張勇平, 張靜遠(yuǎn), 尹文進(jìn)

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魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真中的作戰(zhàn)環(huán)境建模

張勇平, 張靜遠(yuǎn), 尹文進(jìn)

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了在魚雷自導(dǎo)性能仿真中體現(xiàn)真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)魚雷自導(dǎo)的影響, 從魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互出發(fā), 通過分析魚雷自導(dǎo)探測(cè)目標(biāo)機(jī)理和工作過程, 結(jié)合分布式仿真技術(shù), 建立了魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真中的復(fù)雜海洋環(huán)境和對(duì)抗作戰(zhàn)仿真模型。仿真結(jié)果表明, 所建模型合理有效, 可以體現(xiàn)魚雷自導(dǎo)工作的真實(shí)環(huán)境。

魚雷; 自導(dǎo)性能; 海洋環(huán)境; 作戰(zhàn)環(huán)境; 分布式仿真

0 引言

開展魚雷自導(dǎo)性能仿真研究是檢驗(yàn)和提升魚雷自導(dǎo)性能的重要途徑之一, 魚雷的作戰(zhàn)環(huán)境決定了仿真研究必須綜合考慮復(fù)雜海洋環(huán)境和對(duì)抗作戰(zhàn)條件[1]。因此, 有針對(duì)性的開展魚雷作戰(zhàn)環(huán)境的建模研究對(duì)魚雷自導(dǎo)性能仿真的發(fā)展有重要意義。現(xiàn)有海洋環(huán)境聲學(xué)模型理論性較強(qiáng), 仿真計(jì)算比較困難, 必須結(jié)合魚雷聲自導(dǎo)探測(cè)目標(biāo)的機(jī)理對(duì)其進(jìn)行改造或者重新建模。對(duì)抗作戰(zhàn)條件是魚雷作戰(zhàn)環(huán)境的重要部分, 仿真模型必須結(jié)合魚雷自導(dǎo)搜索、水聲反對(duì)抗的機(jī)理展開研究。

目前, 國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對(duì)魚雷作戰(zhàn)使用、效能分析和自導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的研究較多[2-5], 但針對(duì)魚雷自導(dǎo)性能研究的海洋和對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境的仿真建模研究較少。本文從分析魚雷自導(dǎo)探測(cè)目標(biāo)的機(jī)理出發(fā), 對(duì)魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)與環(huán)境的信息交互進(jìn)行了深入的分析, 結(jié)合分布式仿真技術(shù), 提出了復(fù)雜海洋環(huán)境和對(duì)抗作戰(zhàn)條件的仿真模型。并在魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中對(duì)所建仿真模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 自導(dǎo)性能仿真影響因素

無線電波、激光等物理場(chǎng)在海水中的衰減很快, 無法滿足水下遠(yuǎn)距離探測(cè)的需求。聲傳播在海水中的衰減較慢, 而且傳播速度在1 500 m/s左右, 是目前水下通信和探測(cè)目標(biāo)唯一有效的物理場(chǎng)。魚雷被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)是采用接收目標(biāo)的輻射噪聲信號(hào)進(jìn)行的, 以被動(dòng)聲納方程為判斷依據(jù), 見式(1)。主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)是采用接收自導(dǎo)聲納發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)過目標(biāo)反射的回波信號(hào)來進(jìn)行檢測(cè)的, 以主動(dòng)聲納方程作為判斷依據(jù), 見式(2)。

式(1)中:為目標(biāo)的輻射噪聲;為傳播損失;為水聽器處的噪聲級(jí);為聲納的指向性;為檢測(cè)閾。式(2)中:為聲納發(fā)射聲源級(jí);為混響級(jí); 其他與式(1)相同。

復(fù)雜海洋信道使被動(dòng)探測(cè)的目標(biāo)輻射信號(hào)、主動(dòng)探測(cè)的聲納發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)發(fā)生衰減和畸變, 海洋中氣泡和浮游生物等對(duì)主動(dòng)自導(dǎo)造成體積混響, 海雜波和海底介質(zhì)分別造成海面混響和海底混響。因此魚雷自導(dǎo)接收機(jī)必須要有相應(yīng)的抗信號(hào)畸變、抗混響和提取目標(biāo)特征等信號(hào)處理方法。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時(shí), 海洋環(huán)境模型必須體現(xiàn)信號(hào)衰減和混響等因素。

魚雷作戰(zhàn)過程中, 氣幕彈對(duì)被動(dòng)自導(dǎo)的目標(biāo)輻射信號(hào)、主動(dòng)自導(dǎo)脈沖信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)造成插入損失; 噪聲干擾器提高了背景噪聲, 抑制了自導(dǎo)接收機(jī)對(duì)信號(hào)的接收; 誘餌采用模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和聲學(xué)特征來欺騙魚雷跟蹤。水聲對(duì)抗器材的不同戰(zhàn)術(shù)用法會(huì)對(duì)魚雷自導(dǎo)造成不同的影響, 因此, 為了識(shí)別和對(duì)抗敵方釋放的氣幕彈、噪聲干擾器和誘餌, 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)必須要有一定的目標(biāo)識(shí)別和水聲反對(duì)抗能力。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時(shí), 除了目標(biāo)機(jī)動(dòng)外, 對(duì)抗作戰(zhàn)模型還必須體現(xiàn)水聲對(duì)抗器材作戰(zhàn)使用對(duì)自導(dǎo)工作過程的影響。

