基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法

趙艾奇, 王 戈, 孫 建, 高 天, 姜麗偉

基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法

趙艾奇1, 王 戈2, 孫 建1, 高 天1, 姜麗偉1

(1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094; 2. 海軍駐北京地區(qū)武備配套軍代室, 北京, 100094)

在對火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)特點和水下彈道特點分析的基礎(chǔ)上, 提出了一種對目標(biāo)當(dāng)前位置射擊方法的改進和優(yōu)化方法, 通過對目標(biāo)舷別的判斷來確定戰(zhàn)斗載荷水下搜索方式和落點偏移瞄準量, 進而確定魚雷射擊參數(shù)。建立了單雷射擊模型和雙雷齊射射擊數(shù)學(xué)模型, 運用該方法進行了反潛作戰(zhàn)效能仿真分析, 結(jié)果表明, 該方法可以有效提高火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)效能, 特別是打擊遠距離高速機動目標(biāo)的效果, 該方法為火箭助飛魚雷作戰(zhàn)使用提供了決策支持和理論參考。

火箭助飛魚雷; 目標(biāo)舷別; 射擊方法; 作戰(zhàn)效能

0 引言

火箭助飛魚雷(也稱反潛導(dǎo)彈)作為一種中遠程反潛武器, 具有打擊速度快、攻擊距離遠、系統(tǒng)反應(yīng)時間短等特點。目前各主要國家海軍均裝備了火箭助飛魚雷, 廣泛應(yīng)用于水面艦艇中遠程快速反潛。火箭助飛魚雷可以視為導(dǎo)彈和魚雷的結(jié)合體, 其射擊方法與這2種武器的射擊方法相比, 有可借鑒之處, 但又有所不同。在對抗條件下, 一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就實施快速對潛打擊, 取得對抗優(yōu)勢或先手的重要性日益凸顯, 因此有必要開展火箭助飛魚雷射擊方法研究, 從而有效支撐作戰(zhàn)使用研究和指揮決策。

1 火箭助飛魚雷射擊方法

火箭助飛魚雷的射擊方法主要分為3種: 目標(biāo)提前位置射擊方法(也稱前置點射擊方法)、目標(biāo)概略位置射擊方法、目標(biāo)當(dāng)前位置射擊方法(也稱現(xiàn)在點射擊方法)[1-2]。

目前, 基于目標(biāo)提前位置射擊方法的相關(guān)研究[3-6], 無論是否進行了提前角修正, 其本質(zhì)仍然是通過解算相遇點進行對目標(biāo)的精確打擊。對目標(biāo)精確打擊的前提是對目標(biāo)運動特性的準確分析, 這需要對目標(biāo)位置信息采用濾波、平滑算法解算目標(biāo)運動要素, 進而根據(jù)目標(biāo)運動要素和位置信息計算火箭助飛魚雷射擊諸元。該方法的優(yōu)點是在目標(biāo)保持等速直航的條件下, 反潛作戰(zhàn)效能較高; 缺點是濾波算法決定了需要連續(xù)的多個目標(biāo)信息才能收斂, 從而精確解算出目標(biāo)運動要素, 由于聲吶系統(tǒng)主動探測周期長, 這往往需要數(shù)分鐘的時間。在實際作戰(zhàn)過程中, 由于目標(biāo)潛艇檢測到水面艦艇聲吶發(fā)射的探測聲波后, 往往采取變向變速機動規(guī)避措施, 導(dǎo)致水面艦聲吶系統(tǒng)丟失目標(biāo)。這種情況會造成目標(biāo)運動要素解算精度大幅度下降, 甚至遠遠偏離目標(biāo)實際位置, 進而導(dǎo)致射擊失準。因此在實際作戰(zhàn)過程中提前點射擊方法效果不理想。

目標(biāo)概略位置射擊方法是在解算出目標(biāo)運動要素的基礎(chǔ)上, 根據(jù)分析認為在反潛武器發(fā)射后目標(biāo)潛艇會采取機動措施偏離其初始航向, 因此通過采取一定的提前量對目標(biāo)可能區(qū)域進行射擊, 該提前角是一個固定值或者解算提前角的加權(quán)值(加權(quán)系數(shù)小于1, 一般是通過仿真試驗得出的經(jīng)驗值)[1, 6-8]。這種方法的優(yōu)點是不再假定目標(biāo)勻速直航, 對實際作戰(zhàn)適應(yīng)性相對提前點射擊方法效果更好; 其缺點與提前點射擊方法相同, 仍然依賴于艦載聲吶系統(tǒng)的長時間連續(xù)跟蹤。當(dāng)然, 在對解算精度要求降低的前提下, 可以縮短一定的聲吶系統(tǒng)連續(xù)跟蹤時間, 這種情況也稱為對目標(biāo)可能區(qū)域射擊方法[7]。

