魚雷彈道定位精度仿真研究*

陸　揚(yáng)　李韋華　張世?！●R錦垠

(91439部隊(duì)　大連　116041)

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魚雷彈道定位精度仿真研究*

陸揚(yáng)李韋華張世海馬錦垠

(91439部隊(duì)大連116041)

摘要針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)中水聲測量裝備定位精度無法評(píng)估,現(xiàn)有的水聲測量裝備標(biāo)稱的定位精度總是與當(dāng)時(shí)水文條件相關(guān)的問題,論文利用仿真的方法對(duì)水聲測量裝備的定位精度進(jìn)行了仿真評(píng)估,為試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞水聲測量; 魚雷; 定位; 高斯分布

Simulation Study on the Ballistic Trajectory of Torpedo

LU YangLI WeihuaZHANG ShihaiMA Jinyin

(No. 91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractAccording to existing problems in the measurement of underwater acoustic measurement equipment, and the accuracy of the existing underwater acoustic measurement equipment is always related to the hydrological conditions, this paper uses the method of simulation to evaluate the accuracy of underwater acoustic measurement equipment.

Key Wordsacoustic measurement, torpedo, localization, Gauss distribution

Class NumberTJ630.6

1引言

長期以來,水聲測量在魚雷試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用,提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了水下試驗(yàn)的可視化,保障了試驗(yàn)的安全實(shí)施。但由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性,導(dǎo)致目標(biāo)定位的不確定性,或者說產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù),水聲測量產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)裝備定型結(jié)果報(bào)告的貢獻(xiàn)率較低,甚至有些裝備的定型結(jié)果報(bào)告就以內(nèi)記數(shù)據(jù)為準(zhǔn),水聲測量裝備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)僅用于參考[1],分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因,在于水聲測量裝備的定位精度與試驗(yàn)環(huán)境特別是水文條件相關(guān)性較大,針對(duì)特定條次的定位精度無法從理論上進(jìn)行定量,因此,有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究,以解決試驗(yàn)中水聲測量裝備定位精度的評(píng)估問題?，F(xiàn)有的水聲測量裝備標(biāo)稱的定位精度其實(shí)是與驗(yàn)收時(shí)的水文條件相關(guān)的,直接將標(biāo)稱的定位精度引用到試驗(yàn)中應(yīng)該說是不準(zhǔn)確的[2],本文利用仿真的方法對(duì)水聲測量裝備的定位精度進(jìn)行了仿真評(píng)估,為試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)[3]。

2魚雷彈道定位精度評(píng)估方法

為了考察目標(biāo)復(fù)雜航路對(duì)數(shù)據(jù)處理方法的影響,不妨設(shè)計(jì)成典型的魚雷彈道形式,設(shè)置10m系統(tǒng)誤差仿真產(chǎn)生測量數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1　魚雷彈道仿真

2.1誤差分布檢驗(yàn)

將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三階最小二乘擬合,擬合平滑數(shù)據(jù)假定為真值,測量數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列對(duì)應(yīng)關(guān)系減去平滑真值,簡稱平直數(shù)據(jù)。爾后,對(duì)平直數(shù)據(jù)作頻數(shù)直方圖,借以判斷測量誤差的概率分布規(guī)律。對(duì)前述仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如圖2所示,可以判斷為高斯分布,與仿真設(shè)置條件相符。

圖2　平直數(shù)據(jù)頻數(shù)直方圖

這里假定了測量誤差是平穩(wěn)的或者是緩慢平穩(wěn)的。對(duì)于統(tǒng)計(jì)量基本平穩(wěn)的一個(gè)時(shí)間段,測量數(shù)據(jù)越多,分布檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性越高。而分布檢驗(yàn)的結(jié)論,對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與置信分析是十分重要的。

2.2精度檢定

將平直數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)差,由于平值數(shù)據(jù)的誤差分布服從正態(tài)規(guī)律,因此上界與下界分別設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)差的±4倍,凡超出邊界的數(shù)據(jù)即判為野值,實(shí)際應(yīng)用中需給予線性插值[4~5]。

