水面艦艇試驗(yàn)中航路設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法研究*

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

航路設(shè)計(jì)指試驗(yàn)中的艦（機(jī)、艇）等的航行路徑設(shè)計(jì)及與其相關(guān)因素的設(shè)計(jì)。在性能試驗(yàn)中航路設(shè)計(jì)是編制試驗(yàn)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其涉及因素眾多，體現(xiàn)著試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法等試驗(yàn)的核心思想，與試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、置信度密不可分[1～4]。航路設(shè)計(jì)貫穿于航海作業(yè)、船舶工程設(shè)計(jì)、水面艦艇試驗(yàn)等艦船相關(guān)研究及應(yīng)用的各方面。馬順南、婁漢泉等人創(chuàng)造性的將網(wǎng)絡(luò)圖理論引入航路計(jì)中，建立了全系統(tǒng)校飛航路的網(wǎng)絡(luò)圖模型；王琦、趙永鐵在雷達(dá)測(cè)量試驗(yàn)條件建設(shè)過(guò)程中，采用數(shù)字仿真分析的方式進(jìn)行了目標(biāo)航路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而分析了模型對(duì)測(cè)量精度誤差的影響[5～7]。對(duì)航路設(shè)計(jì)的研究雖多，但沒(méi)有人系統(tǒng)地考慮過(guò)航路設(shè)計(jì)及優(yōu)化需綜合考慮的因素及優(yōu)化方法。優(yōu)秀的航路設(shè)計(jì)方案對(duì)于節(jié)省資源、提高試驗(yàn)效率有較大的提升作用，因此對(duì)性能試驗(yàn)中的航路設(shè)計(jì)需考慮的因素及可能的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向進(jìn)行研究很有必要。

2 航路設(shè)計(jì)需考慮的因素

針對(duì)水面艦艇試驗(yàn)的特點(diǎn)，提煉總結(jié)了四個(gè)方面的相關(guān)因素。

2.1 以使命任務(wù)為牽引，瞄準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

航路設(shè)計(jì)應(yīng)首先了解試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)條件，分析試驗(yàn)測(cè)量指標(biāo)，以試驗(yàn)任務(wù)為牽引綜合考慮航路設(shè)計(jì)的相關(guān)因素。只有詳實(shí)、準(zhǔn)確地了解試驗(yàn)要求才能設(shè)計(jì)出符合要求的試驗(yàn)航路。對(duì)裝備的某些容易受電磁、氣象環(huán)境影響的能力指標(biāo)要重點(diǎn)考核其復(fù)雜環(huán)境條件下的性能；對(duì)形成戰(zhàn)斗力影響重大且存在性能邊界的指標(biāo)，要摸清裝備的性能底數(shù)。

2.2 從裝備的性能出發(fā)

試驗(yàn)鑒定是圍繞被試裝備展開(kāi)的，對(duì)航路的設(shè)計(jì)應(yīng)從裝備的性能出發(fā)。例如感知能力試驗(yàn)中，靶機(jī)或靶彈就位點(diǎn)和退出點(diǎn)的選擇就應(yīng)考慮試驗(yàn)艦雷達(dá)的威力范圍、雷達(dá)探測(cè)的盲區(qū)等因素；攻防試驗(yàn)中需根據(jù)武器的射界、對(duì)目標(biāo)輻射特性或紅外特性的要求、對(duì)目標(biāo)飛行高度的要求以及目標(biāo)速度、機(jī)動(dòng)性等影響綜合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。性能指標(biāo)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)被試裝備的整體性能有清楚的了解。

2.3 錄取有效數(shù)據(jù)

測(cè)試不同的試驗(yàn)指標(biāo)采取的數(shù)據(jù)錄取及處理方法、需要的數(shù)據(jù)量均不相同。例如測(cè)試?yán)走_(dá)的作用范圍及精度試驗(yàn)中，一般在被當(dāng)做目標(biāo)的靶標(biāo)上架設(shè)高精度GPS設(shè)備錄取位置數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)差分處理后作為目標(biāo)位置的真值，同時(shí)本艦錄取目標(biāo)數(shù)據(jù)作為測(cè)量值。針對(duì)不同的指標(biāo)，數(shù)據(jù)處理時(shí)可以取均方根、二階原點(diǎn)距等。試驗(yàn)錄取的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與配試目標(biāo)速度、傳感器性能、傳感器數(shù)據(jù)率等因素有關(guān)，試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)量取決于指標(biāo)對(duì)相應(yīng)置信度下的置信區(qū)間的要求。這兩點(diǎn)綜合決定著試驗(yàn)需要的航次、架次。置信度和置信區(qū)間為數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的概念，置信度越高所需要支撐數(shù)據(jù)量越大，當(dāng)然試驗(yàn)的成本也越高，但帶來(lái)的收益呈下降趨勢(shì)，這需要實(shí)際試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行分析確定。

