基于發(fā)現(xiàn)概率的多平臺反潛魚雷協(xié)同火控研究

呂 熒,王洋洋

(1. 海裝廣州局,廣東廣州 510000 2. 江蘇自動化研究所,江蘇連云港 222061)

在未來可能發(fā)生的海上戰(zhàn)爭中,水面艦艇編隊將成為海軍執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的重要打擊力量。由于潛艇的隱蔽性和海洋環(huán)境條件的復(fù)雜性,敵潛艇將成為艦艇編隊最大的威脅,反潛戰(zhàn)將貫穿于戰(zhàn)爭的全過程[1-3]。因此將編隊內(nèi)各反潛平臺和反潛武器綜合為一體,協(xié)同多個平臺上的多種水聲傳感器搜索敵潛艇、協(xié)同多種反潛武器對敵潛艇進(jìn)行攻擊,才能滿足艦艇編隊的安全需要[4-5]。

反潛魚雷作為目前最為重要的反潛武器,廣泛部署于多型艦艇、潛艇、反潛直升機(jī)上,包括管裝魚雷、助飛魚雷、空投魚雷等。新能源和新技術(shù)的發(fā)展雖明顯改善了魚雷的性能,但是攻潛效果并非令人滿意,主要體現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)概率低上。發(fā)現(xiàn)概率低一是因為海洋環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致水聲傳感器的探測誤差較大,二是因為現(xiàn)在的攻潛形式多為單平臺單武器攻擊,很難達(dá)到一擊制勝的效果。更重要的是,現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以分析發(fā)射魚雷時的噪聲聲譜,在接收到特征信號時潛艇目標(biāo)發(fā)生了臨時機(jī)動,這就導(dǎo)致了更低的發(fā)現(xiàn)概率。

本文結(jié)合水聲換能器探測誤差以及潛艇自身機(jī)動性,分析各型反潛魚雷的搜索特性,基于發(fā)現(xiàn)概率建立多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型[6],并以多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型為核心引出多平臺反潛魚雷協(xié)同火控的概念。

1 多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型建立

1.1 換能器探測誤差與潛艇機(jī)動性分析

艦艇等裝備的水聲換能器包括艦殼聲吶、拖曳聲吶等,聲吶的性能各有不同但都有探測誤差,未來的戰(zhàn)場中將通過多個平臺的目標(biāo)信息融合實(shí)現(xiàn)探測精度的提高,探測能力最終也將體現(xiàn)在測向和測距誤差上。如圖1所示,α為測向誤差,Δ為測距誤差,此處暫不考慮誤差的二階原點(diǎn)距分布。當(dāng)α很小時,兩條測向誤差線和測距誤差線近似平行,因此,目標(biāo)存在區(qū)域近似為一個長方形,寬a和長b可由探測距離D結(jié)合測向誤差、測距誤差計算得出,如圖2,因此目標(biāo)存在區(qū)域的面積為

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由于現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以分析發(fā)射魚雷時的噪聲聲譜,目標(biāo)在接收到特征信號時將發(fā)生臨時機(jī)動,這種機(jī)動將有利于躲避來襲魚雷,但存在方向、速度的任意性。不論是管裝魚雷還是助飛魚雷都將在行進(jìn)過程中消耗時間,這就使得目標(biāo)的存在范圍在探測誤差長方形的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大,形成一個圓角半徑為r的圓角矩形,如圖2,其中M′為發(fā)射時刻目標(biāo)探測點(diǎn),C為目標(biāo)解算航向,M點(diǎn)為目標(biāo)真實(shí)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)機(jī)動,圓角半徑r可根據(jù)魚雷行進(jìn)時間計算得出,假定魚雷航行速度為v,潛艇速度為v潛,則r=v潛D/V。目標(biāo)存在區(qū)域的面積拓展為

S目標(biāo)=πr2+a·b+2(a+b)·r=πr2+

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圖1 換能器探測誤差示意圖

圖2 目標(biāo)存在圓角矩形區(qū)域

1.2 管裝魚雷搜索特性建模

對于近距離的目標(biāo)一般采用管裝魚雷進(jìn)行打擊,管裝魚雷在行進(jìn)至設(shè)定位置轉(zhuǎn)角之后開啟自導(dǎo)裝置進(jìn)入直航搜索階段,一旦目標(biāo)進(jìn)入搜索扇面即能發(fā)現(xiàn)、跟蹤并追擊目標(biāo)。當(dāng)進(jìn)入目標(biāo)存在區(qū)域,管裝魚雷的搜索覆蓋面為搜索扇面掃過的長矩形,如圖3所示,矩形寬d由搜索扇面開角和作用距離可以求出,即d=2m·sinθ,切入目標(biāo)存在區(qū)域的位置點(diǎn)和航行方向成為影響覆蓋面積的關(guān)鍵,本文中不考慮魚雷的航行誤差。管裝魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率可表示為

