基于舷角變化信息的來(lái)襲魚(yú)雷彈道類(lèi)型判別方法

夏志軍,杜選民,章新華,康春玉

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系，遼寧 大連 116018；2.水聲對(duì)抗技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201108)

潛艇水下魚(yú)雷攻擊是水面艦艇在未來(lái)海戰(zhàn)中面臨的主要威脅，如何對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷進(jìn)行有效對(duì)抗是急需解決的重要問(wèn)題。來(lái)襲魚(yú)雷導(dǎo)引方式不同，彈道類(lèi)型不同，則需要的對(duì)抗器材類(lèi)型，對(duì)抗方法也會(huì)有所差異。魚(yú)雷作為水下快速小目標(biāo)，隱蔽性強(qiáng)，水面艦艇可用主動(dòng)或被動(dòng)聲納對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行預(yù)警，為了有充裕的時(shí)間完成對(duì)魚(yú)雷的預(yù)警、探測(cè)、跟蹤、識(shí)別和對(duì)抗決策，艦艇需要在中遠(yuǎn)距離對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警，而主動(dòng)聲納對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警距離近，難以滿(mǎn)足對(duì)抗魚(yú)雷的及時(shí)性要求。通常情況下，中遠(yuǎn)距離上的魚(yú)雷探測(cè)主要依靠被動(dòng)聲納，而被動(dòng)聲納只能獲得來(lái)襲魚(yú)雷的方位信息，無(wú)法獲取魚(yú)雷的距離信息和類(lèi)型信息，給對(duì)抗器材的使用和艦艇規(guī)避決策帶來(lái)困難。一直以來(lái)，對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷的識(shí)別僅僅依靠像素層范疇(LOFAR和DEMON譜分析技術(shù))[1]，且只能實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷與非魚(yú)雷目標(biāo)的區(qū)別，而對(duì)相關(guān)戰(zhàn)術(shù)信息缺乏有效應(yīng)用，對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷彈道類(lèi)型的判別缺乏深入研究。因此，在魚(yú)雷向艦艇目標(biāo)接近過(guò)程中，如果能夠根據(jù)來(lái)襲魚(yú)雷的舷角變化信息，判斷來(lái)襲魚(yú)雷可能的攻擊彈道類(lèi)型，則可為中遠(yuǎn)距離對(duì)抗器材的使用及魚(yú)雷類(lèi)型判別提供信息支持，提高艦艇反魚(yú)雷水聲對(duì)抗作戰(zhàn)決策的針對(duì)性和有效性。

1 潛射魚(yú)雷彈道模型

潛射魚(yú)雷按自導(dǎo)方式主要可分為直航、聲自導(dǎo)、線(xiàn)導(dǎo)+聲自導(dǎo)、線(xiàn)導(dǎo)+尾流自導(dǎo)4種形式[2]，目前直航魚(yú)雷已較少運(yùn)用，而線(xiàn)導(dǎo)+聲自導(dǎo)、線(xiàn)導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚(yú)雷在向目標(biāo)接近過(guò)程中則采取線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)引，因此魚(yú)雷中遠(yuǎn)距離向艦艇接近過(guò)程中，本文主要研究?jī)煞N不同類(lèi)型的魚(yú)雷彈道，即聲自導(dǎo)魚(yú)雷彈道和線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷彈道。

1.1 聲自導(dǎo)魚(yú)雷彈道模型

潛艇采用提前角法進(jìn)行聲自導(dǎo)魚(yú)雷攻擊如圖1，圖1中T為魚(yú)雷位置，A為被攻擊艦艇位置，ct,vt為魚(yú)雷航向、航速，cs,vs為艦艇航向、航速，qt為魚(yú)雷所處艦艇的舷角，φ為理想攻擊提前角，Q為魚(yú)雷理想命中點(diǎn)，B為魚(yú)雷的有利導(dǎo)引點(diǎn)。魚(yú)雷按航向ct直航搜索接近目標(biāo)，與艦艇目標(biāo)在Q點(diǎn)相遇。采用提前角引導(dǎo)魚(yú)雷攻擊時(shí)潛艇須解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，通常魚(yú)雷攻擊的正常提前角可表示為[3]

