基于灰色關(guān)聯(lián)的來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別

余 躍，孫振新，陳顏輝,2

(1.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061；2.中國(guó)人民解放軍92330部隊(duì)，山東 青島 266102)

基于灰色關(guān)聯(lián)的來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別

余 躍1，孫振新1，陳顏輝1,2

(1.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061；2.中國(guó)人民解放軍92330部隊(duì)，山東 青島 266102)

準(zhǔn)確識(shí)別來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式是水面艦艇在魚(yú)雷防御過(guò)程中采取有針對(duì)性對(duì)抗措施的前提。本文分析直航魚(yú)雷、聲自導(dǎo)魚(yú)雷、尾流自導(dǎo)魚(yú)雷和線導(dǎo)魚(yú)雷在潛艇攻擊征兆、魚(yú)雷齊射數(shù)量、航速變化次數(shù)和累積方位變化量上的差異，選取這4個(gè)變量作為特征指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法建立來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別模型。計(jì)算實(shí)例證明該方法的有效性，可為水面艦艇的魚(yú)雷防御提供有益參考。

制導(dǎo)方式識(shí)別；累積方位變化量；特征指標(biāo)；灰色關(guān)聯(lián)分析法

0 引 言

魚(yú)雷按制導(dǎo)方式劃分可分為直航魚(yú)雷、聲自導(dǎo)魚(yú)雷、尾流自導(dǎo)魚(yú)雷和線導(dǎo)魚(yú)雷。魚(yú)雷在歷次海戰(zhàn)中發(fā)揮了巨大的作用。特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)，一系列高新技術(shù)被相繼應(yīng)用于魚(yú)雷，使魚(yú)雷變得更加難以防御。尤其是對(duì)于大中型水面艦艇，這種來(lái)自水下的威脅亟待消除。

水面艦艇防御不同制導(dǎo)方式的魚(yú)雷需要采取不同的對(duì)抗措施，若能在魚(yú)雷報(bào)警后盡快識(shí)別出其制導(dǎo)方式，則采取的對(duì)抗措施更具針對(duì)性，這將有利于提高水面艦艇的生存概率。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，關(guān)于魚(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[1]從戰(zhàn)術(shù)特征層面提煉出13個(gè)證據(jù)指標(biāo)來(lái)判斷魚(yú)雷的制導(dǎo)方式，但其中缺乏魚(yú)雷的方位信息。文獻(xiàn)[2]分析了魚(yú)雷自導(dǎo)開(kāi)機(jī)前直航段的方位變化率，可以看出不同制導(dǎo)方式魚(yú)雷的方位變化率存在差異，但差異較小，無(wú)法滿足實(shí)際過(guò)程中的識(shí)別要求，并且沒(méi)有考慮聲吶的實(shí)際測(cè)向誤差。本文選取潛艇攻擊征兆、魚(yú)雷齊射數(shù)量、航速變化次數(shù)和累積方位變化量4個(gè)特征指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法建立來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別模型。

1 不同魚(yú)雷的攻擊特點(diǎn)差異

1.1 潛艇攻擊征兆

所謂潛艇攻擊征兆指的是敵潛艇發(fā)動(dòng)魚(yú)雷攻擊前被水面艦艇收集到的主動(dòng)性或暴露性的探測(cè)信息，如敵潛艇的主動(dòng)雷達(dá)信息、主動(dòng)聲吶信息及潛望觀察時(shí)暴露出的信息等[3]。

當(dāng)潛艇發(fā)射直航魚(yú)雷、聲自導(dǎo)魚(yú)雷或尾流自導(dǎo)魚(yú)雷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊時(shí)，若僅靠純方位法求解目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，不僅解算誤差大，而且收斂時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)甚至無(wú)法收斂。此時(shí)潛艇可能會(huì)采用這些主動(dòng)性或暴露性的探測(cè)手段獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，以便能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)動(dòng)攻擊。而潛艇在發(fā)射線導(dǎo)魚(yú)雷攻擊目標(biāo)時(shí)，只需在目標(biāo)方位信息的基礎(chǔ)上大概估測(cè)距離就能射擊，對(duì)獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的要求低，故若來(lái)襲魚(yú)雷是線導(dǎo)魚(yú)雷，水面艦艇很難收集到敵潛艇的主動(dòng)性或暴露性的探測(cè)信息。

