李 斌, 鄭 為, 萬(wàn)亞民

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基于以太網(wǎng)的魚(yú)雷聲光復(fù)合制導(dǎo)全彈道仿真平臺(tái)構(gòu)建

李 斌, 鄭 為, 萬(wàn)亞民

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

光纖線導(dǎo)+聲尾流制導(dǎo)的復(fù)合制導(dǎo)方式能夠較好地克服單一制導(dǎo)方式的缺點(diǎn), 提高魚(yú)雷武器在復(fù)雜水聲物理場(chǎng)環(huán)境中對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離和導(dǎo)引精度。本文研究了魚(yú)雷射前流程, 作戰(zhàn)態(tài)勢(shì), 線導(dǎo)方法以及艦船尾流模型和尾流自導(dǎo)檢測(cè)模型等內(nèi)容, 完成了基于以太網(wǎng)的魚(yú)雷線導(dǎo)+尾流制導(dǎo)全彈道仿真平臺(tái)構(gòu)建, 為下一步半實(shí)物魚(yú)雷全彈道仿真平臺(tái)構(gòu)建提供技術(shù)支撐, 可以支持完成復(fù)合制導(dǎo)魚(yú)雷的使用方法和性能評(píng)價(jià)等一系列研究工作。

魚(yú)雷; 聲光復(fù)合制導(dǎo); 全彈道; 以太網(wǎng); 半實(shí)物仿真; 仿真平臺(tái)構(gòu)建

0 引言

魚(yú)雷是目前主要的水下制導(dǎo)武器, 而魚(yú)雷自導(dǎo)探測(cè)距離有限, 對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測(cè)無(wú)能為力。為了提高魚(yú)雷對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離和導(dǎo)引精度, 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍采取了幾種導(dǎo)引方法相互結(jié)合的復(fù)合制導(dǎo)方式, 如在遠(yuǎn)距離通過(guò)發(fā)射艇探測(cè)目標(biāo)并對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行線導(dǎo)導(dǎo)引, 魚(yú)雷靠近目標(biāo)時(shí)利用本身自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行反艦聲尾流和反潛主/被動(dòng)聲自導(dǎo)等復(fù)合制導(dǎo)方式[1]。尾流自導(dǎo)的獨(dú)特性使其已成為現(xiàn)代魚(yú)雷反艦的重要方法[2], 目前各國(guó)都在積極研究尾流自導(dǎo)技術(shù), 特別是聲尾流自導(dǎo)技術(shù)。此外, 也在探索將光尾流[3]、旁視聲納等目標(biāo)探測(cè)手段應(yīng)用于魚(yú)雷。

本文設(shè)計(jì)了一種光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)、研究了聲尾流仿真模型及算法, 并且基于開(kāi)發(fā)的光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng), 開(kāi)展設(shè)定作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)下的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn), 為進(jìn)行全彈道優(yōu)化和作戰(zhàn)效能評(píng)估提供條件。

1 仿真模型

在光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真中, 完成從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到實(shí)現(xiàn)攻擊的全過(guò)程。在發(fā)現(xiàn)初期, 根據(jù)相對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行射擊諸元解算并對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。下面對(duì)復(fù)合制導(dǎo)中使用的線導(dǎo)和尾流模型及算法進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 線導(dǎo)算法

為了驗(yàn)證復(fù)合制導(dǎo)彈道, 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括前置角導(dǎo)引, 追蹤導(dǎo)引和方位導(dǎo)引等多種導(dǎo)引算法。其中現(xiàn)在方位導(dǎo)引法是利用目標(biāo)的現(xiàn)在方位信息對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行導(dǎo)引的方法, 它將魚(yú)雷或其自導(dǎo)扇面形心導(dǎo)引到現(xiàn)在時(shí)刻的潛艇與目標(biāo)方位線上, 即在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔Δ后, 使魚(yú)雷處于潛艇與目標(biāo)方位線上。該導(dǎo)引方法適用于綜合聲納遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo), 且尚不知目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素時(shí)采用, 具有自動(dòng)適應(yīng)目標(biāo)變向變速機(jī)動(dòng)的能力, 是對(duì)抗條件下最為實(shí)用也是惟一可行的導(dǎo)引方法[4]。

1.2 尾流模型及檢測(cè)算法

尾流自導(dǎo)魚(yú)雷是通過(guò)利用水面艦船尾流的一些物理特性來(lái)進(jìn)行搜索、發(fā)現(xiàn)并導(dǎo)引跟蹤目標(biāo)艦船, 因此, 進(jìn)行尾流自導(dǎo)魚(yú)雷彈道邏輯仿真, 首先應(yīng)該對(duì)水面艦船的尾流進(jìn)行仿真。目前尾流模型已有相關(guān)研究, 建立了尾流生成模型[5]。