φ=arcsin(vssinqt/vt)

(1)

在一定射擊條件下，魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)概率最高的提前角為有利提前角，即使魚(yú)雷自導(dǎo)扇面中的某點(diǎn)與目標(biāo)相遇，即將圖1中魚(yú)雷自導(dǎo)扇面內(nèi)的B點(diǎn)與目標(biāo)相遇。有利提前角φa可由K系數(shù)分段法和形心法近似求解，通常可由式(2)近似估計(jì)魚(yú)雷攻擊的有利提前角φa[4]：

φa=Karcsin(vssinqt/vt)

(2)

式(2)中:K為優(yōu)化系數(shù)，由魚(yú)雷自導(dǎo)性能確定，qt為艦艇相對(duì)魚(yú)雷舷角。

1.2 線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷彈道模型

線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引方法主要包括現(xiàn)在方位法導(dǎo)引、修正方位導(dǎo)引、前置點(diǎn)導(dǎo)引、人工導(dǎo)引等。盡管線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷存在多種不同的導(dǎo)引方法，但以“三點(diǎn)一線(xiàn)”為特點(diǎn)的現(xiàn)在方位導(dǎo)引是潛艇控制魚(yú)雷攻擊目標(biāo)的必經(jīng)過(guò)程，特別是在有干擾條件下，現(xiàn)在方位導(dǎo)引法是對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)唯一有效的導(dǎo)引方法[5-6]。現(xiàn)在方位導(dǎo)引僅需要目標(biāo)方位，潛艇、魚(yú)雷位置及其航行參數(shù)信息，就可對(duì)線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷進(jìn)行控制和導(dǎo)引。

本文主要研究線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷的現(xiàn)在方位法導(dǎo)引彈道，潛艇按周期測(cè)定目標(biāo)艦艇所在方位，根據(jù)魚(yú)雷位置和速度信息，控制魚(yú)雷航向，使其方位與艦艇所在方位相一致[7]。如圖2所示，Sb0、S0分別為魚(yú)雷發(fā)射t0時(shí)刻潛艇和艦艇所在位置，csb、cs分別潛艇和艦艇的航向，艦艇相對(duì)潛艇初始目標(biāo)方位為B0。Sb1、S1為t1時(shí)刻潛艇和艦艇所在位置，此時(shí)艦艇相對(duì)潛艇方位為B1。魚(yú)雷出管后自主航行，然后按照設(shè)定的轉(zhuǎn)角ω轉(zhuǎn)至L1點(diǎn)，轉(zhuǎn)入線(xiàn)導(dǎo)階段。Sb2和S2，Sb3和S3…分別為導(dǎo)引時(shí)刻t2、t3…潛艇和艦艇所在位置，艦艇相對(duì)潛艇所在方位分別為B2、B3…。若在導(dǎo)引時(shí)刻ti潛艇位置點(diǎn)為(xsbi,ysbi)，艦艇在潛艇方位為Bi，艦艇目標(biāo)方位線(xiàn)方程可表示為[5]

(3)

式(3)中k為方位線(xiàn)直線(xiàn)方程斜率。

圖2 魚(yú)雷現(xiàn)在方位法攻擊示意圖

為了提高魚(yú)雷轉(zhuǎn)入聲自導(dǎo)狀態(tài)后對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲能力，線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷通常按有利點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)引，有利點(diǎn)位于魚(yú)雷縱軸線(xiàn)前方r0點(diǎn)，根據(jù)魚(yú)雷的當(dāng)前位置(xti,yti)，魚(yú)雷航速vt及魚(yú)雷有利點(diǎn)引導(dǎo)位置，可以得到魚(yú)雷有利提前點(diǎn)滿(mǎn)足的位置方程為

(x-xti)2+(y-yti)2=(Δt·vt+r0)2

(4)