由上述分析可知，若水面艦艇在魚(yú)雷報(bào)警前探測(cè)到潛艇攻擊征兆，則來(lái)襲魚(yú)雷很可能是直航魚(yú)雷或者自導(dǎo)魚(yú)雷，而不太可能是線導(dǎo)魚(yú)雷。

1.2 魚(yú)雷齊射數(shù)量

從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于直航魚(yú)雷的命中概率低，因此潛艇發(fā)射直航魚(yú)雷攻擊時(shí)，一般會(huì)1次扇面齊射3枚以上，用增加數(shù)量的方法提升命中概率。聲自導(dǎo)和尾流自導(dǎo)魚(yú)雷具有自導(dǎo)裝置，能夠自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，命中概率大大提升，因此潛艇通常會(huì)進(jìn)行單雷射擊，也可能組織2枚魚(yú)雷實(shí)施平行射擊或扇面射擊。線導(dǎo)魚(yú)雷抗干擾能力強(qiáng)，命中概率更高，潛艇一般組織單雷射擊。

由上述分析可知，若水面艦艇只發(fā)現(xiàn)1枚來(lái)襲魚(yú)雷，基本可認(rèn)為來(lái)襲魚(yú)雷不是直航魚(yú)雷；若發(fā)現(xiàn)2枚以上來(lái)襲魚(yú)雷，則基本可認(rèn)為來(lái)襲魚(yú)雷不是線導(dǎo)魚(yú)雷。

1.3 航速變化次數(shù)

直航魚(yú)雷發(fā)射出管后，會(huì)沿著預(yù)定的航向保持直航，航速一般不會(huì)發(fā)生變化，直至航程耗盡或命中目標(biāo)。聲自導(dǎo)魚(yú)雷在遠(yuǎn)距離接敵過(guò)程中一般速度較大，抵近目標(biāo)散布區(qū)后轉(zhuǎn)為低速，以避免高速時(shí)魚(yú)雷的強(qiáng)輻射噪聲干擾其聲自導(dǎo)裝置的正常工作，自導(dǎo)裝置捕獲目標(biāo)后再轉(zhuǎn)為高速追擊。尾流自導(dǎo)魚(yú)雷一般高速接敵，在捕獲水面艦艇尾流之前航速一般不變。線導(dǎo)魚(yú)雷的航速變化情況比較復(fù)雜，當(dāng)其輻射噪聲干擾潛艇聲吶的正常工作時(shí)，潛艇會(huì)發(fā)送指令使線導(dǎo)魚(yú)雷速度降低，待潛艇聲吶能正常跟蹤目標(biāo)時(shí)，潛艇會(huì)提高雷速，以便盡快抵達(dá)目標(biāo)散布區(qū)捕獲目標(biāo)。因此，在線導(dǎo)魚(yú)雷的整個(gè)攻擊過(guò)程中，其速度會(huì)在高低之間多次交替。

當(dāng)魚(yú)雷航速發(fā)生變化時(shí)，其輻射噪聲的強(qiáng)弱也會(huì)發(fā)生變化，水面艦艇可根據(jù)魚(yú)雷噪聲強(qiáng)弱的變化累計(jì)魚(yú)雷航速變化次數(shù)，進(jìn)而判斷魚(yú)雷屬于不同制導(dǎo)方式的隸屬度。如果沒(méi)有探測(cè)到航速變化的非連續(xù)噪聲，則來(lái)襲魚(yú)雷很可能是直航魚(yú)雷或者尾流自導(dǎo)魚(yú)雷；如果探測(cè)到很多次航速變化的非連續(xù)噪聲，則來(lái)襲魚(yú)雷為線導(dǎo)魚(yú)雷的可能性很大。

1.4 累積方位變化量

潛射反艦魚(yú)雷在實(shí)施攻擊時(shí)，在較遠(yuǎn)距離上都保持直航狀態(tài)(線導(dǎo)魚(yú)雷為線導(dǎo)段)，魚(yú)雷以一定的提前角相對(duì)于本艦運(yùn)動(dòng)。由于不同制導(dǎo)方式魚(yú)雷采取的攻擊策略不同，因此直航段的彈道存在差異。

