直升機(jī)前飛投雷命中概率研究

丁海蘭，劉金榮，秦　飛，張武雄

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京　100041；2.中國科學(xué)院無線傳感網(wǎng)與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00050)

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工程與應(yīng)用

直升機(jī)前飛投雷命中概率研究

丁海蘭1，劉金榮1，秦飛2，張武雄2

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京100041；2.中國科學(xué)院無線傳感網(wǎng)與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200050)

本文基于反潛直升機(jī)前飛投放魚雷對水下目標(biāo)進(jìn)行攻擊的作戰(zhàn)使用方式，建立了直升機(jī)前飛投雷參數(shù)解算模型和魚雷發(fā)現(xiàn)概率模型，利用蒙特卡羅法對直升機(jī)前飛投雷攻擊過程進(jìn)行了模擬仿真，分析了目標(biāo)初始距離、傳感器探測精度、武器投放精度等對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響，分析結(jié)果對反潛直升機(jī)作戰(zhàn)使用具有一定的參考價值和指導(dǎo)作用。

前飛投雷; 投放精度; 發(fā)現(xiàn)概率

TJ630.1

A

1673-5692(2016)02-204-04

0　引　言

航空反潛以其機(jī)動性強(qiáng)、搜潛效率高、攻擊效果優(yōu)[1]成為當(dāng)今反潛作戰(zhàn)的主要方式。直升機(jī)反潛是航空反潛的重要組成部分，其主要攻潛武器為聲自導(dǎo)魚雷[2]，攻潛方式分為懸停投雷和前飛投雷[3]。文獻(xiàn)[4]對直升機(jī)懸停投雷和前飛投雷兩種攻潛方式的選擇進(jìn)行了仿真研究，文獻(xiàn)[5]對直升機(jī)懸停投雷的命中概率進(jìn)行了仿真研究。本文通過建立直升機(jī)前飛投雷參數(shù)解算模型和魚雷發(fā)現(xiàn)概率模型，利用蒙特卡羅法仿真和分析目標(biāo)初始距離、傳感器探測精度、武器投放精度等對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響，對直升機(jī)前飛投雷作戰(zhàn)使用具有一定的參考價值和指導(dǎo)作用。

1　直升機(jī)前飛投雷攻擊過程和攻擊效能指標(biāo)選取

反潛直升機(jī)執(zhí)行反潛任務(wù)時，可采用單機(jī)搜攻潛和雙/多機(jī)編隊(duì)協(xié)同搜攻潛。在單機(jī)搜攻潛條件下，通常采用機(jī)載吊放聲納、聲納浮標(biāo)探測水下目標(biāo)。當(dāng)?shù)醴怕暭{探測到目標(biāo)、直升機(jī)與目標(biāo)距離大于懸停投放魚雷所要求的距離時，應(yīng)實(shí)施前飛投雷攻擊[4]；直升機(jī)收起吊放聲納水下分機(jī)，飛往武器投放點(diǎn)，設(shè)定武器參數(shù)，投放魚雷對水下目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

在雙/多機(jī)協(xié)同搜攻潛條件下，搜潛直升機(jī)采用吊放聲納、聲納浮標(biāo)進(jìn)行探測，獲取水下目標(biāo)的運(yùn)動要素后，通過通信/數(shù)據(jù)鏈設(shè)備發(fā)送給攻潛直升機(jī)。理想情況下，搜潛直升機(jī)保持與目標(biāo)接觸，實(shí)時更新發(fā)送目標(biāo)信息，攻潛直升機(jī)調(diào)整戰(zhàn)位，在距離水下潛艇目標(biāo)適當(dāng)位置實(shí)施武器投放(魚雷)；但在實(shí)際作戰(zhàn)條件下，潛艇發(fā)現(xiàn)自身暴露后往往采取規(guī)避措施，搜潛直升機(jī)可能與潛艇目標(biāo)失去接觸，搜潛直升機(jī)將最后一次探測的目標(biāo)信息發(fā)送至攻潛直升機(jī)，當(dāng)與目標(biāo)距離大于懸停投放魚雷所要求的距離時，實(shí)施前飛投雷攻擊，直升機(jī)進(jìn)行投放參數(shù)解算，飛往武器投放點(diǎn)，設(shè)定武器參數(shù)，投放魚雷對水下目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