2.4 環(huán)境的影響

環(huán)境的影響一般包括水文、氣象、電磁環(huán)境等的影響，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)信息化、以及我國(guó)海軍從近海防衛(wèi)到遠(yuǎn)海防御戰(zhàn)略的發(fā)展，復(fù)雜環(huán)境越來(lái)越重要的影響著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)。比如某些指標(biāo)要求在五級(jí)海況以上進(jìn)行測(cè)量、對(duì)海超視距試驗(yàn)需要在有良好大氣波導(dǎo)的條件下進(jìn)行、對(duì)信息的感知受云雨氣象影響大等。試驗(yàn)過(guò)程中也要考慮環(huán)境因素帶來(lái)的影響，比如電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)量錄取不夠、氣象條件惡劣帶來(lái)的發(fā)現(xiàn)距離縮短等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)航路時(shí)應(yīng)針對(duì)此類問(wèn)題設(shè)計(jì)考慮應(yīng)急預(yù)案，在數(shù)據(jù)不合格或數(shù)據(jù)量不夠的情況下，可以采用增加一段距離或一個(gè)航次等手段來(lái)增加數(shù)據(jù)量。

3 航路優(yōu)化分析

3.1 一體化綜合考慮，采用結(jié)合實(shí)施的策略提高效率

試驗(yàn)過(guò)程大多時(shí)間緊、任務(wù)重，兵力協(xié)調(diào)困難，準(zhǔn)備工作多、時(shí)間長(zhǎng)。采取結(jié)合式綜合試驗(yàn)策略，對(duì)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行模塊化組合設(shè)計(jì)，一次兵力行動(dòng)完成多個(gè)項(xiàng)目，縮短試驗(yàn)周期，減少資源消耗，提高試驗(yàn)效率。比如對(duì)空探測(cè)范圍試驗(yàn)可以結(jié)合開(kāi)展對(duì)空精度試驗(yàn)，航路設(shè)計(jì)時(shí)可以在最大探測(cè)范圍處設(shè)置多次進(jìn)入、離開(kāi)，進(jìn)行最大探測(cè)范圍試驗(yàn)，之后航路設(shè)置為目標(biāo)向站飛行進(jìn)行精度測(cè)量試驗(yàn)?？紤]到精度試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)率較高，可能一次向站飛行就可滿足精度數(shù)據(jù)的采集需要，這樣的結(jié)合實(shí)施提高了效率、節(jié)省了資源。

3.2 聯(lián)系實(shí)際，考慮實(shí)施的可能性

航路設(shè)計(jì)應(yīng)聯(lián)系兵力、裝備的實(shí)際性能、可操作性等因素來(lái)考慮航路的可實(shí)施性。比如對(duì)于一些過(guò)于復(fù)雜的航路對(duì)實(shí)際的操船來(lái)說(shuō)難度太大，很難跑出理想的效果；在低能見(jiàn)度下光學(xué)的傳感器性能大大降低等。對(duì)這種情況要提前考慮以免影響試驗(yàn)的實(shí)施。

3.3 通過(guò)仿真驗(yàn)證，優(yōu)化航路設(shè)計(jì)

對(duì)于完成設(shè)計(jì)的航路進(jìn)行模擬仿真，分析試驗(yàn)中各因素對(duì)試驗(yàn)航路的影響，驗(yàn)證航路的合理性、準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題；對(duì)于不同的方案也可以通過(guò)仿真對(duì)比其優(yōu)劣性；同時(shí)通過(guò)改變參數(shù)、試驗(yàn)條件等方式，可以發(fā)現(xiàn)航路的優(yōu)化方向，提高其準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性。

4 某型傳感器測(cè)向精度航路設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

4.1 實(shí)例分析建模

某水面艦艇試驗(yàn)中，需要測(cè)量艦載某水下傳感器的測(cè)向精度指標(biāo)，該指標(biāo)要求在艦艇勻速直航條件下進(jìn)行測(cè)量。首先分析試驗(yàn)?zāi)康?，需要?duì)艦載傳感器360方位均進(jìn)行測(cè)向精度測(cè)量，試驗(yàn)條件為被試艦艇勻速直航?？紤]裝備的性能特點(diǎn)，該型傳感器對(duì)水下探測(cè)時(shí)，在船艏、船艉各有±20的盲區(qū)，探測(cè)距離不大于3海里。艦船的速度選擇為艦艇的巡航速度，初始位置選擇靠近探測(cè)范圍最大值的點(diǎn)，在這里設(shè)定為6km。對(duì)配試目標(biāo)的選擇方面，選擇潛艇能獲得最好的測(cè)量效果，但由于潛艇兵力協(xié)調(diào)困難，試驗(yàn)時(shí)協(xié)同困難。經(jīng)分析用水面艦艇做配試目標(biāo)并不會(huì)影響最終測(cè)向精度的準(zhǔn)確性，所以配試目標(biāo)選擇一輕型護(hù)衛(wèi)艦。綜合考慮上述航路因素進(jìn)行航路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)本艦和配試艦相向航行進(jìn)行如圖1所示航路設(shè)計(jì)。本艦和目標(biāo)艦初始位置如圖1所示，夾角為20°，兩船相向航行至對(duì)稱的位置后各自轉(zhuǎn)向，再相向而行至對(duì)應(yīng)位置。往返一次為一個(gè)航次就可以完成對(duì)本艦傳感器探測(cè)范圍內(nèi)全方位的測(cè)向精度測(cè)量。根據(jù)置信度及置信區(qū)間，計(jì)算精度所需的數(shù)據(jù)量，再依據(jù)一個(gè)航次獲取的有效點(diǎn)數(shù)，得到試驗(yàn)需要進(jìn)行的航次數(shù)為兩個(gè)。

