電子海圖技術(shù)在反潛反魚雷火控設(shè)備上的應(yīng)用

邱玉珍，宋 昕，陳斌斌

（中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

電子海圖技術(shù)研究在我國始于20世紀80年代初期。中國海事局按照相應(yīng)的國際標準制作完成的數(shù)百幅不同比例尺的電子海圖，在海上搜救指揮、船舶進出港引航、船舶交通管理、航標維護、航道整治等領(lǐng)域得到廣泛成功應(yīng)用。近年來隨著海軍水面艦艇武器裝備建設(shè)的迅速發(fā)展，驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦?zāi)酥烈恍┛焱У膶?dǎo)航系統(tǒng)、指控系統(tǒng)均配置了電子海圖[1]。電子海圖的裝備與雷達設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)為艦船引航、海洋環(huán)境調(diào)查、作戰(zhàn)系統(tǒng)的指揮控制起到了重要的作用[2]。

迄今為止，電子海圖應(yīng)用技術(shù)在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到成功應(yīng)用。然而，電子海圖技術(shù)在反潛反魚雷火控設(shè)備上使用在國內(nèi)尚無報道。反潛反魚雷火控設(shè)備的主要任務(wù)是接收傳感器探測的水下目標信息及本艦導(dǎo)航信息，通過控制反潛反魚雷武器，完成對水下目標的有效打擊。為使火控設(shè)備有效地攻擊水下來襲目標，如果能夠充分了解作戰(zhàn)現(xiàn)場的海洋環(huán)境，無疑能有助于對水下目標的精確定位。定位目標準確，則打擊效果明顯。基于上述思考，在反潛反魚雷火控設(shè)備上引入電子海圖技術(shù)是必要。

1 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

1.1 基于電子海圖背景的反潛反魚雷作戰(zhàn)態(tài)勢顯示

與其他領(lǐng)域應(yīng)用電子海圖技術(shù)相似，在反潛反魚雷火控設(shè)備環(huán)境下完成海圖顯示、海圖作業(yè)、海圖更新等功能是電子海圖技術(shù)應(yīng)用的基本任務(wù)。

1.1.1 電子海圖顯示

海圖顯示內(nèi)容一般包括在給定的投影方式（包括高斯投影和墨卡托投影），按地理坐標范圍和比例尺合成和顯示海圖；海圖放大、縮小、偏心操作顯示，顯示形式見圖1。分層顯示海圖信息（隱去本艦在特定航行條件下不需要的信息）。海圖圖層包括：地名、區(qū)域界限、礙航物、航道、水深、底質(zhì)、海流和磁要素、助航設(shè)備文字、助航設(shè)備圖符等。通過在菜單上設(shè)置海圖圖層選擇的子項，完成海圖圖層的選擇顯示，見圖2。

圖1 海圖顯示示例

1.1.2 電子海圖作業(yè)

海圖作業(yè)通常是通過獲取海圖上任意兩點的像素坐標，計算海圖上任意兩點間的距離、方位，也可以根據(jù)一點的經(jīng)緯度坐標和另一點的位置坐標計算另一點的經(jīng)緯度坐標；能夠進行84-54坐標系經(jīng)緯度之間的轉(zhuǎn)換；并在海圖上繪制本艦與目標的態(tài)勢，繪制誘殺彈入水后的落點及安全規(guī)避區(qū)域。

圖2 海圖圖層顯示示例

1.1.3 電子海圖更新

海洋環(huán)境會隨著時間的遷移而發(fā)生變化，海圖測繪的相關(guān)部門也會經(jīng)常性的發(fā)布新版海圖。通常海圖更新的途徑包括專用網(wǎng)絡(luò)下載和本地介質(zhì)拷貝。本文研究以本地介質(zhì)拷貝作為海圖更新的手段。

