分為針對單枚魚雷的多火力分配、針對多枚魚雷的多火力分配2種形式。前者是構(gòu)建綜合防御指控系統(tǒng)時需要解決的首要問題,在此基礎(chǔ)上才可進一步拓展到針對2枚或多枚魚雷的多火力分配情形。

火力分配模塊在綜合防御指控系統(tǒng)中并非獨立運行,而是作為一條主線貫穿在態(tài)勢生成和決策制定的整個過程中。展開來講,綜合防御魚雷時的火力分配應(yīng)按圖6所示分2步實施:一是針對來襲魚雷制導(dǎo)類型的識別結(jié)果確定初步的火力分配方案;二是從不同對抗器材綜合運用的相干因素以及約束條件出發(fā),進一步確定二次火力分配方案并輸出結(jié)果。當然,實際對抗中還要考慮配備器材的種類、數(shù)量以及射擊盲區(qū)等因素才能確定。

圖6 綜合防御火力分配示意

3.4 綜合防御策略制定

多手段綜合防御魚雷研究實踐性要求強,只有結(jié)合具體裝備性能和試驗數(shù)據(jù)展開定量分析才有望得出最優(yōu)的綜合運用規(guī)則,文獻[1,4,12]對綜合防御運用策略做了嘗試性探討。不考慮具體的平臺性能與裝備差異,下面僅在似然彈道預(yù)測效果基礎(chǔ)上對綜合防御的共性規(guī)律展開定性分析,旨在揭示不同距離上相干因素以及關(guān)注重點,并用于綜合防御指控技術(shù)的工程實現(xiàn)。

1)中遠程報警。

當魚雷距離較遠時,魚雷尚處于直航搜索彈道或線導(dǎo)導(dǎo)引彈道,水面艦艇防御魚雷的關(guān)注重點在于對敵艇占位機動方式和火控解算規(guī)律的分析,以及對來襲魚雷制導(dǎo)方式和彈道散布特征的判斷(見圖4)。這種態(tài)勢下水面艦艇綜合防御策略主要以規(guī)避機動為主、硬殺傷次之、軟殺傷為輔的原則而展開,旨在通過規(guī)避機動實現(xiàn)“遠離彈道散布”的目的,同時利用軟硬殺傷器材形成對本艦規(guī)避航路的進一步防護。

在綜合防御圖2中的組合類型魚雷時,應(yīng)剔除那些僅適用于對抗某一類型魚雷,但卻會嚴重加劇其他類型魚雷威脅程度的方式。當類型組合中包含直航魚雷或聲自導(dǎo)魚雷時,水面艦艇應(yīng)力爭走出并遠離魚雷彈道散布或自導(dǎo)搜索帶。當類型組合中包含尾流自導(dǎo)魚雷或線導(dǎo)魚雷時,水面艦艇應(yīng)充分利用本艦規(guī)避機動所造成魚雷彈道變化的連鎖效應(yīng),實現(xiàn)精準硬殺傷,以期獲得“1+1>2”的綜合防御效果(見圖7)。

圖7 本艦規(guī)避后硬殺傷攔截線導(dǎo)魚雷示意

2)近程報警。

當魚雷距離較近時,魚雷已經(jīng)或即將進入自導(dǎo)追蹤彈道,水面艦艇防御魚雷的關(guān)注重點在于對魚雷自導(dǎo)邏輯以及追蹤彈道的判斷。這種態(tài)勢下水面艦艇依靠純機動規(guī)避已經(jīng)無法擺脫魚雷攻擊,綜合防御策略主要應(yīng)以硬殺傷為主、以軟殺傷和規(guī)避機動為輔的原則而展開,旨在對本艦當前位置點和規(guī)避航路構(gòu)成可靠防護(見圖8)。

圖8 綜合防御近程聲自導(dǎo)魚雷示意

在可靠性得以保障的前提下,硬殺傷器材應(yīng)重點考慮沿來襲魚雷方位線投放,本艦則在其保護扇面內(nèi)實施規(guī)避機動。軟殺傷器材的選擇需要依據(jù)類型組合中是否包含聲自導(dǎo)魚雷或線導(dǎo)魚雷而定,并在滿足相干性約束前提下確定綜合運用方式。由于態(tài)勢緊迫,此時多手段的綜合運用無須追求“1+1>2”的對抗效果,即便只有“1+1>1”也是可以考慮的,這也涉及到了更近距離內(nèi)的相干性分析、歸一化評估以及對抗目的整合等問題。

4 結(jié)束語

從整體架構(gòu)來看,開展綜合防御魚雷指控系統(tǒng)研發(fā)所涉及的主要環(huán)節(jié)目前均已有文獻做了詳細探討,包括來襲魚雷制導(dǎo)類型識別模型、彈道預(yù)測求解模型、軟硬殺傷器材獨立運用模型、本艦純機動規(guī)避模型,以及綜合防御運用技術(shù),并初步形成了一條相對完整的理論體系、具備了實現(xiàn)條件。但在綜合防御魚雷指控系統(tǒng)研發(fā)過程中需注意:不應(yīng)把試圖繞過指揮員的自動化、智能化作為指控研發(fā)的根本目的,確保在有限時間內(nèi)的態(tài)勢生成真實性和決策制定合理性才是指控研發(fā)的核心追求。