聲自導(dǎo)魚雷投放后的活動可分為空中下降、入水下潛、搜索、捕獲、攻擊和再搜索等幾個階段。魚雷入水后經(jīng)歷水下無動力、發(fā)動機(jī)啟動到控制系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，按給定程序下潛至設(shè)定深度等一系列過程。魚雷在搜索深度開啟自導(dǎo)裝置，對目標(biāo)進(jìn)行搜索，一旦接收到有效信號，就進(jìn)入捕獲階段，對目標(biāo)進(jìn)行追蹤，當(dāng)確認(rèn)是目標(biāo)信號，完成對目標(biāo)的核實(shí)，則轉(zhuǎn)入攻擊階段。在攻擊階段，魚雷按照規(guī)定的運(yùn)動方式接近目標(biāo)，直到命中目標(biāo)。如果魚雷在追蹤或攻擊過程中丟失目標(biāo)信號，則轉(zhuǎn)入預(yù)先規(guī)定的程序進(jìn)行再搜索。

直升機(jī)對水下目標(biāo)的攻擊效能取決于魚雷對目標(biāo)的毀傷概率，毀傷概率依賴于殺傷半徑和射擊誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差[6]。對聲自導(dǎo)魚雷，其射擊誤差可用魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率、魚雷跟蹤目標(biāo)概率、魚雷命中目標(biāo)概率的乘積來表達(dá)。由于殺傷半徑以及魚雷跟蹤目標(biāo)概率、魚雷命中目標(biāo)概率等取決于魚雷本身的性能，而在直升機(jī)前飛投雷攻擊過程中，目標(biāo)測量誤差、投放點(diǎn)解算、載機(jī)導(dǎo)航誤差、武器投放誤差、目標(biāo)散布等多種外部因素都將對魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率產(chǎn)生較大的影響，因此本文用魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率作為表征直升機(jī)對水下目標(biāo)攻擊效能的主要指標(biāo)，并重點(diǎn)分析目標(biāo)初始距離、傳感器探測精度、武器投放精度等對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響。

2　投放參數(shù)解算模型

直升機(jī)接收到最后一次目標(biāo)信息，決定實(shí)施前飛投雷攻擊時，以直升機(jī)位置為原點(diǎn)，建立二維坐標(biāo)系XOY，如圖1所示。目標(biāo)初始位置點(diǎn)為M，方位為B0，距離為D0，航向?yàn)镃m，速度為Vm。

圖1　前飛投雷點(diǎn)解算示意圖

由于從魚雷投放到魚雷開啟自導(dǎo)裝置對目標(biāo)進(jìn)行搜索要經(jīng)過一段時間的延遲，直升機(jī)前飛投雷的武器投放點(diǎn)應(yīng)設(shè)置投雷提前量R0，使得魚雷投放后，經(jīng)過空中下降、入水下潛后，開啟聲自導(dǎo)裝置，在自導(dǎo)搜索范圍與目標(biāo)相遇。通常把以相遇點(diǎn)I為圓心，以R0為半徑的圓定義為投雷圓。

從魚雷投放到魚雷開啟自導(dǎo)裝置階段運(yùn)行軌跡對應(yīng)的時間分別為空中下降時間t1、水下無動力時間t2、發(fā)動機(jī)啟動到控制系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)時間t3，對應(yīng)的水平面投影距離分別為s1、s2、s3，則魚雷水平面投影總距離即投雷圓半徑R0為

(1)

總運(yùn)動時間Ts為

(2)

設(shè)圖1中的I點(diǎn)為相遇點(diǎn)，載機(jī)沿OI方向飛行，經(jīng)歷時間Tf，到達(dá)投雷圓邊緣K點(diǎn)開始投雷，魚雷投放后，經(jīng)過時間Ts，與目標(biāo)在I點(diǎn)相遇。在ΔOMI中，可求出應(yīng)飛時間Tf和I點(diǎn)的坐標(biāo)，具體過程如下：

直升機(jī)應(yīng)飛時間Tf：

(3)

