艦艇編隊(duì)協(xié)同規(guī)避自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊方法

夏志軍，章新華，錢海民

（1．海軍大連艦艇學(xué)院信息與通信工程系，遼寧大連116018; 2．91181部隊(duì)，遼寧大連 116018）

0 引言

編隊(duì)作戰(zhàn)是未來(lái)海戰(zhàn)的基本樣式，編隊(duì)所受威脅主要來(lái)自空中和水下，最直接的水下威脅是遭受魚(yú)雷攻擊。艦艇編隊(duì)目標(biāo)大、隱蔽機(jī)動(dòng)困難、組織協(xié)同難度大、行動(dòng)易暴露，遭遇潛艇或潛艇戰(zhàn)斗群攻擊的可能性和危險(xiǎn)性大，提高編隊(duì)的水下魚(yú)雷防御能力成為急需解決的問(wèn)題［1］。機(jī)動(dòng)規(guī)避是艦艇水聲對(duì)抗的重要措施之一，無(wú)論水聲對(duì)抗器材如何發(fā)展，都必須與機(jī)動(dòng)規(guī)避相結(jié)合，才能取得最佳的對(duì)抗效果。

單艦條件下艦艇規(guī)避魚(yú)雷攻擊問(wèn)題研究已較多，但對(duì)于更為復(fù)雜的編隊(duì)條件下的規(guī)避問(wèn)題還缺乏深入的研究，本文在單艦規(guī)避方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究典型艦艇編隊(duì)條件下，協(xié)同規(guī)避自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊的原則和方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了仿真檢驗(yàn)。

1 基本戰(zhàn)術(shù)想定

1.1 典型艦艇編隊(duì)組成

考慮反潛作戰(zhàn)的需要，艦艇編隊(duì)由3艘具有水聲對(duì)抗能力的艦艇組成，配備相應(yīng)的水聲探測(cè)設(shè)備和水聲對(duì)抗器材，呈三角隊(duì)形配置，各艦間距相同。艦艇編隊(duì)配置及相應(yīng)的坐標(biāo)系如圖1所示。

1.2 對(duì)抗對(duì)象

對(duì)于線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚(yú)雷，艦艇進(jìn)行純規(guī)避的生存概率很低，基本上無(wú)法利用純規(guī)避進(jìn)行有效對(duì)抗;當(dāng)線導(dǎo)魚(yú)雷受到干擾，引導(dǎo)平臺(tái)無(wú)法繼續(xù)為魚(yú)雷提供制導(dǎo)信息時(shí)，魚(yú)雷也會(huì)提前轉(zhuǎn)入聲自導(dǎo)狀態(tài)。所以本文研究對(duì)象主要是聲自導(dǎo)魚(yú)雷。潛艇在距離艦艇編隊(duì)10 km以外的位置實(shí)施魚(yú)雷攻擊，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)工作方式以尾追法跟蹤目標(biāo)。

1.3 編隊(duì)規(guī)避魚(yú)雷過(guò)程

編隊(duì)水聲探測(cè)設(shè)備對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警后，經(jīng)融合處理得到魚(yú)雷報(bào)警信息（報(bào)警舷角、魚(yú)雷報(bào)警距離）。編隊(duì)經(jīng)過(guò)決策反應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)動(dòng)規(guī)避方案，經(jīng)過(guò)決策實(shí)施時(shí)間后，編隊(duì)開(kāi)始規(guī)避［2］。

2 艦艇編隊(duì)機(jī)動(dòng)規(guī)避原則

編隊(duì)水聲對(duì)抗中，編隊(duì)內(nèi)各艦艇的規(guī)避須在編隊(duì)統(tǒng)一的指揮下，根據(jù)實(shí)際的對(duì)抗態(tài)勢(shì)，進(jìn)行規(guī)避。編隊(duì)規(guī)避的基本原則主要有:

1）編隊(duì)中各艦的規(guī)避盡量有利于各艦之間進(jìn)行協(xié)同對(duì)抗，能保持原有編隊(duì)隊(duì)形時(shí)，盡量保持原有編隊(duì)隊(duì)形;

2）魚(yú)雷報(bào)警后，編隊(duì)內(nèi)各艦艇不在魚(yú)雷搜索帶附近時(shí)，規(guī)避盡量采取遠(yuǎn)離魚(yú)雷搜索帶的航向。當(dāng)艦艇處于魚(yú)雷搜索帶內(nèi)，或在魚(yú)雷搜索帶附近時(shí)，規(guī)避應(yīng)選擇能盡快駛離魚(yú)雷搜索帶的航向規(guī)避，即各艦不穿越魚(yú)雷搜索帶規(guī)避;

