艦艇編隊(duì)水聲對(duì)抗模型仿真分析*

錢(qián)海民 夏志軍 陸強(qiáng)強(qiáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院1) 大連 116018)(91991部隊(duì)2) 舟山 316000)

1 引言

水面艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)是現(xiàn)代海戰(zhàn)的主要形式,在對(duì)抗魚(yú)雷攻擊時(shí),編隊(duì)通過(guò)合理組織編隊(duì)內(nèi)各艦的對(duì)抗措施、協(xié)調(diào)編隊(duì)內(nèi)各艦規(guī)避機(jī)動(dòng),以提高編隊(duì)的生存概率。在對(duì)抗過(guò)程中,多種對(duì)抗器材的使用、多艘艦艇的規(guī)避,使得編隊(duì)水聲對(duì)抗組織比較復(fù)雜,協(xié)調(diào)比較困難[4]。通過(guò)建立合理、有效的編隊(duì)水聲對(duì)抗模型,使編隊(duì)能夠有效解決這些問(wèn)題。論文通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),分析了某種典型編隊(duì)條件下的編隊(duì)水聲對(duì)抗模型的有效性。

2 編隊(duì)水聲對(duì)抗仿真模型

2.1 仿真模型背景

仿真模型的編隊(duì)隊(duì)形由三艘具有水聲對(duì)抗能力艦艇組成,呈正三角隊(duì)形配置,各艦間距相同。主要的對(duì)抗方法有兩種,一是編隊(duì)各艦利用純規(guī)避方法對(duì)抗魚(yú)雷攻擊,二是編隊(duì)使用助飛式聲誘餌對(duì)抗魚(yú)雷攻擊。模型仿真過(guò)程中,編隊(duì)在魚(yú)雷報(bào)警后,得到魚(yú)雷報(bào)警舷角、魚(yú)雷報(bào)警距離,而魚(yú)雷實(shí)際位置為編隊(duì)報(bào)警區(qū)域附近一個(gè)隨機(jī)值。魚(yú)雷以有利提前角法被引導(dǎo)向編隊(duì),并以被動(dòng)工作方式探測(cè)、搜索,在捕捉到編隊(duì)艦艇后,轉(zhuǎn)為主、被動(dòng)聯(lián)合制導(dǎo)工作方式,攻擊編隊(duì)中距離魚(yú)雷最近的艦艇。編隊(duì)經(jīng)過(guò)決策反應(yīng),產(chǎn)生對(duì)抗魚(yú)雷攻擊方案,經(jīng)過(guò)決策實(shí)施時(shí)間后,編隊(duì)開(kāi)始規(guī)避、誘餌開(kāi)始工作。

編隊(duì)水聲對(duì)抗模型包括對(duì)抗決策模型、編隊(duì)艦艇的規(guī)避模型、海洋環(huán)境模型、聲傳播模型等。在仿真模型中,還包括目標(biāo)模型、魚(yú)雷自導(dǎo)邏輯、魚(yú)雷水聲探測(cè)模型等。仿真中,通過(guò)統(tǒng)計(jì)編隊(duì)的生存概率評(píng)估編隊(duì)水聲對(duì)抗的效果。當(dāng)魚(yú)雷航程耗盡,仍未命中編隊(duì)中任意艦艇,則編隊(duì)單次對(duì)抗成功;若魚(yú)雷命中編隊(duì)中任意艦艇,則編隊(duì)單次對(duì)抗失敗。每種報(bào)警態(tài)勢(shì)下進(jìn)行1000次仿真實(shí)驗(yàn),編隊(duì)的生存概率為:

2.2 編隊(duì)水聲對(duì)抗的決策模型

編隊(duì)水聲對(duì)抗的決策依據(jù)是魚(yú)雷報(bào)警信息:魚(yú)雷報(bào)警方位、魚(yú)雷報(bào)警距離。當(dāng)編隊(duì)可對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行跟蹤時(shí),根據(jù)魚(yú)雷的方位、距離信息,編隊(duì)可估計(jì)出魚(yú)雷的航向、航速;當(dāng)編隊(duì)不能跟蹤魚(yú)雷時(shí),可認(rèn)為魚(yú)雷是根據(jù)有利提前角法被導(dǎo)引向編隊(duì)艦艇,因此魚(yú)雷航向可根據(jù)式(2)、(3)估計(jì)值代替[2]:

其中,φ為魚(yú)雷攻擊提前角;q為魚(yú)雷報(bào)警距離,左舷為負(fù),右舷為正為艦艇航向。然后根據(jù)魚(yú)雷的報(bào)警位置,可預(yù)測(cè)魚(yú)雷可能的航跡線,這是編隊(duì)各艦進(jìn)行對(duì)抗決策、規(guī)避機(jī)動(dòng)的重要依據(jù)。

助飛式誘餌的作用是編隊(duì)各艦進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)時(shí),引誘魚(yú)雷攻擊自身,吸引魚(yú)雷注意力,掩護(hù)各艦艇規(guī)避。使用誘餌對(duì)抗魚(yú)雷攻擊時(shí),誘餌必須被魚(yú)雷捕捉才能起到對(duì)抗作用。根據(jù)誘餌的射程、回波延遲參數(shù),可確定誘餌起對(duì)抗作用需滿足的三個(gè)條件[2],如圖1所示:Ⅰ為艦艇可發(fā)射范圍,Ⅱ?yàn)檎T餌時(shí)間誘騙區(qū),Ⅲ為魚(yú)雷搜索帶。當(dāng)誘餌處于三個(gè)區(qū)域的交集內(nèi)時(shí),即圖中陰影部分,按照及早被發(fā)現(xiàn)的原則,選擇誘餌落點(diǎn)。首枚誘餌的落點(diǎn)必須盡量靠近預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航跡上,以增加被魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)的概率。

圖1 誘餌可發(fā)射區(qū)域示意圖

后續(xù)誘餌的發(fā)射同樣依據(jù)誘餌起作用的三個(gè)條件,不同的是,模型中假設(shè)魚(yú)雷航速很快,后續(xù)誘餌的落點(diǎn)確定,是以假設(shè)魚(yú)雷處于前一枚誘餌的位置上,處于丟失狀態(tài)為前提的。這樣的假設(shè)是合理的,因?yàn)榕炌мD(zhuǎn)向時(shí)位移速率的確比直航的魚(yú)雷低很多。這樣依次產(chǎn)生后續(xù)各枚誘餌的落點(diǎn),直到?jīng)]有符合誘餌起作用的區(qū)域?yàn)橹?即三個(gè)區(qū)域沒(méi)有交集。

助飛式聲誘餌工作過(guò)程[5]:誘餌經(jīng)過(guò)飛行段、入水懸浮,加電后立即處于可靠的工作狀態(tài),即可進(jìn)行噪聲輻射,且一旦收到主動(dòng)聲納信號(hào)可進(jìn)行重發(fā)應(yīng)答。它只能誘騙魚(yú)雷攻擊,不能引爆魚(yú)雷或使魚(yú)雷失效;而魚(yú)雷也不能破壞誘餌的工作或毀傷它,只有在其超過(guò)工作壽命時(shí)間后才能失去誘騙、干擾能力。

2.3 編隊(duì)艦艇規(guī)避模型[1]

編隊(duì)艦艇的規(guī)避也是根據(jù)魚(yú)雷報(bào)警信息產(chǎn)生決策的。根據(jù)編隊(duì)各艦艦位,編隊(duì)各艦可能位于預(yù)測(cè)魚(yú)雷航跡的同一側(cè),也可能位于魚(yú)雷預(yù)測(cè)航跡的異側(cè)。魚(yú)雷的搜索帶是最具威脅的區(qū)域,編隊(duì)內(nèi)處于魚(yú)雷搜索的艦艇,應(yīng)盡快駛離搜索帶,搜索帶以外的艦艇應(yīng)不要穿越搜索帶進(jìn)行轉(zhuǎn)向規(guī)避,駛離魚(yú)雷。艦艇規(guī)避魚(yú)雷搜索的最佳航向,是將來(lái)襲魚(yú)雷置于110°～130°舷角的航向。仿真中,各艦根據(jù)估計(jì)的魚(yú)雷航向和自身所處魚(yú)雷搜索帶的位置,選擇各自最佳規(guī)避航向進(jìn)行規(guī)避。當(dāng)各艦最佳規(guī)避航向相差不大時(shí),艦艇編隊(duì)可進(jìn)行齊轉(zhuǎn)規(guī)避。

2.4 魚(yú)雷探測(cè)模型

魚(yú)雷搜索扇面角為 70°左右,根據(jù)主、被動(dòng)聲納方程來(lái)判斷魚(yú)雷對(duì)艦艇、誘餌的捕捉條件。

魚(yú)雷主動(dòng)聲自導(dǎo)聲納方程[5]:

當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)魚(yú)雷自導(dǎo)頭部時(shí)的強(qiáng)度大于魚(yú)雷檢測(cè)域,且位于魚(yú)雷的搜索扇面角內(nèi)時(shí),即判斷魚(yú)雷主動(dòng)捕獲目標(biāo)。

魚(yú)雷被動(dòng)聲自導(dǎo)聲納方程[5]:

當(dāng)目標(biāo)聲源級(jí)到達(dá)魚(yú)雷自導(dǎo)頭處的強(qiáng)度大于魚(yú)雷檢測(cè)域時(shí),且位于魚(yú)雷的搜索扇面角內(nèi)時(shí),即判斷魚(yú)雷被動(dòng)捕獲目標(biāo)。

魚(yú)雷具有強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)選擇特性,誘餌能有效誘騙魚(yú)雷。在理想命中點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo),或捕捉目標(biāo)后又丟失時(shí),會(huì)進(jìn)行旋回搜索,在搜索未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),恢復(fù)原航向,進(jìn)行直航搜索。當(dāng)魚(yú)雷捕獲目標(biāo)后,用尾追法追擊,在接近到一定距離內(nèi)后,如果目標(biāo)是艦艇,則判斷魚(yú)雷命中艦艇。魚(yú)雷航程超過(guò)最大續(xù)航能力時(shí)魚(yú)雷失效,表示未命中目標(biāo)。

3 編隊(duì)水聲對(duì)抗模型的仿真檢驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)

魚(yú)雷航速 50kn,航程 20km,轉(zhuǎn)向角速度6.7°/s,自導(dǎo)扇面角 70°,主動(dòng)聲源級(jí) 182dB,指向性增益30dB,檢測(cè)閾0.5dB,3級(jí)海況;編隊(duì)初始航向0°,航速 18kn,規(guī)避機(jī)動(dòng)航速 30kn,轉(zhuǎn)向角速度1.5°/s,加速機(jī)動(dòng)時(shí)為 1.7°/s;誘餌模擬輻射噪聲級(jí)133dB,模擬主動(dòng)回波聲源級(jí)≥182dB。

3.2 仿真過(guò)程

圖2為編隊(duì)水聲對(duì)抗模型的仿真流程圖,仿真步長(zhǎng)為1s,即各對(duì)象狀態(tài)量每刷新一次,代表各對(duì)象運(yùn)動(dòng)1s。每次仿真實(shí)驗(yàn)中,若任意艦艇被魚(yú)雷命中,則對(duì)抗失敗;若魚(yú)雷航程耗盡仍未捕捉到艦艇,則單次對(duì)抗成功。單次仿真結(jié)束后,各對(duì)象重新進(jìn)行初始化,根據(jù)具體的報(bào)警態(tài)勢(shì),進(jìn)入下一輪仿真實(shí)驗(yàn),直到所有態(tài)勢(shì)下各個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束,統(tǒng)計(jì)出編隊(duì)在各個(gè)態(tài)勢(shì)下進(jìn)行對(duì)抗的成功率為止。

圖2 編隊(duì)對(duì)抗模型仿真流程圖

4 仿真結(jié)果分析

由于編隊(duì)隊(duì)形的對(duì)稱性,只對(duì)編隊(duì)右舷的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。為了分析編隊(duì)水聲對(duì)抗模型的有效性,分別對(duì)編隊(duì)純規(guī)避對(duì)抗魚(yú)雷攻擊、編隊(duì)使用聲誘餌對(duì)抗魚(yú)雷攻擊兩種情況進(jìn)行1000次統(tǒng)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。表1、表2分別為編隊(duì)利用純規(guī)避機(jī)動(dòng)和使用助飛式聲誘餌兩種方法對(duì)抗聲自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊的仿真結(jié)果。仿真區(qū)域是編隊(duì)中某條艦右舷70°～180°每隔 10°選取一個(gè)報(bào)警舷角,距離10～40cab每隔5cab選取一個(gè)報(bào)警距離。