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圖3 管裝魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率示意圖

圖4 助飛魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率示意圖

1.3 助飛魚雷搜索特性建模

對于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)采用助飛魚雷進(jìn)行打擊,助飛魚雷在入水后進(jìn)行設(shè)定方式的自導(dǎo)搜索,一旦目標(biāo)進(jìn)入搜索扇面即能發(fā)現(xiàn)、跟蹤并追擊目標(biāo),本文假定助飛魚雷入水后進(jìn)行360°環(huán)搜,搜索扇面形成一個半徑為R的圓,即S助=πR2。如圖4所示,助飛魚雷的入水點(diǎn)成為影響覆蓋面積的關(guān)鍵因素?？胀遏~雷與助飛魚雷相似,助飛魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率可表示為

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1.4 多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型

根據(jù)上述兩型魚雷的發(fā)現(xiàn)概率建模可以發(fā)現(xiàn),單枚魚雷的發(fā)現(xiàn)概率低,很難滿足作戰(zhàn)需求,需要集合多平臺多種反潛魚雷對潛施行火力覆蓋,方能達(dá)到較高的發(fā)現(xiàn)概率,這也恰好是未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求。但是,對潛的火力覆蓋與反艦的火力覆蓋相差甚多。一方面是因為魚雷本身價格昂貴無法像炮彈密集發(fā)射；另一方面是反潛魚雷的自導(dǎo)裝置間將會產(chǎn)生聲信號干擾,出現(xiàn)生成虛假目標(biāo)和形成魚雷間互導(dǎo)的嚴(yán)重現(xiàn)象,無法完成作戰(zhàn)任務(wù)。

多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型建立在反潛魚雷同時到達(dá)目標(biāo)圓角矩形上,結(jié)合多平臺反潛魚雷資源,避免各型魚雷間的聲信號干擾,通過遺傳算法將魚雷搜索區(qū)域合理分布在目標(biāo)圓角矩形上,實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)概率最大化,如圖5所示,i、j分別為發(fā)射管裝和助飛魚雷的枚數(shù),此時的發(fā)現(xiàn)概率為

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圖5 多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型示意圖

2 實(shí)驗仿真與分析

在一場反潛戰(zhàn)中,我方艦艇A探測發(fā)現(xiàn)約D1=8 km處有敵潛艇信號出現(xiàn),此時艦艇B距離目標(biāo)約D2=20 km,艦艇A傳感器探測誤差為測距誤差Δ=5%D,側(cè)向誤差α=5°。假定管裝魚雷速度為50 kn,自導(dǎo)搜索扇面開角為θ=60°,搜索距離為1 km,助飛魚雷的飛行速度為200 m/s,入水搜索面半徑為1 km,如圖6所示。

圖6 典型仿真態(tài)勢示意圖

分別對管裝魚雷、助飛魚雷、管裝魚雷+助飛魚雷(不考慮信號干擾及多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型)以及管裝魚雷+助飛魚雷(考慮多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型)的最大發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各型魚雷發(fā)現(xiàn)概率

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),考慮多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型的搜潛發(fā)現(xiàn)概率明顯高于不考慮多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型的搜潛發(fā)現(xiàn)概率,在現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場中,多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型的優(yōu)勢將更加明顯,不但排除了互擾現(xiàn)象的發(fā)生,更是把目標(biāo)所能容身之所全面活力覆蓋,使得反潛魚雷的總的發(fā)現(xiàn)概率近乎100%。