目前針對(duì)尾流檢測(cè)的數(shù)學(xué)仿真都是基于概率模型的, 不符合魚(yú)雷的檢測(cè)原理, 本文通過(guò)進(jìn)行主動(dòng)聲脈沖艦船尾流回波聲壓進(jìn)行計(jì)算[6]。艦艇尾流中存在大量氣泡, 對(duì)主動(dòng)聲脈沖具有散射特性, 尾流回波信號(hào)就是由尾流中大量氣泡對(duì)聲波的散射產(chǎn)生的。根據(jù)聲波在氣泡層中散射的能量學(xué)理論, 類(lèi)似于海面混響散射理論處理, 防御系統(tǒng)接收到的尾流回波信號(hào)的聲壓可采用以下模型計(jì)算。

采用將尾流聲壓計(jì)算結(jié)果作為包絡(luò)與載頻相乘的方法生成尾流回波信號(hào)。

尾流自導(dǎo)檢測(cè)模型和尾流自導(dǎo)彈道參考魚(yú)雷設(shè)計(jì)相關(guān)理論完成算法設(shè)計(jì)。

2 魚(yú)雷光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述理論和算法設(shè)計(jì)了魚(yú)雷光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng), 構(gòu)建該仿真平臺(tái)以用于完成對(duì)聲尾流仿真算法的驗(yàn)證, 對(duì)尾流檢測(cè)算法和自導(dǎo)彈道進(jìn)行研究, 并且最為重要的是對(duì)魚(yú)雷的復(fù)合制導(dǎo)使用提供理論和仿真支持, 為進(jìn)一步進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)提供支撐。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示, 該系統(tǒng)由光纖線導(dǎo)模擬器計(jì)算機(jī)、主動(dòng)聲尾流模擬器計(jì)算機(jī)、程控光纖信道模擬器、3D視景子系統(tǒng)等設(shè)備組成。光纖線導(dǎo)＋聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流框圖如2所示。光纖線導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件運(yùn)行在光纖線導(dǎo)模擬器上, 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件運(yùn)行在主動(dòng)聲尾流模擬器上, 3D視景仿真軟件運(yùn)行在復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真3D視景子系統(tǒng)上。其中, 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件由3個(gè)主要功能模塊組成, 分別為線導(dǎo)+尾流復(fù)合制導(dǎo)魚(yú)雷模擬器模塊和尾流聲壓生成及檢測(cè)模擬模塊, 本艇、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)及目標(biāo)尾流生成模塊。

圖1 光纖線導(dǎo)＋聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)硬件連接框圖

圖2 光纖線導(dǎo)＋聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流框圖

2.2 工作流程

數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)的過(guò)程包括射前準(zhǔn)備階段、初始機(jī)動(dòng)階段、線導(dǎo)導(dǎo)引階段、尾流自導(dǎo)導(dǎo)引及攻擊階段、停止階段。

1) 射前準(zhǔn)備階段。光纖線導(dǎo)模擬器接收到模擬觀通發(fā)送的目標(biāo)預(yù)警信號(hào), 根據(jù)預(yù)警信號(hào)完成射擊諸元解算, 進(jìn)行魚(yú)雷導(dǎo)航參數(shù)及預(yù)設(shè)定等初始參數(shù)裝訂, 產(chǎn)生魚(yú)雷發(fā)射指令, 傳給主動(dòng)聲尾流模擬器, 在仿真系統(tǒng)中提供魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)的仿真開(kāi)始標(biāo)志及時(shí)間同步指令。

2) 魚(yú)雷初始機(jī)動(dòng)階段。魚(yú)雷發(fā)射后, 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件完成預(yù)定程序彈道的模擬。

3) 線導(dǎo)導(dǎo)引階段。主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件形成遙測(cè)信息發(fā)送給光纖線導(dǎo)模擬器, 同時(shí)計(jì)算本艇運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)并送給光纖線導(dǎo)模擬器;光纖線導(dǎo)模擬器計(jì)算遙控指令并發(fā)送給主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件; 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件根據(jù)遙控指令計(jì)算舵機(jī)模型、雷體模型后, 產(chǎn)生魚(yú)雷姿態(tài)、角速率及深度信息并驅(qū)動(dòng)魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中, 當(dāng)主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件收到“自導(dǎo)開(kāi)機(jī)”的遙控指令或到達(dá)自導(dǎo)開(kāi)機(jī)距離時(shí), 魚(yú)雷轉(zhuǎn)入尾流自導(dǎo)導(dǎo)引及攻擊過(guò)程。

4) 尾流自導(dǎo)導(dǎo)引及攻擊階段。主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件根據(jù)自身解算的魚(yú)雷和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù), 并按照聲尾流計(jì)算模型及有關(guān)設(shè)定參數(shù), 計(jì)算水聲物理場(chǎng)數(shù)學(xué)模型, 生成目標(biāo)/背景的聲壓信號(hào); 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件分析各通道尾流聲壓信號(hào), 根據(jù)策略生成控制指令, 控制魚(yú)雷沿尾流跟蹤攻擊目標(biāo)。