采用現(xiàn)在點射擊方法是另一種攻擊方式, 即發(fā)射武器打擊傳感器當(dāng)前探測到的目標(biāo)位置, 該射擊方法不進行任何解算, 僅進行方位距離的換算[1,7-8]。該方法的優(yōu)點是不需要長時間對目標(biāo)跟蹤, 發(fā)射反應(yīng)時間短; 缺點是由于沒有對目標(biāo)進行精確運動分析, 對遠距離高速潛艇目標(biāo)的作戰(zhàn)效能不高。

2 火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)特點

火箭助飛魚雷具有接敵速度快的技術(shù)特點, 而且所打擊目標(biāo)距離較遠, 難以長時間穩(wěn)定跟蹤, 適合采用現(xiàn)在點射擊方法。通過仿真分析發(fā)現(xiàn), 其對遠程高速水下目標(biāo)的打擊效果會明顯下降, 原因是對于遠距離、高速運動的水下目標(biāo), 當(dāng)火箭助飛魚雷飛行到達原定目標(biāo)位置時, 潛艇的運動距離已超出了魚雷水下自導(dǎo)搜索范圍, 尤其是在一部分敵舷角范圍內(nèi)會出現(xiàn)作戰(zhàn)效能明顯下降。因此, 如何通過改進火箭助飛魚雷射擊方法, 從而提高打擊遠距離高速水下目標(biāo)的作戰(zhàn)效能是一項亟待解決的問題。

火箭助飛魚雷的射擊方法與其全彈道特性密切相關(guān), 全彈道包括空中飛行彈道和水下彈道,作為一種反潛武器, 其水下彈道與射擊方法的匹配性與作戰(zhàn)效能尤為密切。

隨著潛艇的隱蔽性逐步提高, 對潛探測難度越來越大。而且為了保證提供火箭助飛魚雷攻擊所需的目標(biāo)位置信息, 需采用主動聲吶對潛探測, 潛艇在接收到聲吶主動探測信號后, 往往會采取機動等戰(zhàn)術(shù)規(guī)避手段。此外, 由于火箭助飛魚雷攻擊遠距離目標(biāo)時, 本艦聲吶無法探測到目標(biāo), 一般采用反潛直升機等編隊探測平臺作為目標(biāo)指示來源, 由于反潛直升機懸停探測時間有限, 難以長時間連續(xù)跟蹤探測, 同時跨平臺協(xié)同指揮組織難度大。

3 火箭助飛魚雷射擊方法數(shù)學(xué)模型

文中所討論的火箭助飛魚雷特征假定如下: 戰(zhàn)斗載荷入水結(jié)束后即轉(zhuǎn)入搜索彈道, 水下自導(dǎo)體制為主動聲自導(dǎo), 水下搜索彈道為環(huán)行彈道。

3.1 目標(biāo)舷別可計算條件下的射擊數(shù)學(xué)模型

通過艦外平臺傳感器獲得遠距離水下目標(biāo)的位置信息后, 本艦指揮控制系統(tǒng)將艦外平臺所發(fā)送的目標(biāo)絕對坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度)通過坐標(biāo)系變換, 轉(zhuǎn)換為以本艦為原點的極坐標(biāo)系相對坐標(biāo)(方位、距離), 并將轉(zhuǎn)換過的目標(biāo)信息持續(xù)傳送至反潛武器系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)坐標(biāo)為

反潛武器系統(tǒng)根據(jù)指控系統(tǒng)連續(xù)傳送的幾個不同的目標(biāo)位置信息, 解算目標(biāo)運動的大致方向或目標(biāo)舷別, 即可判斷出目標(biāo)的大致運動方向是向目標(biāo)方位線的左側(cè)還是右側(cè)。其判別基本原則為: 當(dāng)方位變化率為正時, 目標(biāo)舷別為右舷; 當(dāng)方位變化率為負時, 目標(biāo)舷別為左舷。目標(biāo)舷別計算公式

根據(jù)判斷出的目標(biāo)運動舷別, 設(shè)定火箭助飛魚雷戰(zhàn)斗載荷的水下旋回方向。當(dāng)判明目標(biāo)舷別為右舷, 魚雷水下旋回方向為右旋搜索; 當(dāng)判明目標(biāo)舷別為左舷, 魚雷旋回方向為左旋搜索, 魚雷戰(zhàn)斗載荷水下旋回方向計算公式