前置相遇點(diǎn)I的坐標(biāo)為

Xi=Xm+Vm×(Tf+Ts)×sinCm

(4)

OI段長度：

OI=Vf×Tf+R0

(5)

直升機(jī)應(yīng)飛航向：

(6)

3　魚雷發(fā)現(xiàn)概率模型

直升機(jī)采用吊放聲納、聲納浮標(biāo)探測水下目標(biāo)，獲取目標(biāo)的位置信息(距離和方位)，設(shè)其誤差服從正態(tài)分布。連續(xù)探測數(shù)個點(diǎn)后，通過擬合處理得到目標(biāo)速度和航向，同時可計算出速度和航向誤差。

設(shè)傳感器探測距離誤差為ΔD0、方位誤差為ΔB0，以及目標(biāo)航向誤差為ΔCm、速度誤差為ΔVm，各誤差分布如下

(7)

則潛艇實(shí)際初始位置M′坐標(biāo)為

(8)

直升機(jī)接收到最后一次目標(biāo)信息為起點(diǎn)(此時直升機(jī)與目標(biāo)的距離為目標(biāo)初始距離)，假設(shè)目標(biāo)從M′開始勻速直航，在時刻t，潛艇位置點(diǎn)坐標(biāo)為

(9)

影響直升機(jī)武器投放精度的因素有：載機(jī)慣導(dǎo)誤差、投放機(jī)構(gòu)延遲、人為投放操作誤差、魚雷空中彈道以及風(fēng)速、風(fēng)向等。因此相遇點(diǎn)I存在誤差，設(shè)誤差滿足正態(tài)分布，則I點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)為

(10)

經(jīng)過時間t，魚雷到達(dá)I點(diǎn)，自動開啟聲自導(dǎo)系統(tǒng)，開始搜索目標(biāo)，假設(shè)魚雷的搜索彈道為環(huán)形，魚雷搜索的圓心為I點(diǎn)，即投放參數(shù)解算模型中計算的目標(biāo)理論位置，則魚雷聲自導(dǎo)啟動后的運(yùn)行軌跡模型為

(11)

其中：α1為魚雷環(huán)形搜索角速度；αf為魚雷入水后的航向(與直升機(jī)應(yīng)飛航向相同)；r1為魚雷環(huán)形搜索半徑。

魚雷在t時刻對應(yīng)的航向?yàn)?/p>

(12)

魚雷發(fā)現(xiàn)潛艇的條件：在魚雷環(huán)形搜索期間，根據(jù)相對方位和相對距離的約束條件，判斷目標(biāo)是否處于魚雷自導(dǎo)搜索扇面之內(nèi)，如果目標(biāo)位于魚雷自導(dǎo)搜索扇面區(qū)域內(nèi)，就認(rèn)為目標(biāo)被魚雷發(fā)現(xiàn)。這里不考慮魚雷和潛艇的深度關(guān)系，假設(shè)魚雷與潛艇處于同一個平面。

設(shè)rx為魚雷自導(dǎo)作用距離，θ為自導(dǎo)扇面角，則發(fā)現(xiàn)潛艇條件可描述為

(13)

4　仿真分析

假設(shè)目標(biāo)潛艇速度為10～12kn，直升機(jī)前飛速度Vf=150km/h，從魚雷投放到魚雷開啟自導(dǎo)的時間Ts=20s，投雷圓半徑R0=500m，聲自導(dǎo)魚雷采用環(huán)形搜索方式，角速度α1=7°/s，轉(zhuǎn)彎半徑r1=115m，自導(dǎo)作用距離rx=1000m，自導(dǎo)扇面角θ=60°。用蒙特卡羅法模擬N次(N≥4 000)，魚雷搜索到潛艇n次，則魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率為p≈n/N。

直升機(jī)可對目標(biāo)進(jìn)行攻擊對應(yīng)的魚雷發(fā)現(xiàn)概率范圍一般在0.5～0.9之間，仿真時取發(fā)現(xiàn)概率為0.8[7]。