圖3～圖5是表1和表2中,報(bào)警距離分別為20cab、25cab、30cab,各舷角上編隊(duì)水聲對(duì)抗仿真結(jié)果的變化曲線。很明顯,在仿真對(duì)抗中,編隊(duì)里同一艘艦艇,相同的報(bào)警距離上,使用誘餌進(jìn)行對(duì)抗的對(duì)抗成功率都高于編隊(duì)純規(guī)避進(jìn)行對(duì)抗的成功率。圖3是魚(yú)雷報(bào)警距離為20cab時(shí),兩種對(duì)抗方法的對(duì)抗成功率,因?yàn)轸~(yú)雷的報(bào)警距離很近,導(dǎo)致編隊(duì)利用純規(guī)避進(jìn)行對(duì)抗的成功率幾乎為零,而使用誘餌進(jìn)行對(duì)抗時(shí),隨著報(bào)警舷角的增大,編隊(duì)的對(duì)抗成功率顯著提高;當(dāng)魚(yú)雷報(bào)警距離增加到25cab時(shí),編隊(duì)兩種對(duì)抗方法的成功率都有不同程度的提高,但使用誘餌對(duì)抗的成功率仍然明顯高于純規(guī)避對(duì)抗;當(dāng)魚(yú)雷報(bào)警距離達(dá)到30cab時(shí),編隊(duì)兩種對(duì)抗方法的成功率都很高,使用聲誘餌對(duì)抗的成功率與純規(guī)避對(duì)抗的成功率之間的差值變得很小。這說(shuō)明,盡管編隊(duì)使用誘餌進(jìn)行水聲對(duì)抗的對(duì)抗成功率在相同報(bào)警距離上高于純規(guī)避對(duì)抗方法,但隨著魚(yú)雷報(bào)警距離的增大,使用誘餌對(duì)抗的優(yōu)勢(shì)慢慢消失。

表1 編隊(duì)純規(guī)避對(duì)抗魚(yú)雷攻擊艦艇生存概率(某艦右舷 70°～ 180°、距離 15～ 40cab報(bào)警)

表2 編隊(duì)使用聲誘餌對(duì)抗艦艇生存概率(某艦右舷 70°～ 180°、距離 15～ 40cab報(bào)警)

由于編隊(duì)隊(duì)形的原因,艦艇70°～80°舷角報(bào)警時(shí)的對(duì)抗結(jié)果受到交叉仿真區(qū)域的影響,不能正常反應(yīng)該舷角上的對(duì)抗效果。

圖6顯示了魚(yú)雷的報(bào)警距離從15cab增加至30cab時(shí),編隊(duì)使用誘餌進(jìn)行對(duì)抗時(shí)所有報(bào)警舷角上的平均生存概率高于利用純規(guī)避方法對(duì)抗的平均生存概率。當(dāng)魚(yú)雷報(bào)警距離大于30cab時(shí),兩種方法的對(duì)抗效果幾乎一樣。這是符合一般的水聲對(duì)抗規(guī)律,聲誘餌只是在某一段魚(yú)雷報(bào)警距離內(nèi)能顯著提高編隊(duì)的生存概率。

圖6 編隊(duì)兩種對(duì)抗方法對(duì)抗的平均成功率

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)典型編隊(duì)的水聲對(duì)抗模型,運(yùn)用VC++作為仿真平臺(tái),對(duì)不同編隊(duì)對(duì)抗方法的對(duì)抗結(jié)果進(jìn)行了仿真分析。得知編隊(duì)使用聲誘餌進(jìn)行對(duì)抗時(shí)的對(duì)抗成功率,在一定的魚(yú)雷報(bào)警距離范圍內(nèi),高于編隊(duì)純規(guī)避方法對(duì)抗魚(yú)雷攻擊。

隨著魚(yú)雷報(bào)警距離的增大,聲誘餌的對(duì)抗優(yōu)勢(shì)變得不明顯。艦艇對(duì)抗魚(yú)雷攻擊的成功率主要取決于魚(yú)雷的報(bào)警距離大小,艦艇越早發(fā)現(xiàn)魚(yú)雷、越早進(jìn)行對(duì)抗,對(duì)抗的成功率就越高,反之就越小。

[1]章新華,劉德才,鄂群.水聲對(duì)抗中艦艇規(guī)避聲自導(dǎo)魚(yú)雷的航速問(wèn)題[J].兵工學(xué)報(bào),2002(23)

[2]錢(qián)海民,章新華,夏志軍,等.單艦水聲對(duì)抗誘餌使用模型研究[J].聲學(xué)技術(shù),2009(2)

[3]董陽(yáng)澤.聲誘餌仿真評(píng)估系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].博士畢業(yè)論文

[4]夏志軍,章新華,肖繼剛,等.艦艇編隊(duì)水聲對(duì)抗系統(tǒng)需求分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2007(12)

[5]陳春玉.反魚(yú)雷技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006,5