基于提升線導魚雷捕獲概率的導引方法優(yōu)化研究

曲豐張儀吳磊

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

在未來海戰(zhàn)中，魚雷將是反潛作戰(zhàn)的最主要武器，也仍是潛艇的主戰(zhàn)武器之一，對隱蔽攻擊水面艦船，破壞海上交通運輸將發(fā)揮巨大作用。隨著魚雷技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，大大擴大了打擊范圍和命中精度，從而進一步強化了魚雷在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的地位。現(xiàn)在大型魚雷幾乎無一例外地運用了線導技術(shù)［1］。目前世界各國在役魚雷中，線導魚雷型號占總數(shù)的60%以上，而且還有把線導技術(shù)移植到小型魚雷上的趨勢。因此，對線導魚雷使用問題的研究具有現(xiàn)實意義［2］。本文研究成果使得學習者能夠掌握線導魚雷的作戰(zhàn)使用的基本原理與方法，在魚雷、魚雷發(fā)射平臺性能已知的情況下，能夠充分考慮武器裝備性能，合理使用線導魚雷，充分發(fā)揮線導魚雷的性能，提高線導魚雷的捕獲概率，達到應有的作戰(zhàn)效果［3］。

2 導引線導魚雷理論基礎(chǔ)

2.1 線導魚雷定義及導引原理

線導魚雷是在聲自導魚雷或尾流自導魚雷的基礎(chǔ)上，通過在魚雷與潛艇指控系統(tǒng)之間增設(shè)控制導線和收、發(fā)裝置而成的有線制導魚雷［4］。當潛艇指控系統(tǒng)控制線導魚雷發(fā)射出管后，可以通過與線導魚雷間的連接導線接收魚雷傳回的遙測信息并適時向魚雷發(fā)送導引控制指令，從而實現(xiàn)對魚雷的導引控制。線導魚雷導引是將魚雷、導引站、目標三者構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在保證導引站隱蔽的情況下，快速地導引魚雷接近目標，使目標進入魚雷的自導范圍［5］。線導導引方法通常分方位導引法、前置點導引法，人工導引法。

2.2 線導魚雷射擊導引工程化模型研究

線導魚雷射擊導引模型包括線導魚雷射擊模型和線導魚雷導引模型兩部分。線導魚雷射擊模型主要功能是計算魚雷的一次轉(zhuǎn)角、二次轉(zhuǎn)角或斷線航向角和自導開機距離三個預設(shè)定參數(shù)［6］；導引模型則用于計算魚雷航向角、二次轉(zhuǎn)角或斷線航向角和自導開機距離三個遙控參數(shù)，并自動計算發(fā)出魚雷自導開機指令的時間［7］。在文中只對線導+主動聲自導攻擊目標艦方式及前置點導引射擊模型進行研究。

2.2.1 線導魚雷射擊模型

前置點導引一次轉(zhuǎn)角計算模型為［8］

式中：

無目標運動要素時，斷線航向角：

自導開機距離：

其中：

有目標運動要素時，斷線航向角：

自導開機距離：

2.2.2 線導魚雷前置點導引模型

前置點導引法導引原理是根據(jù)各導引點上測量和解算的目標、魚雷的位置、速度、航向等狀態(tài)參數(shù)，求得最佳提前角，導引魚雷按此攔截航線接近目標［8］。即若此時此刻以后魚雷和目標都按當時得航向等速直航，則經(jīng)過一定時間后，魚雷將和目標相遇，也稱攔截航跡法。為簡化計算過程，只考慮水平面內(nèi)的發(fā)現(xiàn)情況；建立大地平面坐標系，原點O為魚雷發(fā)射點，正東為X軸，正北為Y軸。導引模型如圖1所示。

圖1 前置點導引模型示意圖

3 前置點導引方法優(yōu)化

3.1 優(yōu)化算法導引策略的提出

在魚雷前置點射擊導引模型中，魚雷未提出攻擊目標的角度范圍，也就是說默認為攻擊角度為0°～180°，但是查閱學習相關(guān)文獻可知［9］，魚雷的攻擊角度90°±60°的范圍內(nèi)時效果較好，即魚雷在目標正橫60°區(qū)域內(nèi)主動聲自導更有利于發(fā)現(xiàn)目標，在該范圍外時捕獲概率很低，因此，對于線導魚雷，武器系統(tǒng)盡可能將魚雷導引至目標正橫60°區(qū)域內(nèi)，然后遙控魚雷自導開機進行搜索目標，以滿足魚雷命中角要求，提高魚雷主動聲自導捕獲目標的概率。所以，武器系統(tǒng)可根據(jù)該范圍在導引方法上進行優(yōu)化，因此增加魚雷命中角范圍限制條件。

3.2 前置點優(yōu)化算法原理

前置點優(yōu)化算法原理：在前置點導引方法的基礎(chǔ)上，將目標點沿垂直于目標航向下移一定的距離后，作為魚雷的占位點。當魚雷抵達占位點附近時，立即變向使魚雷航向接近垂直于目標航向［10］，如圖2所示。

