基于相遇區(qū)域的反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截彈道

王新宏, 劉 慶, 劉建國(guó)

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基于相遇區(qū)域的反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截彈道

王新宏, 劉 慶, 劉建國(guó)

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

反魚(yú)雷魚(yú)雷(ATT)攔截彈道是影響其作戰(zhàn)使用和攔截概率的重要因素之一。ATT攔截彈道的研究多假設(shè)來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)已知, 而實(shí)戰(zhàn)中有些參數(shù)是無(wú)法得到的。針對(duì)這一情況, 本文提出了基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道形式, 以及一種來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道形式未知, 利用2個(gè)邊界條件解算ATT發(fā)射角的方法。分析和仿真結(jié)果表明, 基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道及發(fā)射角解算方法能更好地適應(yīng)來(lái)襲魚(yú)雷特性未知的情況。

反魚(yú)雷魚(yú)雷; 攔截彈道; 相遇區(qū)域; 發(fā)射角

0 引言

反魚(yú)雷魚(yú)雷(anti-torpedo torpedo, ATT)作為一種艦艇防御、魚(yú)雷對(duì)抗的硬殺傷裝備, 已經(jīng)得到了許多國(guó)家的重視, 美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)等海軍強(qiáng)國(guó)均開(kāi)展了ATT的研制和試驗(yàn)[1-7]。

ATT的攔截彈道是影響其作戰(zhàn)使用和攔截概率的重要因素之一[4, 8-9]。ATT的攔截彈道與艦艇、來(lái)襲魚(yú)雷和ATT三者的諸多因素有關(guān), 包括艦艇報(bào)警聲納的性能、艦艇的運(yùn)動(dòng)參數(shù), 來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù), 以及ATT的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式通常是未知的, 艦艇的報(bào)警聲納可以給出來(lái)襲魚(yú)雷的某些參數(shù), 如方位、距離和速度等。來(lái)襲魚(yú)雷的未知特性為ATT攔截彈道的設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度。

傳統(tǒng)的研究方法一般是, 假定已知來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù), 建立艦艇、來(lái)襲魚(yú)雷和ATT三者的運(yùn)動(dòng)方程, 然后通過(guò)大量的仿真計(jì)算ATT攔截彈道的攔截概率[8, 10-12]。采用這種方法設(shè)計(jì)的ATT攔截彈道實(shí)質(zhì)上是一種基于相遇點(diǎn)的攔截彈道, 即艦艇、來(lái)襲魚(yú)雷和ATT三者的運(yùn)動(dòng)參數(shù)已知, 按照已知的參數(shù)可以計(jì)算得到ATT與來(lái)襲魚(yú)雷的一個(gè)相遇點(diǎn)?；谙嘤鳇c(diǎn)的ATT攔截彈道對(duì)于來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)未知、或信息不全的情況是有局限的。

本文針對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷彈道形式未知的情況, 提出基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道, 以提高ATT的攔截概率和作戰(zhàn)效能。

1 ATT攔截彈道數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

圖1 基于相遇點(diǎn)的ATT攔截彈道

根據(jù)圖1(a)和(b)可分別得出ATT直接攔截彈道和迎面攔截彈道的方程組[8, 13], 為

1.2 基于相遇點(diǎn)的ATT攔截彈道

然而在實(shí)戰(zhàn)中, 艦艇的報(bào)警聲納通?？梢越o出來(lái)襲魚(yú)雷的方位信息, 有些報(bào)警聲納還可以給出來(lái)襲魚(yú)雷的距離和速度信息, 而來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式則是完全未知的, 來(lái)襲魚(yú)雷可能采用尾追法、提前角法等多種攻擊彈道形式。

雖然ATT可以通過(guò)自身的自導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)探測(cè)魚(yú)雷, 并導(dǎo)引ATT攔截來(lái)襲魚(yú)雷。但是由于ATT自導(dǎo)作用距離較近, 而且與來(lái)襲魚(yú)雷相向運(yùn)動(dòng), 相對(duì)速度、距離和方位的變化率都較大。當(dāng)假設(shè)的條件與實(shí)際情況相差較大時(shí), 來(lái)襲魚(yú)雷有可能不在ATT的自導(dǎo)作用范圍內(nèi), 而無(wú)法發(fā)現(xiàn)并攔截來(lái)襲魚(yú)雷; 也有可能在較近的距離上發(fā)現(xiàn)來(lái)襲魚(yú)雷, 但受自身回旋角速度等運(yùn)動(dòng)特性的影響, 無(wú)法及時(shí)調(diào)整彈道, 而與來(lái)襲魚(yú)雷錯(cuò)過(guò)。

