基于遺傳算法的潛艇組合使用聲誘餌防御魚雷技術(shù)研究

彭會(huì)斌

(海軍駐連云港七一六所軍事代表室, 江蘇 連云港 222061)

眾多研究人員研究了潛艇綜合使用水聲對(duì)抗器材防御魚雷方法。李寧[3]分析研究了水聲對(duì)抗器材組合使用時(shí)相互間的干擾,總結(jié)出幾種組合方式的利弊。李峰等人[4]利用仿真對(duì)比分析了單枚聲誘餌和兩枚聲誘餌不同對(duì)抗方法,得出了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷的有效性。袁志勇[5]建立了大小口徑聲誘餌協(xié)同作戰(zhàn)的彈道模型,給出了誘餌航向和一次轉(zhuǎn)角的約束關(guān)系。周敏佳[6]在此基礎(chǔ)上采用非線性規(guī)劃方法,以對(duì)抗結(jié)束時(shí)潛艇魚雷距離最大為目標(biāo),通過等步長遍歷搜索方法,給出了大口徑聲誘餌最優(yōu)初始航向和潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避參數(shù)。

上述研究考慮了組合使用大小口徑聲誘餌,但未討論自航式聲誘餌的多次轉(zhuǎn)角功能,沒有充分發(fā)揮自航式聲誘餌的性能。為了進(jìn)一步提高潛艇防御魚雷生存能力,本文在上述研究基礎(chǔ)上,采用定性和定量分析相結(jié)合方法,基于遺傳算法,研究大小口徑聲誘餌組合防御魚雷方法。

1 問題描述

如圖1所示,潛艇魚雷報(bào)警后,經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間,潛艇按原航向CS航行至S1,來襲魚雷按航向Ct直航搜索,航行至T1,此時(shí)距離潛艇D1。潛艇立刻發(fā)射噪聲干擾器和小口徑自航式聲誘餌,同時(shí)開始旋回機(jī)動(dòng)規(guī)避,待大口徑自航式聲誘餌準(zhǔn)備好后,發(fā)射大口徑聲誘餌,潛艇繼續(xù)反方向規(guī)避至航向CSe后,一直直航以盡快遠(yuǎn)離魚雷。魚雷發(fā)現(xiàn)小口徑聲誘餌后,先追蹤一段時(shí)間,隨著距離的減小,魚雷將識(shí)別出小口徑聲誘餌,并進(jìn)行再搜索。再搜索過程中,若發(fā)現(xiàn)大口徑聲誘餌將繼續(xù)追蹤,否則,一直再搜索,直至航程耗盡。潛艇發(fā)射大口徑聲誘餌,就是為了繼續(xù)誘騙魚雷,以進(jìn)一步延長誘騙時(shí)間,為潛艇規(guī)避爭取更多時(shí)間。當(dāng)魚雷識(shí)別出大口徑聲誘餌后繼續(xù)再搜索,若搜索發(fā)現(xiàn)潛艇,則對(duì)抗失敗,否則,對(duì)抗成功。先發(fā)射小口徑聲誘餌,再發(fā)射大口徑聲誘餌,是考慮到小口徑聲誘餌具有發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短,而大口徑自航式聲誘餌具有模擬逼真度高的特點(diǎn)[5]。

2 誘餌組合使用模型

潛艇組合使用聲誘餌防御魚雷,需要設(shè)定的參數(shù)有中小口徑聲誘餌各直航段的航向、速度、深度和直航時(shí)間,以及潛艇規(guī)避時(shí)機(jī)、規(guī)避速度、規(guī)避角度和規(guī)避深度等。

對(duì)抗來襲魚雷時(shí),自航式聲誘餌的使用原則是:使魚雷首先發(fā)現(xiàn)并跟蹤誘餌,遠(yuǎn)離我艇,降低其發(fā)現(xiàn)我艇的概率[1-2]。因此,防御魚雷時(shí),自航式聲誘餌的速度應(yīng)設(shè)為高速,以保證其首先被魚雷發(fā)現(xiàn)。聲誘餌工作深度可設(shè)置為與魚雷搜索深度相近,以容易被魚雷探測(cè)到。

潛艇發(fā)射聲誘餌后應(yīng)合理進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng),以盡量遠(yuǎn)離來襲魚雷。機(jī)動(dòng)方式主要有變向、變速和變深等。為簡化問題,這里僅考慮變速和變向機(jī)動(dòng)。防御主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí),應(yīng)加速脫離;防御被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí),通常以最大隱蔽航速規(guī)避。潛艇規(guī)避航向則應(yīng)根據(jù)誘餌的具體使用參數(shù)確定。