3）編隊(duì)中各艦根據(jù)實(shí)際魚(yú)雷報(bào)警態(tài)勢(shì)，參考單艦規(guī)避對(duì)抗方法，進(jìn)行規(guī)避，但不能對(duì)編隊(duì)中其他艦艇的規(guī)避對(duì)抗產(chǎn)生不利影響;

4）編隊(duì)中各艦規(guī)避航向的選擇要考慮遠(yuǎn)離敵方攻擊平臺(tái)，避免敵方的第2次魚(yú)雷攻擊。另外要考慮當(dāng)魚(yú)雷威脅消除后，有利于編隊(duì)隊(duì)形恢復(fù)，以備對(duì)抗后續(xù)魚(yú)雷威脅;

5）編隊(duì)規(guī)避聲自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊時(shí)，魚(yú)雷距離編隊(duì)相對(duì)較遠(yuǎn)，為了盡快駛離魚(yú)雷搜索帶，編隊(duì)采取背雷加速規(guī)避策略［3］。

3 編隊(duì)協(xié)同規(guī)避方法的確定

在編隊(duì)條件下有可能獲得來(lái)襲魚(yú)雷的距離信息，根據(jù)魚(yú)雷位置、航向，能預(yù)測(cè)魚(yú)雷向編隊(duì)靠近時(shí)產(chǎn)生的魚(yú)雷搜索帶。搜索帶的中心為預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航跡，搜索帶的寬度由魚(yú)雷的搜索扇面確定。根據(jù)預(yù)測(cè)的魚(yú)雷搜索帶與編隊(duì)內(nèi)各艦艇的艦位的位置關(guān)系不同，可確定出不同的編隊(duì)協(xié)同規(guī)避方法。

3.1 魚(yú)雷攻擊航向的確定

敵潛艇平臺(tái)聲吶的分辨能力的大小，編隊(duì)內(nèi)艦艇的間距以及編隊(duì)與敵平臺(tái)的距離決定了敵平臺(tái)聲吶對(duì)編隊(duì)的探測(cè)能力。當(dāng)敵平臺(tái)聲吶分辨率高，距離編隊(duì)較近時(shí)，敵方聲吶可分辨出編隊(duì)中的不同艦艇目標(biāo)，魚(yú)雷可能會(huì)被明確的導(dǎo)引至編隊(duì)內(nèi)的特定艦艇附近，攻擊該艦艇;當(dāng)敵平臺(tái)聲吶分辨率低，距離編隊(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，敵方聲吶不能分辨出編隊(duì)中的不同艦艇目標(biāo)，魚(yú)雷只能被導(dǎo)向編隊(duì)的聲學(xué)中心位置。

假設(shè)敵方聲吶的探測(cè)距離足夠遠(yuǎn)，敵方聲吶可分辨出編隊(duì)中的不同艦艇目標(biāo)的條件是:

式中:dst為敵方聲吶與探測(cè)目標(biāo)的距離，m;dss為編隊(duì)內(nèi)艦艇之間的最小間距，m;θ為敵方聲吶的方位分辨率，（°）。

由魚(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)不能估計(jì)出魚(yú)雷的航速時(shí)，可選擇魚(yú)雷的經(jīng)驗(yàn)航速進(jìn)行計(jì)算，魚(yú)雷由有利提前角法導(dǎo)引向編隊(duì)艦艇，航向可由式（2）和式（3）估計(jì)［4］:

式中:φ為魚(yú)雷攻擊提前角;q為魚(yú)雷報(bào)警舷角，左舷為負(fù)，右舷為正;vs為艦艇航速;vt為魚(yú)雷航速;Cs為艦艇航向。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，作為編隊(duì)各艦進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)的重要依據(jù)。本文給出的提前角是魚(yú)雷能分辨編隊(duì)內(nèi)不同艦艇，具體攻擊某艘艦的情況。

3.2 魚(yú)雷對(duì)艦艇目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離

魚(yú)雷主動(dòng)聲自導(dǎo)聲吶方程:

式中:SL為魚(yú)雷主動(dòng)聲源級(jí);STL為艦艇輻射聲源級(jí);TS為艦艇目標(biāo)強(qiáng)度;TL為聲自導(dǎo)的傳播損失;R為魚(yú)雷距目標(biāo)的距離;NL為魚(yú)雷自噪聲;DI為魚(yú)雷聲自導(dǎo)換能器指向性系數(shù);DT為目標(biāo)信號(hào)傳播到達(dá)魚(yú)雷自導(dǎo)換能器處時(shí)剩余的聲能級(jí);DDTL為魚(yú)雷聲自導(dǎo)傳播（起伏）誤差;rn為魚(yú)雷聲自導(dǎo)傳播（起伏）誤差系數(shù);f為頻率，kHz［5］;α為魚(yú)雷聲自導(dǎo)的傳播損失常數(shù)。

DT與魚(yú)雷聲自導(dǎo)檢測(cè)閾比較，判斷魚(yú)雷是否捕捉目標(biāo)。

設(shè)艦艇在魚(yú)雷的舷角為qs，魚(yú)雷自導(dǎo)扇面角為Qt，檢測(cè)閾為DT0，魚(yú)雷捕獲艦艇由式（1）判別:

3.3 編隊(duì)協(xié)同規(guī)避魚(yú)雷攻擊方法

由報(bào)警艦位置及魚(yú)雷的初始報(bào)警信息，可得到編隊(duì)報(bào)警時(shí)魚(yú)雷坐標(biāo)（xt0，yt0）。經(jīng)過(guò)決策時(shí)間td后，魚(yú)雷直航搜索，魚(yú)雷觀測(cè)位置坐標(biāo)為:

魚(yú)雷搜索帶的中心線，即魚(yú)雷航跡線，如式（9）所示:

式中，k為魚(yú)雷搜索帶中心線斜率。

編隊(duì)內(nèi)各艦坐標(biāo)表示為（xs，ys），依次判斷各艦與來(lái)襲魚(yú)雷的相對(duì)態(tài)勢(shì):

式中:a為艦艇到魚(yú)雷預(yù)測(cè)位置的連線的斜率;b為艦艇相對(duì)于魚(yú)雷的方位;qst為艦艇相對(duì)于魚(yú)雷的舷角，左舷為負(fù)，右舷為正。

當(dāng)編隊(duì)內(nèi)各艦艇相對(duì)于魚(yú)雷舷角qst都為正，或者都為負(fù)時(shí)，表示編隊(duì)內(nèi)各艦處于預(yù)測(cè)魚(yú)雷航跡同一側(cè)，此時(shí)的編隊(duì)齊轉(zhuǎn)規(guī)避（規(guī)避航向相同）;當(dāng)編隊(duì)內(nèi)各艦艇相對(duì)于魚(yú)雷舷角qst既有正值，又有負(fù)值時(shí)，表示編隊(duì)內(nèi)各艦處于預(yù)測(cè)魚(yú)雷航跡不同側(cè)，此時(shí)的編隊(duì)分散規(guī)避（規(guī)避航向不同）。

各艦的最佳規(guī)避航向選取與預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航向成Δc夾角的航向。各艦根據(jù)具體的編隊(duì)對(duì)抗態(tài)勢(shì)，選擇自身最佳規(guī)避航向:

式中，Δc表示艦艇的最佳規(guī)避航向與預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航向的夾角。

結(jié)合魚(yú)雷航向預(yù)測(cè)計(jì)算模型，編隊(duì)內(nèi)各艦的最佳規(guī)避航向?yàn)?

當(dāng)判斷艦艇處于魚(yú)雷右舷時(shí)，選取在預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航向上向右旋轉(zhuǎn)Δc作為本艦的最佳規(guī)避航向，轉(zhuǎn)向的方向選取與當(dāng)前艦艇航向夾角絕對(duì)值較小的一側(cè)轉(zhuǎn)向，保證艦艇在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)向。同理，當(dāng)判斷艦艇處于魚(yú)雷左舷時(shí)，則選取在預(yù)測(cè)魚(yú)雷航向上向左旋轉(zhuǎn)Δc作為本艦的最佳規(guī)避航向，轉(zhuǎn)向方向選擇同上。

4 仿真分析

為了得到編隊(duì)艦艇的最佳規(guī)避航向，根據(jù)艦艇、魚(yú)雷、海洋環(huán)境等相關(guān)模型，利用VC++建立了仿真平臺(tái)，選取艦艇最佳規(guī)避航向與預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航向夾角Δc，從30°到90°每隔10°分別進(jìn)行仿真，控制界面如圖2所示。

4.1 仿真參數(shù)