圖2 前置點優(yōu)化示意圖

前置點優(yōu)化導引通式：

當 DMT≤DK和 θ1≤qmT≤θ2時，魚雷開始沿命中角中線轉(zhuǎn)向，武器系統(tǒng)按照前置點導引方法計算魚雷新的航向角。

上述公式中，Dm為魚雷占位點與目標位置之間的距離，應不小于魚雷主動聲自導自適應距離；DK為占位距離閾值，θ1和θ2分別為占位角度范圍下限和上限值。

4 仿真實驗設(shè)計與結(jié)果分析

為了驗證線導魚雷前置點導引法優(yōu)化對提升線導魚雷發(fā)現(xiàn)目標概率概率的能力，運用統(tǒng)計模擬法進一步進行數(shù)學仿真，對線導+聲自導魚雷捕獲水面艦船的概率進行了仿真分析［11］。

4.1 求解線導魚雷捕獲概率統(tǒng)計模擬法

4.1.1 線導魚雷捕獲目標判定標準

首先在設(shè)定的敵目標航行坐標數(shù)據(jù)和魚雷軌跡數(shù)據(jù)中分別加入相應的聲納探測誤差和魚雷航行偏差。

t時刻魚雷與目標之間的距離按公式計算為

t時刻魚雷與目標方位線的傾角按公式計算：

魚雷自導捕獲目標判斷公式為

（LS為魚雷航程，Lmax為魚雷最大航行航程）

4.1.2 統(tǒng)計計算捕獲概率模型

模擬統(tǒng)計計算步驟如下：

1）初始給定模擬試驗次數(shù)n1，仿真精度為Δ；

2）按式（28）統(tǒng)計魚雷自導捕獲目標的概率Pα；

nα為魚雷自導捕獲到目標的次數(shù)。

3）按式（29）計算按精度要求的模擬次數(shù)

4）按式（30）計算繼續(xù)模擬次數(shù) Δn：

若Δn≤0，則停止模擬；

若Δn≥0，則繼續(xù)模擬Δn次。

賦值

按b至d繼續(xù)統(tǒng)計模擬計算，直到要求為止。此時的頻率Pα即為聲自導捕獲目標的概率。

4.2 仿真案例分析

4.2.1 仿真條件

潛艇：勻速直航，航向60°，航速6節(jié)，采用分別采用前置點導引方式，修正方位導引方式，占位優(yōu)化導引方式導引魚雷進行攻擊目標；

目標：水面目標，航向90°，航速18節(jié)，初始射距為8000m，初始方位30°；

魚雷：主動聲自導，航速40節(jié)，自導作用距離為1000m。

仿真參數(shù)誤差：潛艇航向均方差0.5°，航速均方差0.5節(jié)；目標航向均方差1°，航速均方差1節(jié)；聲納測向誤差1°；目標運動要素解算航向誤差1°，航速誤差1°，距離誤差200m。

仿真分析在不同發(fā)射時刻目標舷角下潛艇發(fā)控線導魚雷攻擊水面目標的命中角情況，若命中角滿足魚雷要求，則不進行優(yōu)化；若命中角不滿足魚雷要求，則進行優(yōu)化。仿真結(jié)果如表1所示。

4.2.2 仿真過程

運用前置點導引法和前置點優(yōu)化占位法的運動學模型編寫仿真軟件，設(shè)定初始仿真次數(shù)為1000次，仿真精度90%。仿真分析在不同目標舷角下潛艇發(fā)控某型線導魚雷攻擊水面目標的命中角情況，若命中角滿足魚雷最優(yōu)命中角范圍要求，則不使用前置點優(yōu)化占位算法；若命中角不滿足魚雷最優(yōu)命中角范圍要求，則使用前置點優(yōu)化算法發(fā)控魚雷攻擊目標［12］。線導魚雷導引仿真軟件界面及部分仿真態(tài)勢如圖3、圖4所示。

圖3 前置點導引法仿真界面

圖4 前置點優(yōu)化法仿真界面

4.2.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如表1所示；由上述仿真結(jié)果分析可知，在大舷角或小舷角攻擊態(tài)勢下，武器系統(tǒng)發(fā)控線導魚雷以主動聲自導方式攻擊目標時，使用攻擊占位算法后的魚雷命中角，與未使用攻擊占位算法的魚雷命中角相比更接近與90°附近，同時魚雷捕獲目標的概率有較大提升。

表1 仿真計算結(jié)果

5 結(jié)語

本文對線導魚雷導引方法進行了優(yōu)化，在線導魚雷的置點導引方法及提出占位優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，運用統(tǒng)計模擬法進行數(shù)學仿真，運用Matlab語言編寫仿真軟件，對線導+聲自導魚雷捕獲水面艦船的概率進行了仿真分析，通過兩種不同導引方法的仿真計算結(jié)果的對比，驗證線導魚雷占位優(yōu)化對提升線導魚雷捕獲目標概率概率的能力，進而也驗證了優(yōu)化方法的正確性與可行性。也為后續(xù)的研究與推廣使用奠定了基礎(chǔ)。