把三首詩連貫起來賞析，不難看出陸游當(dāng)時(shí)內(nèi)心無限興奮，以及急于報(bào)效朝廷的心境?！芭钊R定不遠(yuǎn)”，表示詩人此番的目的地不會(huì)很遠(yuǎn)的了，不日就會(huì)到達(dá)。而“遠(yuǎn)來不負(fù)東皇意”，既說明詩人不是從瑞安的任上來，而是從山陰一路而來，并且從內(nèi)心迸發(fā)出絕不辜負(fù)朝廷對(duì)他的期望的決心。

2.1 小口徑聲誘餌初始航向

初始航向即自航式聲誘餌出管穩(wěn)定航行后應(yīng)轉(zhuǎn)到的航向。初始航向主要是為了使誘餌能被魚雷以最大概率捕獲,采用相對(duì)移動(dòng)線方法可求得[7]。如圖1所示,誘餌應(yīng)沿使δ1=δ2(δ1、δ2分別為S1B、S1D與S1A的夾角)的相對(duì)移動(dòng)線運(yùn)動(dòng)。在ΔBS1T1和ΔDS1T1中,由幾何關(guān)系和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,可得聲誘餌的初始航向Cd1應(yīng)為

(1)

(2)

相應(yīng)地,小口徑聲誘餌的一次轉(zhuǎn)角由下式獲得

αd1=Cd1-Cs

(3)

其中,ε為聲誘餌相對(duì)移動(dòng)線與魚雷方位線之間的夾角,φ為魚雷攻擊提前角,Vt為魚雷速度,R為自導(dǎo)半徑,λ為自導(dǎo)扇面開角,Vd為聲誘餌速度,QS為潛艇魚雷報(bào)警舷角。

2.2 組合使用參數(shù)計(jì)算

考慮大小口徑自航式聲誘餌多次轉(zhuǎn)角功能后,潛艇綜合防魚雷需確定的使用參數(shù)變多。除小口徑聲誘餌的一次轉(zhuǎn)角外,還包括小口徑聲誘餌的一次直航時(shí)間td1、二次轉(zhuǎn)角αd2、大口徑聲誘餌的一次轉(zhuǎn)角βd1、一次直航時(shí)間Td1、二次轉(zhuǎn)角βd2、二次直航時(shí)間Td2、三次轉(zhuǎn)角βd3、潛艇的規(guī)避角度γ等。

這些參數(shù)相互關(guān)聯(lián),要綜合考慮聲誘餌性能、魚雷自導(dǎo)性能,以及潛艇魚雷報(bào)警距離等因素加以確定。實(shí)際對(duì)抗過程中,魚雷報(bào)警信息有限,魚雷報(bào)警距離、魚雷航向、魚雷自導(dǎo)作用距離等難以準(zhǔn)確估計(jì)。聲誘餌何時(shí)被魚雷自導(dǎo)捕獲,難以估算。對(duì)這樣復(fù)雜的問題,難以通過解析模型實(shí)時(shí)計(jì)算。常用的方法是采用統(tǒng)計(jì)模擬方法,即通過窮舉方案并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn),找到近似最優(yōu)的防御策略。當(dāng)使用參數(shù)增多時(shí),計(jì)算量急劇增大[8]?？紤]到這是一個(gè)優(yōu)化問題,可用遺傳算法來求解。

1) 防御效果的度量

潛艇防御成功概率越大,說明采取的防御策略效果越好。因此,將防御成功概率作為防御效果的度量。防御成功概率采用仿真模擬統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

2) 個(gè)體編碼方法

個(gè)體由決策變量(即誘餌使用參數(shù))組成,決定了一種策略行為。這里,將聲誘餌直航時(shí)間等8個(gè)變量放在一起組成一個(gè)個(gè)體,采用實(shí)數(shù)的形式,如式(4)所示。

[γtd1αd2βd1Td1βd2Td2βd3]

(4)

生成個(gè)體時(shí),所有決策變量在其范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。

3) 適應(yīng)度函數(shù)

對(duì)產(chǎn)生的每個(gè)個(gè)體,用Monte Carlo方法計(jì)算相應(yīng)的潛艇防御成功概率,并將其作為遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)值。

4) 遺傳操作

遺傳操作采用選擇操作、離散重組和高斯變異。

選擇操作采用最佳個(gè)體保存法,即把群體中適應(yīng)度最高的個(gè)體不參與配對(duì)交叉而直接復(fù)制到下一代。

離散重組時(shí),新個(gè)體的決策變量由選定的兩個(gè)父代個(gè)體中的一個(gè)隨機(jī)決定。如果父代個(gè)體為(x1,…,xn)和(y1,…,yn),則生成新個(gè)體(z1,…,zn),其中zi={xi}或{yi},?i∈{1,…,n},xi和yi按等概率選取。