直航魚(yú)雷以一定的提前角相對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，最終和目標(biāo)同時(shí)到達(dá)命中點(diǎn)，命中目標(biāo)。聲自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊目標(biāo)時(shí)，需要保證聲自導(dǎo)裝置以最大概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通常是自導(dǎo)扇面的前端中點(diǎn)與目標(biāo)相遇。尾流自導(dǎo)魚(yú)雷則不同，尾流自導(dǎo)系統(tǒng)要探測(cè)的是目標(biāo)的尾流，而不是被攻擊的目標(biāo)本身，因此其射擊原則是使尾流自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)目標(biāo)艦船尾流的概率最高，通常是和水面艦艇尾流有效長(zhǎng)度的中點(diǎn)相遇[4]。線導(dǎo)魚(yú)雷的導(dǎo)引方式主要有方位導(dǎo)引法、前置點(diǎn)導(dǎo)引法以及它們的綜合，其中現(xiàn)在方位導(dǎo)引法是各國(guó)海軍使用最多的導(dǎo)引方式，即不斷把線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引至潛艇和水面艦艇的連線上，最終擊中目標(biāo)。本文以現(xiàn)在方位導(dǎo)引法為例，分析線導(dǎo)魚(yú)雷在遠(yuǎn)距離接敵過(guò)程中的累積方位變化量。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)的目標(biāo)類型識(shí)別模型

灰色關(guān)聯(lián)分析主要是比較和分析系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)變化，其實(shí)是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程的一種量化分析。因素之間的接近程度取決于因素之間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似或相異程度，實(shí)質(zhì)上是對(duì)幾種幾何曲線間的幾何形狀作分析比較，幾何形狀越接近，即認(rèn)為關(guān)聯(lián)程度越大[5]。因而在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析前，需要確定參考序列，然后分析比較序列同各參考序列的接近程度，以確定待識(shí)別目標(biāo)的類型。

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法建立目標(biāo)類型識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷制導(dǎo)方式的識(shí)別。其基本步驟如圖1所示。

圖1 灰色關(guān)聯(lián)分析識(shí)別流程圖Fig.1 Gray correlation analysis identification flowchart

2.1 特征指標(biāo)和目標(biāo)類型的確定

由以上分析可知，4種魚(yú)雷在潛艇攻擊征兆、魚(yú)雷齊射數(shù)量、航速變化次數(shù)和累積方位變化量上存在差異，本文將這4個(gè)變量作為區(qū)分4種魚(yú)雷的特征指標(biāo)，建立灰色關(guān)聯(lián)目標(biāo)識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)雷制導(dǎo)方式的識(shí)別。目標(biāo)類型為直航魚(yú)雷、聲自導(dǎo)魚(yú)雷、尾流自導(dǎo)魚(yú)雷和線導(dǎo)魚(yú)雷。

2.2 參考序列和比較序列的確定

用4種類型目標(biāo)的4個(gè)特征指標(biāo)建立參考序列，即模本：

(1)

式中k的取值按順序分別對(duì)應(yīng)于潛艇攻擊征兆、魚(yú)雷齊射數(shù)量、航速變化次數(shù)和累積方位變化量4個(gè)特征指標(biāo)。

直航和自導(dǎo)魚(yú)雷有潛艇攻擊征兆，線導(dǎo)魚(yú)雷沒(méi)有潛艇攻擊征兆。用“0”和“1”分別表示潛艇攻擊征兆的“無(wú)”和“有”，則直航和自導(dǎo)魚(yú)雷在潛艇攻擊征兆這一特征指標(biāo)上均取值1，線導(dǎo)魚(yú)雷則取值0。

在魚(yú)雷齊射數(shù)量上，直航魚(yú)雷通常大于3枚，取值5；自導(dǎo)魚(yú)雷取值2；線導(dǎo)魚(yú)雷取值1。

在航速變化次數(shù)上，直航魚(yú)雷取值0；聲自導(dǎo)魚(yú)雷取值2；尾流自導(dǎo)魚(yú)雷取值0；線導(dǎo)魚(yú)雷取值5。

在累積方位變化量取值時(shí)，假定來(lái)襲魚(yú)雷的舷角為90°，自報(bào)警時(shí)刻起累積方位變化，累積時(shí)間為100s，則直航、聲自導(dǎo)、尾流自導(dǎo)和線導(dǎo)魚(yú)雷的累積方位變化量分別取值為0，1.38°，2.05°，4.38°(見(jiàn)表1)。