火箭助飛魚雷的落點坐標(biāo)為最新目標(biāo)位置坐標(biāo), 即

反潛武器系統(tǒng)在火箭助飛魚雷發(fā)射前將解算出的魚雷旋回方向和落點坐標(biāo)作為射擊諸元裝訂至火箭助飛魚雷。

3.2 目標(biāo)舷別無法計算條件下的射擊數(shù)學(xué)模型

在無法準確判斷出目標(biāo)舷別的條件下, 根據(jù)戰(zhàn)斗載荷默認的水下旋回方向, 火箭助飛魚雷的落點位置向反方向修正。根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的水下旋回半徑、魚雷水下航速和目標(biāo)估計逃逸速度確定修正距離

修正后魚雷落點坐標(biāo)

反潛武器系統(tǒng)在火箭助飛魚雷發(fā)射前將魚雷默認旋回方向和修正后的落點坐標(biāo)作為射擊諸元裝訂至火箭助飛魚雷。

3.3 雙雷齊射射擊數(shù)學(xué)模型

為了提高作戰(zhàn)效能, 火箭助飛魚雷可采用雙雷齊射方式打擊目標(biāo)。當(dāng)采用雙雷齊射打擊目標(biāo)時, 根據(jù)傳感器的探測誤差散布來確定2條火箭助飛魚雷戰(zhàn)斗載荷水下搜索覆蓋區(qū)域分配。傳感器的探測誤差散布一般可近似為矩形區(qū)域, 2條火箭助飛魚雷的落點應(yīng)分布在矩形短軸的兩側(cè), 使用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)對目標(biāo)探測的誤差來確定。雙雷齊射時的魚雷落點分布如圖1所示。

圖1 火箭助飛魚雷雙雷齊射落點分布示意圖

圖1中:1區(qū)域為由探測平臺提供目標(biāo)信息, 魚雷搜索區(qū)域完全覆蓋目標(biāo)散布區(qū)域的情況示意;2區(qū)域為發(fā)射艦提供目標(biāo)信息, 魚雷搜索區(qū)域不能完全覆蓋目標(biāo)散布區(qū)域的情況示意。

進一步還需要考慮從火箭助飛魚雷發(fā)射到入水期間目標(biāo)的水下逃逸距離, 因此兩雷的水下搜索區(qū)域應(yīng)盡量覆蓋目標(biāo)的逃逸范圍。實際使用中應(yīng)根據(jù)對目標(biāo)運動的估計來確定目標(biāo)散布區(qū)域, 進而選擇相應(yīng)的齊射射擊方法。如圖2所示。

圖2 火箭助飛魚雷雙雷齊射落點示意圖

根據(jù)魚雷的水下旋回方向和落點間距大小可分為3種雙雷齊射方式: 大間距入水搜索相向搜索方式、中距入水同向搜索方式以及小間距入水背向搜索方式。

1) 在可以判明目標(biāo)舷別的條件下, 采取中距入水同向搜索方式實施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖3所示。

圖3 雙雷齊射中距入水同向搜索

根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點距離

則魚雷旋回方向

落點坐標(biāo)

2) 在近距離緊急遭遇目標(biāo)的條件下, 采取小間距背向搜索方式實施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖4所示。

圖4 雙雷齊射小間距入水背向搜索

根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離及旋回半徑確定魚雷旋回搜索半徑

根據(jù)傳感器探測誤差散布、目標(biāo)估計逃逸速度及目標(biāo)逃逸時間確定目標(biāo)逃逸范圍

根據(jù)目標(biāo)逃逸范圍和魚雷旋回搜索半徑確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點距離

則魚雷旋回方向

3) 在不能判明目標(biāo)舷別的條件下, 采取大間距相向搜索方式實施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖5所示。

圖5 雙雷齊射大間距入水相向搜索

根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離及旋回半徑確定魚雷旋回搜索半徑, 根據(jù)傳感器探測誤差散布、目標(biāo)估計逃逸速度及目標(biāo)逃逸時間確定目標(biāo)逃逸范圍, 根據(jù)目標(biāo)逃逸范圍和魚雷旋回搜索半徑確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點距離

則魚雷旋回方向

此外, 如果2條火箭助飛魚雷在雙雷齊射時存在互相干擾的情況或可能性時, 應(yīng)該盡量保證兩雷在水下搜索時, 一雷不出現(xiàn)在另一雷的搜索扇面內(nèi), 則雙雷落點間距應(yīng)滿足