高斯變異實(shí)現(xiàn)如下:

(5)

其中xiU和xiL分別為變量xi的上下限值,i∈{1,…,n}。N(0,1)表示均值為0,均方差為1的一維高斯隨機(jī)分布。固定步長為0.1。

3 仿真計(jì)算與分析

3.1 仿真條件

用遺傳算法來優(yōu)化時(shí),對(duì)每組輸入變量求潛艇防御成功概率,用Monte Carlo法單獨(dú)計(jì)算500次,種群大小為30,每次迭代保存適應(yīng)度最高的6個(gè)個(gè)體,這6個(gè)個(gè)體不參與配對(duì)交叉而直接復(fù)制到下一代,每個(gè)態(tài)勢(shì)均迭代20次。

模擬的初始參數(shù)和參數(shù)范圍如下:潛艇的初始速度6kn,規(guī)避角度-180°～180°(左正右負(fù));小口徑聲誘餌的一次轉(zhuǎn)角按式(3)計(jì)算;聲誘餌發(fā)射時(shí)機(jī)為各自的最短發(fā)射時(shí)間,直航時(shí)間范圍均限定為0-500s,轉(zhuǎn)向角度范圍均為-90°～90°,速度均取高速。

3.2 仿真結(jié)果

對(duì)典型態(tài)勢(shì)進(jìn)行仿真,結(jié)果如表1所示。可見,利用遺傳算法優(yōu)化得到了潛艇組合使用大小口徑自航式聲誘餌防御來襲魚雷方法。

表1 潛艇綜合使用聲誘餌防御魚雷方法優(yōu)化結(jié)果

典型態(tài)勢(shì)下的對(duì)抗過程如圖2-5所示。其中,紅色為潛艇航行軌跡,綠色為小口徑自航式聲誘餌航行軌跡,藍(lán)色為大口徑自航式聲誘餌航行軌跡,黑色為來襲魚雷航行軌跡。

由圖可見,來襲魚雷均首先發(fā)現(xiàn)并跟蹤小口徑聲誘餌,識(shí)別出小口徑聲誘餌為假目標(biāo)后,進(jìn)行再搜索,再搜索過程中發(fā)現(xiàn)大口徑聲誘餌并跟蹤。潛艇則向誘餌的相反方向規(guī)避。由圖還可以看出,上述典型態(tài)勢(shì)下,小口徑聲誘餌的二次轉(zhuǎn)角、大口徑聲誘餌的三次轉(zhuǎn)角等參數(shù)已沒有意義,可不用考慮。

組合使用聲誘餌等水聲對(duì)抗器材的防御效果,比使用單枚聲誘餌有一定的提高,提高程度在14%以上,具體如表2所示。

表2 防御效果對(duì)比

4 結(jié)束語

為了進(jìn)一步提高潛艇綜合防御效果,本文考慮組合使用自航式聲誘餌來防御魚雷,同時(shí)充分利用誘餌的多次轉(zhuǎn)角功能。通過采用定性和定量分析相結(jié)合方法,計(jì)算和優(yōu)化組合使用參數(shù)。利用遺傳算法,有效解決了決策參數(shù)增多,傳統(tǒng)窮舉統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算量急劇增加問題。對(duì)典型態(tài)勢(shì)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明:通過組合使用大小口徑聲誘餌,潛艇防御魚雷成功概率可提高14%以上。

[1] 陳春玉,張靜遠(yuǎn),王明洲,等.反魚雷技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 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.

[3] 李 寧. 反魚雷作戰(zhàn)中水聲對(duì)抗器材組合使用研究[J]. 艦船電子工程， 2013,33(2): 45-46.

[4] 李峰,鄭援,單廣超. 潛艇使用兩枚自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷問題研究[J]. 艦船電子工程， 2015,35(4): 150-153.

[5] 袁志勇,周敏佳. 潛艇自航式誘餌組合使用方法[J]. 指揮控制與仿真，2014,36(4): 127-131.

[6] 周敏佳,袁志勇. 潛艇自航式誘餌組合對(duì)抗使用方法[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào)， 2015,37(2): 12-14.

[7] 于李洋. 大口徑誘餌作戰(zhàn)使用研究[D]. 武漢:海軍工程大學(xué),2006.

[8] 于昌榮,苗艷.遺傳算法在潛艇防御魚雷中的應(yīng)用[C]. 海戰(zhàn)場(chǎng)電子信息技術(shù)學(xué)術(shù)論文集， 2011.