圖1 航路設(shè)計(jì)圖

4.2 航路優(yōu)化及效果對(duì)比分析

4.2.1 航路優(yōu)化建模

但根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)表明，該型號(hào)傳感器在不同方位的精度測(cè)量值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，摸清其變化規(guī)律對(duì)未來(lái)艦船對(duì)傳感器的應(yīng)用方法參考意義重大。上述航路中由于兩目標(biāo)距離一直在變化，所以無(wú)法準(zhǔn)確判斷精度隨方位的變化。為準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)方位精度隨方位變化的規(guī)律，就需要在試驗(yàn)艦和目標(biāo)艦的距離不變條件下進(jìn)行方位精度測(cè)量。

考慮在試驗(yàn)艦的勻速直線運(yùn)動(dòng)條件下，若保持兩艦的距離不變，則該航路可以設(shè)計(jì)為圍繞一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)圓心的圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不變。對(duì)于該類問(wèn)題可以建立平面直角坐標(biāo)系，并將運(yùn)動(dòng)分解到相應(yīng)的兩坐標(biāo)上，最后通過(guò)兩坐標(biāo)的描述來(lái)確定其運(yùn)動(dòng)軌跡[8～9]。假設(shè)兩艦運(yùn)動(dòng)于一個(gè)平面，建立平面直角坐標(biāo)系，令被試艦位于原點(diǎn)以速度V沿X軸正向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，其運(yùn)動(dòng)距離為V*t；配試艦初始位置位于被試艦正上方6km處，初始運(yùn)動(dòng)方向與被試艦相同，配試艦所做圓周運(yùn)動(dòng)的速度不變，半徑不變，則其運(yùn)動(dòng)角速度也不變，設(shè)為w，在時(shí)間t內(nèi)運(yùn)動(dòng)角度為θ=w*t，將運(yùn)動(dòng)分解到X、Y兩方向，則分解到X方向的運(yùn)動(dòng)距離為R*sin（w*t），分解到 Y 方向的運(yùn)動(dòng)距離為[10～12]R*cos（w*t）（如圖2所示），則最終兩個(gè)方向的坐標(biāo)值分別為

建模仿真航路運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，在一個(gè)周期螺旋線內(nèi)可以完成對(duì)水下傳感器全方位的測(cè)向精度測(cè)量，兩個(gè)周期可以完成對(duì)所需數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集[12]。

圖2 運(yùn)動(dòng)分解示意圖

圖3 運(yùn)動(dòng)航路軌跡圖

4.2.2 優(yōu)化效果對(duì)比分析

上述螺旋曲線是以3海里為半徑進(jìn)行精度測(cè)量?？紤]到不同探測(cè)距離對(duì)精度的影響，還應(yīng)設(shè)計(jì)其他半徑距離下的精度測(cè)量航路。對(duì)比第一個(gè)航路明顯航路更長(zhǎng)，而且航路設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)操船要求也很高。但第二個(gè)航路能更準(zhǔn)確地分析精度和方位的規(guī)律關(guān)系，若該規(guī)律關(guān)系明顯，那這種規(guī)律對(duì)于以后該裝備的使用具有巨大的指導(dǎo)意義，其費(fèi)效比是巨大的。通過(guò)分析可以知道，方案的對(duì)比有時(shí)候是相對(duì)的，在沒(méi)有絕對(duì)完美的方案時(shí)要綜合考慮，確定最終的實(shí)施方案。

5 結(jié)語(yǔ)

文章聚焦于性能試驗(yàn)中水面艦艇的航路設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。在分析影響因素基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)建的航路提出優(yōu)化方向，最后結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了航路設(shè)計(jì)及優(yōu)化并進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比分析。優(yōu)化后的方案并不是在所有方面都是最優(yōu)的，對(duì)于實(shí)際方案的選擇還要結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，水面艦艇的使命任?wù)綜合考慮。實(shí)際試驗(yàn)中航路設(shè)計(jì)需考慮的因素更多、更復(fù)雜且很多因素隨環(huán)境、各種試驗(yàn)條件不斷變化，這也是我們下一步的研究方向。