2.1 圓角矩形r的選取

目標(biāo)存在圓角矩形的圓角半徑r的取值與反潛魚雷到達(dá)目標(biāo)探測點(diǎn)的時間T正相關(guān)。對于管裝魚雷來說,航行時間即為魚雷入水后航行至探測點(diǎn)的時間,對于助飛魚雷來說,航行時間即為魚雷發(fā)射后飛行至落水點(diǎn)的時間。當(dāng)多平臺協(xié)同發(fā)射多型反潛魚雷時,根據(jù)各平臺距目標(biāo)點(diǎn)距離以及使用魚雷類型,求取i枚魚雷的航行時間Ti,比較并提取出最小的航行時間,作為計算圓角半徑r的輸入，即

r∝min{T1,T2,T3…Ti}

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2.2 魚雷覆蓋面積的修正

多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型旨在避免各型魚雷間的互擾并最大化發(fā)現(xiàn)概率,在現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場中,魚雷的搜索方式可由人為進(jìn)行控制,特別是助飛魚雷,發(fā)射前可設(shè)置入水搜索方式,航行過程中可進(jìn)行指令修正。通過搜索方式設(shè)定以及魚雷路徑預(yù)先推演,可以允許反潛魚雷搜索面進(jìn)行覆蓋,只需滿足魚雷自導(dǎo)扇面之間不發(fā)生交疊。搜索面積的覆蓋不會降低發(fā)現(xiàn)概率,反而會增大發(fā)現(xiàn)概率,如圖7,S重疊可由魚雷路徑預(yù)先推演得出,此時的發(fā)現(xiàn)概率為

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圖7 覆蓋面積修正對比圖

3 多平臺反潛魚雷協(xié)同火控

為了適應(yīng)協(xié)同反潛作戰(zhàn)的需求,必須將戰(zhàn)場上廣泛分布的反潛火控系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)融合,使之具備協(xié)同對潛火力打擊能力。多平臺反潛魚雷協(xié)同火控是為支持分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)這種新的作戰(zhàn)樣式而誕生的一種新型火控系統(tǒng)形式,對現(xiàn)役反潛魚雷火控系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息與火控信息的共享和及時準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)與控制,形成強(qiáng)大的火力層面的互操作能力,有效支持協(xié)同反潛火力打擊。

多平臺反潛魚雷協(xié)同火控在交戰(zhàn)前即做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作,將參戰(zhàn)各平臺傳感器及魚雷性能參數(shù)集中設(shè)定到系統(tǒng)中,成為火控解算的已知參數(shù)。在協(xié)同反潛作戰(zhàn)中,火控系統(tǒng)接收綜合態(tài)勢,一旦某個平臺傳感器探測到敵潛艇目標(biāo),即將目標(biāo)信息實(shí)時共享?；鹂叵到y(tǒng)接收目標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)平臺占位確定反潛作戰(zhàn)平臺及反潛魚雷類型,計算目標(biāo)存在圓角矩形區(qū),并根據(jù)火力覆蓋模型進(jìn)行解算,將反潛魚雷射擊諸元輸出各對應(yīng)反潛平臺,反潛平臺按照指令進(jìn)行機(jī)動和武器發(fā)射,完成反潛作戰(zhàn),流程如圖8。

與常規(guī)反潛流程不同的是,多平臺反潛魚雷協(xié)同火控減少了目標(biāo)運(yùn)動要素解算的模塊,解算基于目標(biāo)的當(dāng)前點(diǎn)數(shù)據(jù),這是因為在計算圓角矩形參數(shù)時已將傳感器的探測誤差區(qū)域完全覆蓋。減少了目標(biāo)運(yùn)動要素解算模塊大大縮短了攻潛武器射擊諸元的時間,可以達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊、先機(jī)制敵的效果。

圖8 多平臺反潛魚雷協(xié)同火控作戰(zhàn)流程圖

4 結(jié)束語

本文討論了各型反潛魚雷的搜索特性,在分析了目標(biāo)潛艇可能存在的圓角矩形后基于發(fā)現(xiàn)概率建立多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型,該模型避免了反潛魚雷間的聲信號干擾,通過將反潛魚雷搜索覆蓋能力合理分布在目標(biāo)威脅區(qū)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)概率最優(yōu)化。通過典型態(tài)勢仿真驗證發(fā)現(xiàn)該模型在對潛發(fā)現(xiàn)概率上具有明顯優(yōu)勢,并對模型進(jìn)行了參數(shù)分析和優(yōu)化。最后以多平臺反潛魚雷火力覆蓋模型為核心引出多平臺反潛魚雷協(xié)同火控的概念,為協(xié)同反潛作戰(zhàn)提供了理論支持。