總之, 基于相遇點(diǎn)的ATT攔截彈道受到初始假設(shè)條件的限制, 當(dāng)來(lái)襲魚(yú)雷的實(shí)際參數(shù)與假設(shè)相差較大時(shí), 很可能導(dǎo)致攔截概率下降, 影響作戰(zhàn)使用效果。

2 基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道

2.1 相遇區(qū)域

基于相遇點(diǎn)的ATT攔截彈道需要已知來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù), 而實(shí)際上有些參數(shù)是無(wú)法得到的, 即使通過(guò)艦艇報(bào)警聲納得到了某些參數(shù), 這些參數(shù)也是存在誤差的。

由方程組(1)和(2)可知, 來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的每一種組合都會(huì)得到一個(gè)相遇點(diǎn)。由此, 將相遇點(diǎn)的概念進(jìn)行拓展, 所有相遇點(diǎn)的集合構(gòu)成一個(gè)相遇區(qū)域, 如圖2所示。

圖2 相遇區(qū)域示意圖

2.2 ATT發(fā)射角

1) 以攔截概率最大的ATT攔截彈道確定ATT的發(fā)射角。這是最理想的情況, 但是需要將所有可能的情況都考慮進(jìn)去, 進(jìn)行大量的仿真計(jì)算, 才能得出攔截概率最大的ATT攔截彈道和發(fā)射角。實(shí)戰(zhàn)中很難做到快速反應(yīng)。

2) 以來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道的最大可能概率來(lái)確定ATT的發(fā)射角。實(shí)戰(zhàn)中如果掌握了對(duì)方魚(yú)雷武器的種類和性能, 則可以采用這種方法, 根據(jù)對(duì)方魚(yú)雷的性能參數(shù)進(jìn)行有限的仿真計(jì)算, 確定ATT的攔截彈道和發(fā)射角。

3) 以相遇區(qū)域的幾何關(guān)系確定ATT的攔截彈道和發(fā)射角。幾何關(guān)系可以有多種情況, 如以幾何中心對(duì)應(yīng)的攔截彈道和發(fā)射角等, 這相當(dāng)于認(rèn)為各種情況下的相遇點(diǎn)在相遇區(qū)域中是均勻分布的。

幾何中心對(duì)應(yīng)的ATT攔截彈道可以使ATT的自導(dǎo)系統(tǒng)作用范圍覆蓋絕大部分的相遇區(qū)域, 使自導(dǎo)系統(tǒng)探測(cè)到來(lái)襲魚(yú)雷的概率最大, 然后利用自導(dǎo)系統(tǒng)的探測(cè)來(lái)調(diào)整ATT的攔截彈道。

即取2種邊緣情況發(fā)射角的算數(shù)平均為ATT的發(fā)射角, 用該發(fā)射角近似相遇區(qū)域的幾何中心對(duì)應(yīng)的攔截彈道的發(fā)射角。

可以看到, 由式(3)確定ATT發(fā)射角, 只需要進(jìn)行2次仿真計(jì)算, 可以快速確定ATT的發(fā)射角。實(shí)戰(zhàn)中可以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)。

3 仿真結(jié)果與分析

ATT彈道仿真涉及的因素很多, 仿真中進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化和假設(shè), 主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 來(lái)襲魚(yú)雷已經(jīng)進(jìn)入自導(dǎo)導(dǎo)引階段, 以追蹤法、固定提前角法或平行接近法攻擊艦艇。

2)ATT發(fā)射后先直航一段時(shí)間, 然后按預(yù)定的彈道航行, 同時(shí)自導(dǎo)系統(tǒng)工作, 搜索來(lái)襲魚(yú)雷。即, 對(duì)于直接攔截彈道, ATT直航搜索; 而對(duì)于迎面攔截彈道, ATT回旋搜索(向雷轉(zhuǎn)), 回旋90°后若自導(dǎo)還未捕獲到來(lái)襲魚(yú)雷, 則ATT直航搜索。

4) 由于ATT自導(dǎo)系統(tǒng)的被動(dòng)自導(dǎo)作用距離比主動(dòng)自導(dǎo)作用距離遠(yuǎn)[14], 一般是被動(dòng)自導(dǎo)先捕獲到來(lái)襲魚(yú)雷; 當(dāng)進(jìn)入主動(dòng)自導(dǎo)作用距離后, 轉(zhuǎn)入主動(dòng)自導(dǎo)。ATT自導(dǎo)導(dǎo)引時(shí)采用提前角法。

