潛艇應(yīng)用自航式聲誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷仿真研究

李 斌，王順杰

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071)

潛艇尤其是攻擊型潛艇是非常強調(diào)攻擊的進攻性兵力。然而，在探潛和反潛技術(shù)迅速發(fā)展的現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下，潛艇的防御顯得越來越重要［1］。由于潛艇本身構(gòu)造比較特殊，結(jié)合復(fù)雜水下作戰(zhàn)環(huán)境的影響，因此其被魚雷擊中后自保的機會十分渺茫。對于潛艇而言，其威脅主要來自于自導(dǎo)、線導(dǎo)等重型魚雷以及空投、火箭助飛魚雷。現(xiàn)代制導(dǎo)魚雷具有很高的命中概率，據(jù)統(tǒng)計，在正常情況下，魚雷命中概率可達80%以上。但是當目標潛艇使用水聲對抗等手段后，其命中概率就會降低。水聲對抗器材可分為抑制型對抗器材和誘騙型對抗器材，自航式聲誘餌是典型的誘騙型對抗器材［2］。自航式聲誘餌不僅能模擬潛艇的輻射噪聲特性和聲反射特性，還能模擬潛艇的運動特性，對魚雷具有很大的欺騙性。使用自航式聲誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷成為潛艇水下防御的主要手段之一［3］。

1 問題描述及模型建立

設(shè)初始時刻本艇發(fā)現(xiàn)來襲的聲自導(dǎo)魚雷的位置為坐標系原點，魚雷報警舷角為XT，潛艇與魚雷距離為D，此時潛艇立即發(fā)射誘餌進行水聲對抗。設(shè)魚雷航速為VT，航向為HT，潛艇規(guī)避機動航速為VQ，航向為HQ，設(shè)某時刻誘餌速度為VD，航向為HD。

1.1 來襲聲自導(dǎo)魚雷運動位置坐標仿真模型

魚雷入水后，其設(shè)定的搜索深度按目標深度選定。對仿真程序做適當簡化，可將魚雷、潛艇、誘餌設(shè)為同一深度，在二維視圖上研究潛艇對聲自導(dǎo)魚雷的防御問題。

目前魚雷的聲自導(dǎo)裝置采用的自導(dǎo)控制機制有多種。采用不同的自導(dǎo)控制機制，魚雷聲自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)并捕獲目標后控制魚雷追蹤目標的自導(dǎo)追蹤航行段彈道形式也不同。常見的尾追式彈道，可以使魚雷航向始終對準目標，及時辨明目標運動方向，保證對目標的穩(wěn)定跟蹤，如圖1所示。

圖1 尾追式彈道示意圖

1.2 誘餌運動位置坐標仿真模型

根據(jù)誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷仿真模型，使用不同航速制分別進行仿真計算。

直航段，誘餌彈道的位置坐標計算可用式(1)表示:

式中，x(t)、y(t)為誘餌位置點坐標。

設(shè)t時刻誘餌開始變向，則t+dt時，旋轉(zhuǎn)的角度為φ(t+dt)。

當 φ(t+dt)＜0時，取 φ(t+dt)=0。

在t+ndt時刻，

式中，φ為聲誘餌在dt內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度;轉(zhuǎn)向標志的值為正時表示右轉(zhuǎn)(順時針)，為負時表示左轉(zhuǎn)(逆時針)。

2 誘餌對抗聲自導(dǎo)魚雷聲學(xué)模型

2.1 對抗被動聲自導(dǎo)魚雷模型

主要手段是采用噪聲模擬方式［5］:

式中，SLS為誘餌噪聲模擬方式噪聲源級;TL(RS)為聲誘餌至魚雷處的傳播損失，RS為兩者之間的距離;NL為魚雷的背景噪聲級;DI為魚雷的指向性指數(shù);DT為魚雷的檢測閾。