4 仿真分析

以中型潛艇作為典型目標(biāo), 火箭助飛魚雷使用美國阿斯洛克反潛導(dǎo)彈, 戰(zhàn)斗載荷為MK 46 Mod 5輕型魚雷, 采用蒙特卡羅法開展仿真分析[9]。仿真試驗主要參數(shù)如表1所示[10-11]。

作戰(zhàn)效能計算方法: 在1 000次模擬打靶過程中, 魚雷自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的次數(shù)/1 000。

火箭助飛魚雷采用現(xiàn)在點射擊時, 由于目標(biāo)在水下可向任意方向機動, 經(jīng)仿真試驗發(fā)現(xiàn), 其

表1 仿真參數(shù)表

作戰(zhàn)效能受目標(biāo)舷角影響較大。受目標(biāo)逃逸的影響, 在一半舷角范圍內(nèi)(0~180°)作戰(zhàn)效能較高, 而在另一半舷角范圍內(nèi)下降明顯, 如圖6所示。

圖6 現(xiàn)在點攻擊作戰(zhàn)效能與目標(biāo)舷角關(guān)系圖

采用目標(biāo)舷別判斷之后, 對于作戰(zhàn)效能下降明顯的舷角范圍, 由于提前根據(jù)解算出的目標(biāo)舷角設(shè)定了魚雷的旋回方向, 其作戰(zhàn)效能在目標(biāo)舷角范圍內(nèi)均有明顯的提高, 彌補了原方法的不足, 如圖7所示。

針對20~32 km不同距離上的目標(biāo)采用2種方法進行仿真分析, 基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法可以有效提高火箭助飛魚雷打擊遠距離高速目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率, 采用該方法后將比原現(xiàn)在點射擊方法提高10％~20％的作戰(zhàn)效能, 如圖8所示。

圖7 判斷目標(biāo)舷別現(xiàn)在點攻擊作戰(zhàn)效能與目標(biāo)舷角關(guān)系

Fig 7 Relationship between operational effectiveness of shooting present position based on target board judgment and target board angle

圖8 不同距離條件下2種方法作戰(zhàn)效能對比

5 結(jié)束語

通過對火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)特點和水下彈道特點分析, 提出了一種基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法, 一般只需2～3個聲吶周期即可判斷出目標(biāo)舷別, 從而確定魚雷戰(zhàn)斗載荷水下旋回方向。同時對無法判斷目標(biāo)舷別時的射擊瞄準,根據(jù)戰(zhàn)斗載荷水下彈道特性和對目標(biāo)逃逸范圍進行落點人工散布修正。文中基于該方法建立了完整的現(xiàn)在點單雷射擊模型和3種雙雷齊射射擊模型, 無論是否可判明目標(biāo)舷別均可適用。該射擊方法為火箭助飛魚雷快速攻潛的作戰(zhàn)應(yīng)用和指揮決策提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上開展基于不超過5個聲吶周期的目標(biāo)概略位置射擊方法研究將是下一步的研究方向。

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Shooting Method of Rocket-Assisted Torpedo Based on Target Board Judgment

ZHAO Ai-qi1, WANG Ge2, SUN Jian1, GAO Tian1, JIANG Li-wei1

(1. Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China; 2. Military Office of the PLA Navy in Beijing, Beijing 100094, China)

Based on the characteristics analysis of the anti-submarine operation and underwater trajectory of rocket-assisted torpedo, the conventional method for shooting target’s present position is improved and optimized. The judgment of the target board is used to determine the underwater search mode of the military load and offset aiming of the water-entry point. And then the shooting data of rocket-assisted torpedo is determined. Mathematical shooting models of single rocket-assisted torpedo and two rocket-assisted torpedoes salvo are established. Simulation analysis on the anti-submarine operational effectiveness is carried out by using this method, and the results show that this method can effectively improve the anti-submarine operational effectiveness of rocket-assisted torpedo, especially improve the effect of hitting long-range and high-speed maneuvering targets.

rocket-assisted torpedo; target board; shooting method; operational effectiveness

TJ631.8; E843

A

2096-3920(2019)04-0446-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.013

趙艾奇, 王戈, 孫建, 等. 基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(4): 446-451.

2019-03-01;

2019-04-07.

趙艾奇(1978-), 男,高級工程師, 主要研究方向為反潛武器裝備及其作戰(zhàn)使用.

(責(zé)任編輯: 許 妍)