魚(yú)雷參數(shù):航速45 kn;航程20 km;轉(zhuǎn)向角速度6.7°/s;旋回半徑170 m;自導(dǎo)扇面角70°;魚(yú)雷主動(dòng)聲源級(jí)180 dB;指向性增益30 dB;檢測(cè)閾0.5 dB，環(huán)境噪聲70 dB，魚(yú)雷自噪聲60 dB。

編隊(duì)參數(shù):編隊(duì)初始航向0°;航速18 kn，規(guī)避航速30 kn;轉(zhuǎn)向角速度1.5°/s，加速機(jī)動(dòng)時(shí)為1.7°/s;旋回半徑300 m，加速機(jī)動(dòng)時(shí)為450 m;艦艇操縱反應(yīng)時(shí)間5 s;決策反應(yīng)時(shí)間30 s。艦艇輻射噪聲級(jí)由式（15）確定，目標(biāo)強(qiáng)度值由式（16）確定［6］。

圖2 編隊(duì)水聲對(duì)抗仿真界面Fig.2Ship formation underwater acoustic simulation interface

式中:TSmax=20 dB為艦艇正橫方向的目標(biāo)強(qiáng)度。

4.2 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。不同報(bào)警態(tài)勢(shì)下，采取Monte-Carlo方法，經(jīng)1 000次統(tǒng)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。由于篇幅限制只列出對(duì)比效果較明顯的Δc分別為30°，70°和90°的仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示。

圖3 不同Δc取值下的編隊(duì)純規(guī)避對(duì)抗成功率（0號(hào)艦右舷30cab）Fig.3Survival probability of ship formation under different Δc

圖3表示編隊(duì)0號(hào)艦右舷30cab各舷角報(bào)警時(shí)，不同的Δc取值下，編隊(duì)純規(guī)避的成功率?？梢钥闯觯?dāng)艦艇規(guī)避航向與預(yù)測(cè)魚(yú)雷航向夾角Δc取70°時(shí)，大部分態(tài)勢(shì)下，編隊(duì)純規(guī)避的成功率較高。

圖4是編隊(duì)中2號(hào)艦右舷30cab報(bào)警的情況，總體上艦艇規(guī)避航向與預(yù)測(cè)魚(yú)雷航向夾角Δc取70°時(shí)的編隊(duì)對(duì)抗效果相對(duì)較優(yōu)。圖中存在個(gè)別態(tài)勢(shì)，Δc取30°比Δc取70°時(shí)對(duì)抗效果稍好，是因?yàn)榫庩?duì)的對(duì)抗成功率在該處都從很小開(kāi)始增大，在對(duì)抗成功率較小時(shí)，仿真結(jié)果受隨機(jī)誤差的影響較大造成的。其他態(tài)勢(shì)下，Δc取70°時(shí)效果較好。

圖4 不同Δc取值下的編隊(duì)純規(guī)避對(duì)抗成功率（2號(hào)艦右舷30cab）Fig.4Survival probability of ship formation under different Δc

仿真對(duì)抗的結(jié)果說(shuō)明，有魚(yú)雷距離報(bào)警時(shí)編隊(duì)內(nèi)各艦的最佳規(guī)避航向是取與預(yù)測(cè)的魚(yú)雷航向成60°～80°夾角，遠(yuǎn)離魚(yú)雷搜索帶的航向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了特定編隊(duì)條件下協(xié)同規(guī)避自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊的方法。通過(guò)大量仿真分析可以看出，在一定魚(yú)雷報(bào)警條件下，編隊(duì)分散規(guī)避和齊轉(zhuǎn)規(guī)避時(shí)，采用與來(lái)襲魚(yú)雷預(yù)測(cè)航向成60°～80°夾角的航向加速規(guī)避效果較好。該結(jié)論與單艦規(guī)避中將來(lái)襲魚(yú)雷置于艦艇的110°～130°舷角的航向進(jìn)行加速規(guī)避的方法基本一致。本文研究結(jié)果及方法對(duì)編隊(duì)條件下的水聲對(duì)抗作戰(zhàn)具有一定的指導(dǎo)作用，但對(duì)更為復(fù)雜編隊(duì)及魚(yú)雷報(bào)警條件下（無(wú)來(lái)襲魚(yú)雷距離信息、多雷攻擊）以及與對(duì)抗器材協(xié)同配合情況下的編隊(duì)機(jī)動(dòng)規(guī)避方法還需進(jìn)一步深入研究。

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