式(3)表明聲誘餌產(chǎn)生的模擬輻射噪聲傳播至被動聲自導(dǎo)魚雷處，只要超過魚雷被動通道接收機門限，則魚雷將聲誘餌視為攻擊目標進行攻擊。

2.2 對抗主動聲自導(dǎo)魚雷模型

誘餌通過應(yīng)答來模擬目標反射特性，分兩種情況。第一，誘餌接收到主動聲脈沖后，按模擬一固定目標強度值計算出回波源級，然后按回波源級值附加一定的回波展寬，將信號發(fā)射出去，以此模擬一個運動的、有一定幾何體積的、具有定常目標強度的潛艇目標，這種情況出現(xiàn)在回波源級不大于最大回波源級時(此時RS為中遠距離)。這時，只需將誘餌看作具有定常目標強度TSS的聲反射體即可［6］，即

式中，SLE為敵魚雷發(fā)射聲源級;TSS為聲誘餌模擬回波的目標強度。

式(4)表明聲誘餌模擬回波信號傳播至主動聲自導(dǎo)魚雷處，只要超過魚雷主動通道接收機門限，則魚雷將聲誘餌視為攻擊目標進行攻擊。

第二種情況是回波源級大于最大回波源級時(此時RS通常為近距離，往往表明了誘餌已成功將魚雷引開)，這時，誘餌都以最大回波源級回發(fā)應(yīng)答脈沖。對于這種情況，則要將式(4)中雙程傳播損失改為對誘餌應(yīng)答脈沖的單程檢測。即

式中，SLS－MAX為誘餌最大回波源級。

3 仿真程序的實現(xiàn)

根據(jù)所建立的模型，在Visual C++6.0仿真平臺上完成潛艇使用聲誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷仿真程序設(shè)計。

3.1 聲自導(dǎo)魚雷仿真流程設(shè)計

對于聲自導(dǎo)魚雷而言，仿真程序一般用到三種聲制導(dǎo)方式:被動聲制導(dǎo)方式、主動聲制導(dǎo)方式和主被動聯(lián)合聲制導(dǎo)方式。本文考慮到現(xiàn)代反魚雷水聲戰(zhàn)的通常情況，將來襲魚雷的聲制導(dǎo)方式設(shè)置為主被動聯(lián)合聲制導(dǎo)方式。

仿真開始后，自導(dǎo)系統(tǒng)首先根據(jù)確定的參數(shù)在入水后，按預(yù)設(shè)定彈道航行，自導(dǎo)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。自導(dǎo)系統(tǒng)在接收控制系統(tǒng)的開機指令后開始工作。在主被動聯(lián)合聲制導(dǎo)方式下，系統(tǒng)應(yīng)確定是否采用被動優(yōu)先導(dǎo)引方式，如果被動優(yōu)先，則按照被動自導(dǎo)工作方式進行搜索，一旦確定被動捕獲目標后，聯(lián)合主動聲制導(dǎo)方式進行目標檢測與跟蹤。如果不采用被動優(yōu)先導(dǎo)引方式，系統(tǒng)按照主動聲制導(dǎo)方式工作，在主動捕獲時，考慮是否有被動目標特征以確定目標是否為真目標［7］。其流程圖如圖2所示。

圖2 主被動聯(lián)合聲制導(dǎo)魚雷仿真流程

3.2 誘餌仿真流程設(shè)計

誘餌仿真流程圖如圖3所示。程序啟動后若聲誘餌收到信號，則其進行信號分析與處理。然后選擇不同的工作方式包括回波模擬方式、噪聲模擬方式和聯(lián)合工作方式，按照不同的工作方式進行回波頻段選擇和噪聲頻段選擇，最終分別產(chǎn)生回波信號和噪聲信號后輸出，進行對聲自導(dǎo)魚雷的對抗。