4.1目標(biāo)初始距離對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

假設(shè)傳感器對目標(biāo)的測距誤差σD=0.03D，測向誤差σB=3°，武器投放精度100m，仿真計算不同目標(biāo)初始距離下的魚雷發(fā)現(xiàn)概率，結(jié)果如圖2所示。

圖2　目標(biāo)初始距離對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

結(jié)果表明，在給定條件下，目標(biāo)初始距離大于3.5km后，隨著目標(biāo)初始距離增大，魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率明顯降低?？紤]到攻擊航線和攻擊時間等因素，直升機(jī)前飛投雷目標(biāo)初始距離存在一個最佳區(qū)間(3～5km)。

4.2傳感器探測精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

假設(shè)投放精度為100m，仿真計算不同傳感器探測精度下的魚雷發(fā)現(xiàn)概率，結(jié)果如圖3所示。

圖3　傳感器探測精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

結(jié)果表明，魚雷發(fā)現(xiàn)概率隨著傳感器探測精度的降低而下降；目標(biāo)初始距離在3.5～6.5km之間時，傳感器探測精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率影響較大，魚雷發(fā)現(xiàn)概率隨著傳感器探測精度提高有較明顯的提高。

4.3武器投放精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

假設(shè)目標(biāo)初始距離為5km，仿真計算不同武器投放精度下的魚雷發(fā)現(xiàn)概率，結(jié)果如圖4所示。

圖4　投放精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響

結(jié)果表明，魚雷發(fā)現(xiàn)概率隨著投放精度的降低而下降，且投放精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響程度與傳感器探測精度存在相關(guān)性；但在一定范圍內(nèi)(例如25～100m)投放精度的變化對魚雷發(fā)現(xiàn)概率影響不大。

5　結(jié)　語

本文建立了直升機(jī)前飛投雷參數(shù)解算模型和魚雷發(fā)現(xiàn)概率模型，在魚雷性能確定的情況下，利用蒙特卡羅法對直升機(jī)前飛投雷攻擊過程進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)魚雷發(fā)現(xiàn)概率隨著目標(biāo)初始距離增大而下降，隨著傳感器探測精度、武器投放精度的提高而提高；

(2)直升機(jī)前飛投雷目標(biāo)初始距離存在一個最佳區(qū)間(3～5km)；

(3)目標(biāo)初始距離在3.5～6.5km之間時，傳感器探測精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率影響較大，魚雷發(fā)現(xiàn)概率隨著傳感器探測精度提高有較明顯的提高；

(4)投放精度對魚雷發(fā)現(xiàn)概率的影響程度與傳感器探測精度存在相關(guān)性；但在一定范圍內(nèi)投放精度的變化對魚雷發(fā)現(xiàn)概率影響不大。

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丁海蘭(1972—)，女，北京市人，工程師，主要研究方向?yàn)楹娇辗礉摷夹g(shù)；

E-mail：jinrong97512@126.com

劉金榮(1983—)，女，遼寧省人，工程師，主要研究方向?yàn)樗压撟鲬?zhàn)效能分析；

秦飛( 1982—)，男，河南省人，博士，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用；

張武雄(1985—)，男，湖北省人，博士，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用。

Simulation on Attack Efficiency of Helicopter Flight Pickle

DINGHai-lan1,LIUJIN-rong1,QINFei2,ZHANGWu-xiong2

(1.ChinaAcademyofElectronicsInformationTechnology,Beijing100041,China;2.Keylabofwirelesssensornetworkandcommunication,Chineseacademyofsciences,Shanghai200050,China)

Baseonthetacticalusemodeofanti-submarinehelicopterattackingsubmarineinflightpickle,amodeltocalculateairdropparameterofflightpickleisbuilt,followingthemodeltocalculatedetectionprobabilityofaerialtorpedo.Thesimulationisprovidedtocalculatethedetectionprobabilityofflightpickle,andanalyzedtheinfluenceofinitialdistance,sensordetectionerrorandpickleprecisionontorpedodetectionprobability.Thesimulationresultshavecertainreferencevalueforanti-submarinehelicopterflightpickle.

flightpickle;pickleprecision;detectionprobability

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.016

2016-01-20

2016-03-15

中國科學(xué)院無線傳感網(wǎng)與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2013004)