式(4)中Δt為線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引時(shí)間間隔。

由式(3)、(4)得有利提前點(diǎn)與目標(biāo)方位線(xiàn)Bi的交點(diǎn)，若存在兩個(gè)交點(diǎn)，通常取距離發(fā)射艇較遠(yuǎn)的交點(diǎn)作為當(dāng)前時(shí)刻魚(yú)雷導(dǎo)引的目標(biāo)位置點(diǎn)(xt(i+1),yt(i+1))。

如果為線(xiàn)導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚(yú)雷，線(xiàn)導(dǎo)階段潛艇需要將魚(yú)雷導(dǎo)引至滯后于當(dāng)前艦艇目標(biāo)所在方位的某點(diǎn)，以使魚(yú)雷能夠有效捕獲艦艇尾流，線(xiàn)導(dǎo)彈道模型與線(xiàn)導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚(yú)雷類(lèi)似。

因此，通過(guò)現(xiàn)在方位導(dǎo)引法，潛艇在只有目標(biāo)方位信息的條件下，根據(jù)潛艇、魚(yú)雷位置及其航行信息，可以將魚(yú)雷導(dǎo)向被攻擊的艦艇目標(biāo)。

2 基于舷角變化信息的彈道判別方法

2.1 判別依據(jù)

艦艇對(duì)中遠(yuǎn)距離來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警時(shí)通常只能獲取方位信息，處于聲自導(dǎo)彈道中的魚(yú)雷和處于線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)引階段的魚(yú)雷相對(duì)艦艇的舷角變化規(guī)律是不同的，可以根據(jù)魚(yú)雷報(bào)警舷角的變化情況判斷魚(yú)雷可能的彈道信息。

當(dāng)潛艇對(duì)魚(yú)雷采用現(xiàn)在方位法導(dǎo)引時(shí)，為了保持平臺(tái)對(duì)魚(yú)雷的導(dǎo)引，潛艇通常選擇較低的航速，魚(yú)雷的攻擊彈道主要取決于艦艇目標(biāo)的機(jī)動(dòng)，假設(shè)艦艇在水聲對(duì)抗決策之前保持直航，且水面艦艇的航速明顯高于潛艇航速。由圖2可知，水面艦艇從S1到S4的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，魚(yú)雷從L1到L4，魚(yú)雷相對(duì)艦艇所在舷角明顯增大，而舷角變化范圍與對(duì)抗態(tài)勢(shì)及艦艇和潛艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)?？梢?jiàn)，當(dāng)魚(yú)雷在向被攻擊艦艇接近過(guò)程中，魚(yú)雷相對(duì)艦艇所在舷角會(huì)變大，相對(duì)于魚(yú)雷有利提前角攻擊彈道，現(xiàn)在方位法攻擊彈道的舷角變化更為明顯，因此，根據(jù)艦艇對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警后，魚(yú)雷報(bào)警舷角的變化情況可以對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷的攻擊彈道類(lèi)型進(jìn)行初步判斷，為水聲對(duì)抗決策提供依據(jù)。

根據(jù)不同魚(yú)雷導(dǎo)引方式的特點(diǎn)，可設(shè)定魚(yú)雷報(bào)警舷角的變化范圍ΔqT，在特定時(shí)間間隔范圍內(nèi)，當(dāng)魚(yú)雷舷角變化量大于ΔqT時(shí)，可判斷為現(xiàn)在方位法攻擊彈道，否則為提前角或有利提前角攻擊彈道。舷角變化量ΔqT的范圍，需要根據(jù)具體的作戰(zhàn)對(duì)象和對(duì)抗態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，本文將在特定戰(zhàn)、技術(shù)背景下的判斷方法進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真分析

2.2.1仿真參數(shù)

仿真參數(shù)如表1所示。對(duì)抗仿真時(shí)的來(lái)襲魚(yú)雷的報(bào)警距離分為遠(yuǎn)距離(30～40cab)、中等距離(20～30cab)兩種情況，在不同的報(bào)警舷角下，進(jìn)行1 000次的蒙特卡洛仿真，統(tǒng)計(jì)判斷時(shí)間分別為30 s和60 s。