表1 不同魚(yú)雷的特征指標(biāo)取值Tab.1 Characteristic indexes of different kinds of torpedoes

根據(jù)式(1)定義，可將表1寫(xiě)成如下的矩陣形式：

(2)

2.3 特征指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

為避免不同特征指標(biāo)取值的大小差異帶來(lái)的影響，在計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度之前，需要對(duì)目標(biāo)的特征指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：i為目標(biāo)；n為目標(biāo)特征指標(biāo)個(gè)數(shù)；k為目標(biāo)的第k個(gè)特征指標(biāo)。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度的確定

X0(k)與Xi(k)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)為Y0(k)和Yi(k)，則Xi(k)與X0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ越小，分辨力越大，一般ρ的取值區(qū)間為[0,1]，通常取ρ=0.5。

由式(6)可算出比較序列與各參考序列在各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，但計(jì)算結(jié)果既多且雜，不便于得出結(jié)論。因此有必要將比較序列與各參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中體現(xiàn)在一個(gè)值上，即灰色關(guān)聯(lián)度上。比較序列Xi(k)對(duì)參考序列X0(k)的灰色關(guān)聯(lián)度常記為γi，可由下式求得：

(7)

2.5 待識(shí)別目標(biāo)類型的確定

將式(7)求出的灰色關(guān)聯(lián)度按大小順序排列，若

(8)

則判斷認(rèn)為待識(shí)別目標(biāo)的類型為i0所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)類型。

3 仿真實(shí)例

假設(shè)參考序列如式(2)所示，某聲吶測(cè)得的10個(gè)目標(biāo)特征指標(biāo)如表2所示。

表2 目標(biāo)的特征指標(biāo)Tab.2 Characteristic indexes of targets

應(yīng)用上述灰色關(guān)聯(lián)度模型計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度(取ρ=0.5)得到的結(jié)果如表3所示。

表3 目標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度Tab.3 Gray correlation degree of targets

由表3可知，對(duì)于目標(biāo)1～10，最大的關(guān)聯(lián)度依次為γ1，γ2，γ3，γ4，γ4，γ1，γ2，γ3，γ1，γ4，所以目標(biāo)1，6，9為直航魚(yú)雷，目標(biāo)2，7為聲自導(dǎo)魚(yú)雷，目標(biāo)3，8為尾流自導(dǎo)魚(yú)雷，目標(biāo)4，5，10為線導(dǎo)魚(yú)雷。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了直航魚(yú)雷、聲自導(dǎo)魚(yú)雷、尾流自導(dǎo)魚(yú)雷和線導(dǎo)魚(yú)雷在實(shí)施攻擊過(guò)程中潛艇攻擊征兆、魚(yú)雷齊射數(shù)量、航速變化次數(shù)和累積方位變化量之間的差異，并選取這4個(gè)變量作為特征指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法建立目標(biāo)識(shí)別模型，仿真實(shí)例證明了該方法的有效性。在進(jìn)一步的研究中，還需考慮如何恰當(dāng)選取特征指標(biāo)、各特征指標(biāo)在參考序列中的權(quán)重、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ρ的靈活選取等問(wèn)題，以使該方法更加可靠實(shí)用。

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Guidance type identification based on gray correlation analysis for incoming torpedo

YU Yue1, SUN Zhen-xin1，CHEN Yan-hui1,2

(1.Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China;2.No.92330 Unit of PLA,Qingdao 266102,China)

Exact guidance type identification of an incoming torpedo is a premise for surface ship to defend against torpedo pertinently.In this study, the differences between straight-running torpedo, acoustic homing torpedo, wake homing torpedo and wire-guided torpedo in submarine attack symptom, number of torpedo volleyed, speed change times and cumulative azimuth variation are analyzed.Choosing the four variables as characteristic indexes, the guidance type identification model is established by using gray correlation analysis.It is verified by experiments that the method is effective and it can provide helpful references for surface ships′ defense towards incoming torpedo.

guidance type identification; cumulative azimuth variation; characteristic index; gray correlation analysis

2015-01-30；

2015-03-11

余躍(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轸~(yú)雷制導(dǎo)方式識(shí)別和水面艦艇的魚(yú)雷防御。

TJ630;E917

A

1672-7649(2015)10-0151-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.032