5) 停止階段。正常停機(jī); 由光纖線導(dǎo)模擬器發(fā)送“仿真停止”指令, 主動(dòng)聲尾流模擬器接收到仿真停止指令后, 停止魚(yú)雷和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模擬, 停止仿真; 緊急停止: 由主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件直接發(fā)出“仿真停止”指令, 停止解算。3D視景仿真軟件在仿真試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)接收主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件發(fā)送的魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、本艇運(yùn)動(dòng)參數(shù), 以及魚(yú)雷檢測(cè)結(jié)果, 用3D圖像方式顯示試驗(yàn)過(guò)程, 同時(shí)顯示和記錄有關(guān)仿真數(shù)據(jù)。

2.3 魚(yú)雷光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

光纖線導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件運(yùn)行在光纖線導(dǎo)模擬器上, 其發(fā)控主界面如圖3所示。在仿真過(guò)程中該仿真軟件根據(jù)接收到的本艇和目標(biāo)相對(duì)態(tài)勢(shì), 模擬魚(yú)雷射前預(yù)設(shè)定及發(fā)射過(guò)程, 開(kāi)展線導(dǎo)導(dǎo)引, 根據(jù)魚(yú)雷回饋的遙測(cè)信息, 按周期產(chǎn)生和發(fā)送遙控指令, 最終將魚(yú)雷導(dǎo)引到最佳作戰(zhàn)位置, 并可對(duì)試驗(yàn)中的遙控和遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄、動(dòng)態(tài)繪制實(shí)時(shí)魚(yú)雷、目標(biāo)以及本艇的仿真曲線等。

圖3 光纖線導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件

主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件運(yùn)行在主動(dòng)聲尾流模擬器上, 其運(yùn)行主界面如圖4所示。其在仿真試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)解算魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、本艇運(yùn)動(dòng)、以及魚(yú)雷、目標(biāo)和本艇三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系, 并根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系形成尾流回波信號(hào), 傳遞給相應(yīng)功能模塊完成目標(biāo)檢測(cè), 實(shí)施相應(yīng)彈道邏輯, 同時(shí)記錄有關(guān)參數(shù)的仿真結(jié)果。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)置典型魚(yú)雷-本艇-目標(biāo)對(duì)抗工況, 應(yīng)用該數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)。首先通過(guò)光纖線導(dǎo)遙控魚(yú)雷進(jìn)入尾流, 然后利用聲尾流自導(dǎo)檢測(cè)艦船尾流, 依據(jù)尾流彈道導(dǎo)引魚(yú)雷跟蹤目標(biāo), 水平彈道曲線如圖5所示, 其中尾流采用聲壓生成模型完成自導(dǎo)回波信號(hào)仿真, 并完成目標(biāo)檢測(cè), 自導(dǎo)聲尾流回波信號(hào)時(shí)域特性如圖6所示。結(jié)合3D視景仿真軟件后攻擊態(tài)勢(shì)圖如圖7所示。

圖4 主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件

圖5 復(fù)合制導(dǎo)仿真魚(yú)雷水平彈道曲線

圖6 尾流回波信號(hào)時(shí)域圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)展了光纖線導(dǎo)+聲尾流復(fù)合制導(dǎo)仿真機(jī)理和方法研究, 開(kāi)發(fā)了光纖線導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真軟件和主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)仿真軟件, 實(shí)現(xiàn)了魚(yú)雷發(fā)控流程以及尾流回波信號(hào)生成方法。通過(guò)開(kāi)展系列典型工況條件下的數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn), 驗(yàn)證了魚(yú)雷光纖線導(dǎo)＋聲尾流復(fù)合制導(dǎo)仿真關(guān)鍵技術(shù)包括仿真模型和算法、軟件及數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的正確性, 結(jié)果表明, 該數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)能夠滿足魚(yú)雷復(fù)合制導(dǎo)數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)要求, 可用于進(jìn)行光纖線導(dǎo)魚(yú)雷使用方法、線導(dǎo)導(dǎo)引算法和尾流搜索彈道等方面的研究。

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An Acoustic-Optical Compound Guidance Simulation Platform for Complete Trajectory of Torpedo Based on Ethernet

LI Bin, ZHENG Wei, WAN Ya-min

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Using acoustic-optical compound guidance mode can improve the target detection range and guidance precision of a torpedo in complex underwater acoustic field, compared with the conventional single guidance mode. We researched the process before firing a torpedo, the operational posture, the wire guidance method, the ship wake model, and the model for wake homing test, and constructed an acoustic-optical compound guidancesimulation platform for complete trajectory of a torpedo based on Ethernet to provide technical support for the hardware-in-loop simulation platform. On this acoustic-optical compound guidancesimulation platform, such studies as application method and performance evaluation of the torpedo with acoustic-optical compound guidance can be conducted.

torpedo; acoustic-optical compound guidance; complete trajectory; Ethernet; hardware-in-loop simulation; simulation platform construction

TJ630.1; TP391.9

A

1673-1948(2012)02-0149-04

2011-05-11;

2011-05-24.

李斌(1983?), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷仿真技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)