1.2 輔助指揮決策

反潛反魚雷火控設(shè)備作戰(zhàn)時實時接收來自綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息，將導(dǎo)航的經(jīng)緯度信息進行84到54的坐標轉(zhuǎn)換。然后自動與電子海圖圖庫匹配，在海圖上顯示作戰(zhàn)態(tài)勢。作戰(zhàn)態(tài)勢示例見圖3。顯示作戰(zhàn)態(tài)勢時，既可以相對坐標顯示以本艦為中心的海圖作戰(zhàn)現(xiàn)場。也可以絕對坐標選擇海圖區(qū)域顯示海圖以及本艦姿態(tài)信息。還具備通過裝訂手段裝訂本艦位置信息在海圖上顯示功能。導(dǎo)航數(shù)據(jù)裝訂對話框見圖4。反潛作戰(zhàn)時，占領(lǐng)有利攻擊陣位是反潛作戰(zhàn)使用的重要手段之一，傳統(tǒng)的火控設(shè)備選擇攻擊陣位時，考慮的是占位時間短和發(fā)現(xiàn)概率高的因素，但是選擇的陣位所屬海洋環(huán)境是否對本艦的航行造成危害，則不置可否?，F(xiàn)在，由于海圖的引入，能夠讓指揮員方便的觀察到航行前方的暗礁、禁航區(qū)、淺灘等礙航信息，提示指揮員選取攻擊陣位時注意規(guī)避。

圖3 作戰(zhàn)態(tài)勢示例

圖4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)裝定

如果在航行時或平時，指揮員需要查詢當前海圖信息可以很方便的在現(xiàn)實海圖上點擊鼠標查詢海圖基本信息。

1.3 快速目標定位

火控設(shè)備通過作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接收水聲系統(tǒng)發(fā)送的水下目標數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的目標指示、數(shù)據(jù)鏈信息、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的我艦運動和姿態(tài)數(shù)據(jù)。當火控設(shè)備收到聲納系統(tǒng)或其他傳感器發(fā)送的目標后，精確求取目標運動要素。對于距離方位確定的水下目標（潛艇、魚雷），采用傳統(tǒng)算法求解目標運動要素。對于傳感器只能探測到方位的魚雷目標，聲納給出方位序列，Bi與其對應(yīng)采樣時刻ti，火控設(shè)備中聲納送數(shù)間隔Δt =2s；已知Vw、Cw；火控設(shè)備采用多方位、一距離、一速度的算法求解目標運動要素[3]。根據(jù)目標距離、方位，自動計算目標的經(jīng)緯度坐標，并在海圖上顯示目標態(tài)勢。聲納不能測距時，僅有方位信息是很難進行目標定位的。魚雷速度可以通過設(shè)置在火控設(shè)備中的魚雷類型數(shù)據(jù)庫查詢出來襲魚雷速度（VT）。但是初始報警距離在傳統(tǒng)火控設(shè)備中只能通過人工判斷裝訂估計距離（D0）。一種聲納作用距離預(yù)報模型可以部分解決這個問題。這種模型的主要思想是在給定的海洋環(huán)境條件下，利用相關(guān)的聲學環(huán)境參數(shù)建立聲傳播模型，給出傳播損失曲線。結(jié)合聲納的優(yōu)質(zhì)因數(shù)確定聲納能夠檢測到目標的距離，從而確定可能的最小報警距離。這一方法的關(guān)鍵在于，損失曲線應(yīng)該匹配于海洋環(huán)境、聲波頻率、聲納深度、目標深度和其他用于計算優(yōu)質(zhì)因數(shù)時涉及到的聲納參數(shù)。如果傳感器報告目標丟失，火控設(shè)備通過用鼠標在海圖上右鍵彈出動態(tài)菜單，選擇“聲納導(dǎo)引”子菜單，見圖5。根據(jù)坐標位置提取當前海圖上的目標批號及水深數(shù)據(jù)，計算目標與本艦的斜距與方位以及海圖水深、底質(zhì)信息發(fā)送給聲納系統(tǒng)，幫助聲納精確定位目標。當聲納僅能提供水下來襲目標的純方位信息時，火控設(shè)備通過在海圖上用鼠標在目標方位線上連續(xù)點擊指定位置像素坐標，經(jīng)過像素坐標到經(jīng)緯度坐標變換，再轉(zhuǎn)換成相對本艦距離方位設(shè)定目標的距離信息，快速解算并定位目標位置。從海圖上顯示目標開始，到鼠標點擊選取坐標，直至解算目標運動要素整個過程瞬間便能完成。

圖5 聲納導(dǎo)引示例

1.4 快速目標指示功能

在集中指揮方式下，由作戰(zhàn)系統(tǒng)指控下達目標指示[4]，火控設(shè)備完成諸元計算。自主作戰(zhàn)指揮方式下，傳統(tǒng)的方法是設(shè)置“命令”菜單，選擇打擊目標的武器，輸入目標的批號、距離、方位、深度等信息，裝訂完成確認后，計算相應(yīng)的諸元信息。無疑人工裝訂的時間相對冗長。為了提高快速作戰(zhàn)的能力，本研究技術(shù)既保留人工菜單裝訂目標指示的功能，同時提供通過用鼠標在海圖上右鍵彈出動態(tài)菜單，選擇希望分配的武器目標指示子菜單，見圖6。通過鼠標點擊的打擊目標位置與目標批號相關(guān)計算，并自動提取海圖上水深信息，同時考慮安全性因素，快速解算諸元，提高自備方式作戰(zhàn)系統(tǒng)反應(yīng)時間。