2.2.2仿真結(jié)果

不同報(bào)警距離，各報(bào)警舷角下，魚(yú)雷采取有利提前角彈道攻擊和現(xiàn)在方位法彈道攻擊時(shí)，魚(yú)雷報(bào)警舷角的變化圖3、圖4所示。由表1可以看出：相同對(duì)抗態(tài)勢(shì)下，艦艇對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警后，魚(yú)雷有利提前角攻擊彈道和現(xiàn)在方位法攻擊彈道下相對(duì)艦艇的舷角變化范圍是不同的，考慮魚(yú)雷報(bào)警聲納方位誤差的影響，有利提前角攻擊彈道的舷角變化量有限。魚(yú)雷報(bào)警舷角變化范圍與魚(yú)雷來(lái)襲距離、舷角和判斷時(shí)間有關(guān)，距離越近，變化范圍越大；判斷時(shí)間越長(zhǎng)，變化范圍越大；魚(yú)雷大舷角或小舷角來(lái)襲時(shí)，報(bào)警舷角變化較小。通常情況下，魚(yú)雷現(xiàn)在方位導(dǎo)引彈道舷角的變化范圍大于有利提前角攻擊彈道舷角變化范圍，在魚(yú)雷大舷角或小舷角來(lái)襲時(shí)，兩種魚(yú)雷攻擊彈道下魚(yú)雷報(bào)警舷角變化范圍比較接近。

表1 仿真計(jì)算參數(shù)

圖3 魚(yú)雷遠(yuǎn)距離報(bào)警時(shí)相對(duì)艦艇舷角變化

圖4 魚(yú)雷中等距離報(bào)警時(shí)相對(duì)艦艇舷角變化

3 結(jié)論

實(shí)際對(duì)抗中應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)水聲環(huán)境條件、魚(yú)雷報(bào)警聲納性能、作戰(zhàn)對(duì)象魚(yú)雷性能等，結(jié)合艦艇內(nèi)外部戰(zhàn)術(shù)情報(bào)信息，對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷報(bào)警距離進(jìn)行估計(jì)，在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)魚(yú)雷舷角變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析、判斷來(lái)襲魚(yú)雷攻擊彈道類(lèi)型：

1)在魚(yú)雷非大舷角和小舷角魚(yú)雷來(lái)襲情況下，若來(lái)襲魚(yú)雷舷角變化范圍Δq較小，或基本保持不變，則認(rèn)為來(lái)襲魚(yú)雷處于提前角或有利提前角攻擊彈道；若Δq大于某一范圍ΔqT，則可認(rèn)為來(lái)襲魚(yú)雷處于現(xiàn)在方位法攻擊彈道。具體舷角變化范圍ΔqT根據(jù)可能的魚(yú)雷距離、對(duì)抗對(duì)象和判斷時(shí)間確定。

2)魚(yú)雷報(bào)警距離較遠(yuǎn)，且魚(yú)雷從大舷角或小舷角來(lái)襲時(shí)，兩種攻擊彈道相對(duì)艦艇報(bào)警舷角變化量比較接近，按照保守對(duì)抗原則，可認(rèn)為襲魚(yú)雷處于威脅更大的現(xiàn)在方位導(dǎo)引法攻擊彈道進(jìn)行對(duì)抗。

來(lái)襲魚(yú)雷舷角變化信息是艦艇水聲對(duì)抗中的重要決策參考信息，可作為中遠(yuǎn)距離來(lái)襲魚(yú)雷類(lèi)型識(shí)別的重要依據(jù)，對(duì)提高反魚(yú)雷作戰(zhàn)的針對(duì)性和有效性具有重要意義。但對(duì)于近距離魚(yú)雷跟蹤彈道或者滑?？刂频刃滦汪~(yú)雷導(dǎo)引彈道的判別方法還需進(jìn)一步研究[8]。