圖3　平直數(shù)據(jù)的野值剔除示意圖

剔除野值后重新統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差亦稱檢定精度,是對(duì)測量精度指標(biāo)的一種估值。為了觀察精度檢定的效果,將仿真數(shù)據(jù)精度與檢定精度進(jìn)行比較,統(tǒng)一列于表1。共做了五組仿真測試,可以發(fā)現(xiàn),檢定精度偏小,但基本可以代表實(shí)際精度。顯然,用平直數(shù)據(jù)對(duì)定位數(shù)據(jù)的測量精度做出檢定,還需要回答置信區(qū)間與置信度的問題[6~7]。

表1　精度檢定效果比較

2.3置信分析

根據(jù)誤差分布檢驗(yàn)的結(jié)論設(shè)置仿真數(shù)據(jù)的概率分布,以原始精度為基準(zhǔn),采用仿真方法統(tǒng)計(jì)置信區(qū)間與置信度。具體做法如下: 1) 統(tǒng)計(jì)測量數(shù)據(jù)的檢定精度; 2) 該檢定精度作為仿真數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差,以檢驗(yàn)分布為基礎(chǔ),分別對(duì)X、Y時(shí)間序列進(jìn)行裝訂并仿真; 3) 對(duì)裝訂的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差,并給出檢定的標(biāo)準(zhǔn)差; 4) 記錄檢定精度標(biāo)準(zhǔn)差與裝訂標(biāo)準(zhǔn)差的差值; 5) 重復(fù)上述兩個(gè)步驟,共獲得不少于1000個(gè)差值,畫出頻數(shù)直方圖; 6) 按80%的置信度,對(duì)頻數(shù)直方圖進(jìn)行分析,確定相應(yīng)的置信區(qū)間。

如圖4給出了差值的頻數(shù)直方圖,發(fā)現(xiàn)檢定精度為有偏估計(jì),而檢定精度小于測量精度,緣于平滑數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性。取置信度為80%,X檢定的置信區(qū)間為[-0.69m,-0.51m],Y檢定的置信區(qū)間為[-0.72m,-0.48m]。依此得出具體結(jié)論:檢定精度作為實(shí)際測量精度的估值,以實(shí)際精度為基準(zhǔn),X檢定落在置信區(qū)間[-0.69m,-0.51m]內(nèi)、Y檢定落在置信區(qū)間[-0.72m,-0.48m]內(nèi)的概率為80%[8~10]。

圖4　置信分析頻數(shù)直方圖

3結(jié)語

本文利用誤差分布檢驗(yàn)、精度檢定、置信分析的方法對(duì)魚雷彈道的定位精度進(jìn)行了仿真研究,對(duì)隨機(jī)誤差的量值給出測量精度的檢定結(jié)論,由于水下試驗(yàn)的特殊性、水聲測量裝備的單一性和測量數(shù)據(jù)的不可重復(fù)性,在沒有真值作參考的情況下,本文給出了定量的分析。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張儀,陳迎春,曹海軍.基于vega的魚雷彈道視景仿真軟件設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2011(8):109-112.

[2] 周明,徐德民.火箭助飛魚雷彈道的仿真實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2007(2):235-238.

[3] 程宏.魚雷彈道跟蹤系統(tǒng)時(shí)延估計(jì)方法研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)碩士論文,2002.

[4] 熊乾坤,唐世軒.一種魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)目標(biāo)檢測真實(shí)性判定方法[J].魚雷技術(shù),2015,34(2):104-107.

[5] 孟慶玉,張靜遠(yuǎn),宋保維.魚雷作戰(zhàn)效能分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:131-154.

[6] 陳顏輝,朱偉良,杜毅.潛射魚雷彈道預(yù)測模型與仿真[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013(2):127-134.

[7] 彭海軍,王德石,陳覺之.魚雷彈道可視化仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009(6):26-31.

[8] 董春鵬,石小龍.主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)魚雷導(dǎo)引彈道分析計(jì)算[J].魚雷技術(shù),2007(2):13-16.

[9] 李曉寧,明星,朱若寒.反魚雷魚雷攔截彈道及攔截概率[J].魚雷技術(shù),2008(3):34-36.

[10] 潘光,吳文輝,毛昭勇,等.高空遠(yuǎn)程滑翔魚雷全彈道仿真關(guān)鍵技術(shù)[J].魚雷技術(shù),2009(4):10-15.

中圖分類號(hào)TJ630.6

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.020

作者簡介:陸揚(yáng),男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:水聲測量。

收稿日期:2015年9月19日,修回日期:2015年10月7日