5) 假設(shè)ATT采用全方位非觸發(fā)引信, 引信作用距離20 m, 即ATT與來(lái)襲魚(yú)雷距離≤20 m時(shí)視為攔截成功。

設(shè)ATT主被動(dòng)自導(dǎo)作用距離分別為250 m和800 m, 主被動(dòng)自導(dǎo)搜索扇面角都是120°。ATT發(fā)射時(shí)的初始視線角為110°, 來(lái)襲魚(yú)雷速度為50 kn,艦艇速度為20 kn, ATT與魚(yú)雷的速度比為0.8。來(lái)襲魚(yú)雷分別以追蹤法、固定提前角5°、固定提前角10°和平行接近法導(dǎo)引攻擊艦艇。圖3給出了初始距離為1 000 m, ATT采用基于相遇區(qū)域的直接攔截彈道, 來(lái)襲魚(yú)雷采用不同攻擊彈道形式的仿真結(jié)果。圖4則給出了初始距離為2 000 m, ATT采用基于相遇區(qū)域的迎面攔截彈道, 來(lái)襲魚(yú)雷采用不同攻擊彈道形式的仿真結(jié)果。

由圖3~圖4可以看出, 當(dāng)來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式未知時(shí), 采用基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道和式(3)解算ATT的發(fā)射角, 可以適應(yīng)大多數(shù)情況。來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式越接近解算出的發(fā)射角對(duì)應(yīng)的ATT攔截彈道, 則ATT攔截彈道越平滑, 如圖3(c)和圖4(b)。即使來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道形式與解算出的發(fā)射角對(duì)應(yīng)的ATT攔截彈道有較大偏差, ATT的攔截彈道也可以由自導(dǎo)系統(tǒng)修正, 成功攔截來(lái)襲魚(yú)雷。但是當(dāng)偏差較大時(shí), 雖然ATT的自導(dǎo)系統(tǒng)也能捕獲到來(lái)襲魚(yú)雷, 但是受到ATT自身機(jī)動(dòng)性能的限制, 會(huì)導(dǎo)致ATT錯(cuò)過(guò)來(lái)襲魚(yú)雷, 攔截失敗, 如圖4(d)。

圖3 來(lái)襲魚(yú)雷不同導(dǎo)引方式下的ATT直接攔截彈道仿真結(jié)果

圖4 來(lái)襲魚(yú)雷不同導(dǎo)引方式下的ATT迎面攔截彈道仿真結(jié)果

仿真中, 迎面攔截彈道的初始距離比直接攔截彈道的初始距離遠(yuǎn)得多, 這使得迎面攔截彈道的相遇區(qū)域比直接攔截彈道的相遇區(qū)域大得多, 致使ATT攔截彈道與來(lái)襲魚(yú)雷采用平行接近法時(shí)攻擊彈道的偏差較大, 導(dǎo)致攔截失敗。實(shí)際上, 在初始距離足夠使ATT迎面攔截彈道完成回旋運(yùn)動(dòng)的情況下, 相同條件下的迎面攔截彈道攔截概率要高于直接攔截彈道[8]。而在初始距離很近的情況下, 直接攔截彈道更有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道形式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)未知的情況, 本文提出了基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道, 定性分析了3種確定ATT發(fā)射角的方法, 并提出了一種在來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道形式未知, 而運(yùn)動(dòng)參數(shù)已知的情況下, 利用2個(gè)邊界條件解算ATT發(fā)射角的方法。本文提出的基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道以及發(fā)射角解算方法與實(shí)際更為接近, 更能適應(yīng)來(lái)襲魚(yú)雷特性未知的情況。

由于ATT的攔截概率涉及的因素眾多, 包括艦艇、來(lái)襲魚(yú)雷和ATT三者的初始情況, 運(yùn)動(dòng)參數(shù), 以及測(cè)量精度、誤差分布等等。本文僅提出基于相遇區(qū)域的ATT攔截彈道的概念, 對(duì)其攔截概率將另文討論。

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Intercept Trajectory of Anti-Torpedo Torpedo Based on Meeting Area

WANG Xin-hong, LIU Qing, LIU Jian-guo

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Intercept trajectory of anti-torpedo torpedo(ATT) is an importance factor influencing its operational application and intercept probability. In the study of the intercept trajectory of an ATT, it is usually supposed that guiding mode and motion parameters of an incoming torpedo are known. However, it is impossible in actual combat. Aiming at this situation, we propose the intercept trajectory of an ATT based on meeting area, and give a method to solve the ATT launching angle using two boundary conditions. Simulation results indicate that the intercept trajectory based on meeting area and the method of solving launching angle have higher adaptability for the situation that the guiding mode of an incoming torpedo is unknown.

anti-torpedo torpedo(ATT); intercept trajectory; meeting area; launching angle

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0241-05

2012-09-13;

2012-11-15.

船舶工業(yè)國(guó)防科技基金資助(09J4.1.1).

王新宏(1971-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、自導(dǎo)引信.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)