圖3 誘餌仿真流程

3.3 主程序仿真流程設(shè)計

潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷主流程圖如圖4所示。當程序開始后，先對程序進行初始化，然后對參數(shù)進行設(shè)置。如果要將此次仿真數(shù)據(jù)保存，則調(diào)用數(shù)據(jù)存取模塊。當程序開始運行后，魚雷進入潛艇報警距離內(nèi)時，給出報警信息，并進行對抗，包括釋放對抗器材，潛艇進行規(guī)避。當對抗器材釋放后，魚雷將進行判斷并對所確定目標進行追蹤，如果判別其是假目標，則進入再搜索階段。只有當魚雷航程耗盡或者魚雷與目標之間的距離達到一定的范圍而判定魚雷擊中目標時，程序才可以結(jié)束。

如果要對以前保存的仿真數(shù)據(jù)進行演示，則在程序初始化以后，打開數(shù)據(jù)文件即可讀入數(shù)據(jù)并進行演示。

圖4 主程序總體仿真流程

3.4 誘餌仿真軟件的設(shè)計

誘餌仿真軟件由參數(shù)設(shè)置模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和統(tǒng)計計算模塊等組成。系統(tǒng)仿真模塊流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模塊流程圖

軟件系統(tǒng)除圖形顯示外主要實現(xiàn)統(tǒng)計計算功能。統(tǒng)計計算可以設(shè)置計算機仿真計算的循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計開始后調(diào)用參數(shù)設(shè)置模塊的對話框。

其中參數(shù)設(shè)置模塊包括來襲魚雷情況判斷對話框(圖6)和參數(shù)設(shè)定對話框(圖7)。來襲魚雷情況判斷對話框主要完成來襲魚雷數(shù)量的設(shè)置，魚雷初始舷角的設(shè)定以及潛艇初始規(guī)避航向的選擇;參數(shù)設(shè)定對話框需要完成潛艇、來襲魚雷和誘餌的相關(guān)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)的設(shè)定。參數(shù)設(shè)定對話框的參數(shù)必須按照模擬對象真實的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)進行設(shè)定，以保證數(shù)據(jù)處理模塊得到的所需處理的數(shù)據(jù)真實可靠，使得仿真的結(jié)果(圖形顯示和統(tǒng)計計算)真實有效。

數(shù)據(jù)處理模塊主要涉及到將參數(shù)設(shè)置模塊中的數(shù)據(jù)和接收到的其它數(shù)據(jù)通過各個函數(shù)模塊的計算得到需要的數(shù)據(jù)應(yīng)用于圖形顯示模塊中進行水聲對抗的演示以及應(yīng)用于統(tǒng)計計算模塊得到統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊中的計算主要包括環(huán)境因素對仿真過程影響的計算與判斷，潛艇、魚雷和誘餌運動要素的計算，各種對抗態(tài)勢的判斷和對抗方案，魚雷、誘餌參數(shù)改變對仿真過程的影響等。

圖6 來襲魚雷情況判斷對話框

圖7 參數(shù)設(shè)定對話框

圖形顯示模塊除了包括潛艇防御魚雷態(tài)勢推演的圖形界面之外還包括實時數(shù)據(jù)的表頁顯示，如圖8所示。圖形界面主要顯示對抗過程中二維視圖的潛艇、魚雷和誘餌的航跡，能夠清楚地表達出誘餌防御魚雷、潛艇規(guī)避誘餌的對抗過程。態(tài)勢表頁顯示可以實時反映出潛艇和魚雷的參數(shù)變化情況，定量地刻畫潛艇防御魚雷的過程。

4 仿真結(jié)果及分析

仿真過程中考慮的誘餌彈道參數(shù)有誘餌的一次轉(zhuǎn)角、一次航速、一次直航時間、二次轉(zhuǎn)角和二次航速。其中誘餌在一次直航時間內(nèi)航行的目的是進入魚雷的搜索范圍內(nèi)，二次轉(zhuǎn)向后的目的是盡快拉大魚雷和潛艇之間的距離，最大可能地保證潛艇規(guī)避魚雷成功。如果誘餌只是采用初始彈道后的一次轉(zhuǎn)向彈道，則一次轉(zhuǎn)向后誘餌需要兼顧進入魚雷的搜索范圍和拉大魚雷和潛艇之間的距離兩方面的作用。