圖6 目標指示示例

1.5 電子海圖技術(shù)提升諸元計算的效能

反潛反魚雷火控設(shè)備通常具備對反潛反魚雷武器的諸元計算能力。本研究技術(shù)綜合反潛火控設(shè)備的成熟技術(shù)，引入電子海圖的環(huán)境信息，提升火控設(shè)備對武器的控制能力[5]。例如：方便的提取海區(qū)深度、海流和磁要素等信息，幫助魚雷武器完成攻擊參數(shù)計算和設(shè)定；攔截魚雷目標時，可以直接從海圖上選取坐標，設(shè)定射距，自動匹配射程，完成反魚雷武器的攔截魚雷功能。這種能力對于傳統(tǒng)的反潛反魚雷火控設(shè)備是不具備的。

1.6 基于電子海圖的作戰(zhàn)現(xiàn)場重現(xiàn)

通常反潛反魚雷火控設(shè)備都具備作戰(zhàn)現(xiàn)場重現(xiàn)功能，本研究技術(shù)不僅記錄作戰(zhàn)時傳感器和武器諸元信息，同時記錄作戰(zhàn)海區(qū)環(huán)境信息，建立基于海洋環(huán)境的反潛反魚雷作戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫。當執(zhí)行重現(xiàn)功能時，作戰(zhàn)現(xiàn)場以電子海圖為背景，將記錄的目標和本艦信息全部或選擇性的重現(xiàn)在海圖上。見圖7。

圖7 作戰(zhàn)現(xiàn)場重現(xiàn)示例

2 應(yīng)用電子海圖反潛作戰(zhàn)流程

繼承反潛反魚雷火控設(shè)備的優(yōu)勢，通過引入電子海圖技術(shù)，提升反潛反魚雷火控設(shè)備的目標定位和快速解算能力，以便更加有效的打擊來襲的潛艇或魚雷等水下目標。本文研究技術(shù)從作戰(zhàn)流程研究及軟件模塊設(shè)計開發(fā)入手，利用電子海圖的信息資源，搭建使用Visual C++6.0編程環(huán)境模擬的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)作戰(zhàn)現(xiàn)場，進行仿真計算。計算表明：在同等航路下，當導(dǎo)引聲納探測目標定位精度提高50%，管裝魚雷發(fā)現(xiàn)目標的概率可以提高20%。對于6km以上的水下目標，系統(tǒng)反應(yīng)時間相比傳統(tǒng)的反潛火控設(shè)備提高了16%。驗證了提升反潛反魚雷火控設(shè)備的作戰(zhàn)能力。作戰(zhàn)流程圖見圖8。

圖8 應(yīng)用電子海圖進行反潛作戰(zhàn)流程圖

3 結(jié)束語

在研究過程中，我們也分析了電子海圖技術(shù)的引入是否會對火控作戰(zhàn)流程產(chǎn)生負面影響，例如系統(tǒng)開銷加大、反映時間增加等。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機的容量已足以滿足加入海圖的需求，海圖顯示僅在作戰(zhàn)海區(qū)跨越時或人工干預(yù)時刷新，不會增加系統(tǒng)反應(yīng)時間。通過演示軟件的開發(fā)，所謂的負面影響都在研究過程中充分考慮。以上研究表明，在反潛反魚雷火控設(shè)備上應(yīng)用電子海圖技術(shù)，既能夠拓寬電子海圖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，又有助于反潛反魚雷火控設(shè)備的能力提升，這對于加強海軍建設(shè)意義重大。

[1]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 15702-1995 電子海圖技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,1995.

[2]中華人民共和國海事局.電子海圖及其應(yīng)用系統(tǒng)國際規(guī)范和標準(S-57)[M].大連:大連海事大學出版社,1999.

[3]董志榮.目標運動分析新論[M].連云港:江蘇自動化研究所,2005.

[4]董志榮.艦艇指控系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[5]張英俊.電子海圖海圖的數(shù)學和算法基礎(chǔ)[M].大連: 中國海事大學出版社,2001.