在仿真過程中，分別設(shè)置魚雷報警舷角為10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°和 150°時，在 30cab、25 cab、20 cab和最小可防御魚雷報警距離時，潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷成功率的概率變化情況。由于魚雷報警舷角具有對稱性，所以只需研究其中某舷的來襲魚雷，本節(jié)中仿真來襲魚雷在左舷的情況，仿真圖像中縱坐標表示潛艇防御魚雷的成功率，橫坐標表示誘餌一次轉(zhuǎn)角的大小(“－”表示誘餌向左轉(zhuǎn)向，“+”表示誘餌向右轉(zhuǎn)向)，誘餌的一次航速分別取VD1和VD2(VD1＞VD2)，其中魚雷報警舷角為10°時仿真結(jié)果如圖9和圖10所示:

圖8 態(tài)勢演示圖和態(tài)勢顯示對話框

圖9 魚雷報警舷角為10°時誘餌一次航速為VD1的防御成功率

圖10 魚雷報警舷角為10°時誘餌一次航速為VD2的防御成功率

從魚雷報警舷角為10°時聲誘餌采取兩種不同速制防御成功率分析圖可以看出，當聲誘餌采用高速制防御聲自導(dǎo)魚雷時，在30cab的報警距離上，可選擇的一次轉(zhuǎn)角為－70°～+150°，最小可防御魚雷報警距離約為23cab;若采用低速制防御聲自導(dǎo)魚雷，在30cab的報警距離上，可選擇的一次轉(zhuǎn)角為－50°～+130°，最小可防御魚雷報警距離約為26cab?？梢娫?0°的魚雷報警舷角時，誘餌采取高速制時其可選擇的一次轉(zhuǎn)角范圍比采取低速制時要大，誘餌采取高速制時最小可防御魚雷報警距離比采取低速制時要小。

綜合魚雷報警舷角為 10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°和150°時的仿真結(jié)果可以看出，若誘餌選擇使用的一次航速相同，魚雷報警舷角相同，隨著魚雷報警距離的減小，潛艇防御魚雷的成功率也隨之減小，誘餌可選擇的一次轉(zhuǎn)角的范圍也隨之縮小;若誘餌選擇使用的一次航速相同，魚雷報警距離相同，隨著魚雷報警舷角的增大，潛艇防御魚雷的成功率也隨之增大，誘餌可選擇的一次轉(zhuǎn)角的范圍也隨之增大;魚雷報警舷角相同且魚雷報警距離相同時，誘餌選擇高速制時的防御成功率比選擇低速制時的成功率大，誘餌選擇高速制時的最小可防御魚雷報警距離比選擇低速制的小，防御魚雷報警舷角為大舷角的魚雷的效果比小舷角的效果好。

利用仿真軟件，除了可以分析誘餌的一次轉(zhuǎn)角對潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷成功率的影響之外，還可以分析誘餌二次轉(zhuǎn)角的選擇對潛艇防御魚雷成功率的影響以及誘餌一次直航時間的確定方法。

5 結(jié)束語

本文主要通過計算機仿真包括魚雷、誘餌和主程序的流程設(shè)計和仿真軟件的設(shè)計，實現(xiàn)對潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷的仿真分析。其中仿真需要最大限度地模擬了真實的作戰(zhàn)環(huán)境，包括訓(xùn)練海區(qū)數(shù)據(jù)、海洋水聲環(huán)境分析，生成兵力性能等。通過分析潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷時誘餌彈道參數(shù)對潛艇防御魚雷成功率的影響，將得到的結(jié)論與誘餌的戰(zhàn)術(shù)使用相結(jié)合，可以得到潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷時，選擇誘餌一次轉(zhuǎn)角彈道時誘餌的最佳一次轉(zhuǎn)角，選擇誘餌二次轉(zhuǎn)角彈道時誘餌的最佳一次轉(zhuǎn)角、二次轉(zhuǎn)角和一次直航時間的確定依據(jù)等結(jié)論。

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