2 自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互

自導(dǎo)系統(tǒng)在海水電池激活后開始工作, 魚雷的射擊參數(shù)在發(fā)射前由發(fā)射平臺(tái)的指控系統(tǒng)裝定到魚雷上。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時(shí), 魚雷成員激活后首先必須接收發(fā)射平臺(tái)的射擊參數(shù)信息。被動(dòng)自導(dǎo)開機(jī)后, 載有目標(biāo)方位、特征等信息的輻射噪聲信息經(jīng)過海洋信道被魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收。主動(dòng)開機(jī)后, 魚雷自導(dǎo)聲納信號(hào)經(jīng)過海洋信道照射到目標(biāo)后, 載有目標(biāo)方位、特征等信息的反射信號(hào)被自導(dǎo)接收機(jī)接收。

2.1 自導(dǎo)系統(tǒng)與海洋環(huán)境的信息交互

海洋環(huán)境是魚雷探測(cè)目標(biāo)的水聲信道, 主要對(duì)目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)、主動(dòng)聲納信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)造成衰減、畸變等影響。復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響主要體現(xiàn)在傳播損失、多途效應(yīng)、海面混響、海底混響和體積混響等幾個(gè)方面。在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時(shí), 自導(dǎo)探測(cè)的計(jì)算模型必須考慮上述因素, 模型中有關(guān)涉及到海洋環(huán)境的參數(shù)可以由數(shù)據(jù)庫讀取或?qū)а莩蓡T統(tǒng)一發(fā)布, 魚雷成員接收的環(huán)境參數(shù)作為上述聲學(xué)模型計(jì)算的依據(jù)。涉及到模型計(jì)算的海洋環(huán)境參數(shù)主要有海面風(fēng)速, 海面風(fēng)向, 海水鹽度、深度、溫度、溫度梯度, 海底類型等。

2.2 自導(dǎo)系統(tǒng)與目標(biāo)的信息交互

魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)被動(dòng)檢測(cè)時(shí), 檢測(cè)到的目標(biāo)輻射噪聲信息載有目標(biāo)的方位、深度、輻射水平、線譜成分和其他特征信息。提取這些信息可以進(jìn)行方位估計(jì)、目標(biāo)識(shí)別等操作。

主動(dòng)檢測(cè)時(shí), 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射一定時(shí)寬和帶寬的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過海洋信道到達(dá)目標(biāo), 經(jīng)過目標(biāo)反射后, 載有目標(biāo)方位、距離、速度和其他特征信息的回波信號(hào)經(jīng)由海洋信道被自導(dǎo)系統(tǒng)接收[1]。

綜上所述, 在進(jìn)行魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真時(shí), 魚雷成員必須把發(fā)射脈沖信息、魚雷位置和速度信息公布給其他目標(biāo)及對(duì)抗器材成員, 目標(biāo)及對(duì)抗器材成員必須把位置和方位信息、速度信息、輻射噪聲水平、目標(biāo)強(qiáng)度和其他一些特征信息公布給魚雷。魚雷成員與外界的信息交互關(guān)系見圖1。

圖1 魚雷與外界信息交互圖

3 仿真模型

3.1 復(fù)雜海洋環(huán)境模型

對(duì)魚雷自導(dǎo)性能受海洋環(huán)境的影響進(jìn)行精確建模分析是非常困難的, 基于本文研究的目的, 以對(duì)自導(dǎo)性能產(chǎn)生主要影響為考慮原則, 這里對(duì)其作簡(jiǎn)化處理, 主要考慮聲速、聲吸收、海底混響、海面混響、體積混響等幾個(gè)方面[4]。其中, 聲速的計(jì)算采用如下計(jì)算模型[6]

式中:為聲速;為溫度;為鹽度(以每千克海水中含各種鹽類克數(shù)計(jì));為深度。

該模型中涉及到3個(gè)環(huán)境變量, 溫度、鹽度和深度。表示海水對(duì)聲波吸收程度的對(duì)數(shù)吸聲系數(shù)按如下模型計(jì)算[7]

式中:為溫度;為鹽度(以每千克海水中含各種鹽類克數(shù)計(jì));為工作頻率;f為豫弛頻率, 有

為與海水溫度有關(guān)的系數(shù), 有

傳播損失采用下式計(jì)算模型[8]

體積混響采用如下計(jì)算模型[4]

海面和海底混響由于散射體的分布是2D平面的, 統(tǒng)稱為界面混響。界面混響級(jí)采用如下計(jì)算模型

根據(jù)上述聲速、聲吸收、海底混響、海面混響和體積混響計(jì)算模型的參量分析, 只要給出溫度、鹽度、風(fēng)速、海底類型這幾個(gè)環(huán)境變量就可以體現(xiàn)復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)魚雷自導(dǎo)的影響。

3.2 對(duì)抗作戰(zhàn)模型

模擬實(shí)際對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境需要考慮魚雷的作戰(zhàn)使用、目標(biāo)的機(jī)動(dòng)規(guī)避和敵方水聲對(duì)抗3個(gè)方面。魚雷的作戰(zhàn)使用需要考慮魚雷射擊提前角的計(jì)算、自導(dǎo)開機(jī)距離的設(shè)定、齊射時(shí)展開航程的設(shè)定、發(fā)射方式的選擇等。其中, 射擊提前角和展開航程的計(jì)算模型[2]見式(12)和式(13)。自導(dǎo)開機(jī)距離和發(fā)射方式一般由人工設(shè)定。

形心法計(jì)算發(fā)射提前角模型

展開航程計(jì)算模型

以典型的魚雷對(duì)潛攻擊為例, 潛艇被動(dòng)聲納不能測(cè)距, 只能聽測(cè)其相對(duì)于本艇的方位。其機(jī)動(dòng)規(guī)避戰(zhàn)術(shù)主要有變速、變深、旋回和停車等。為充分體現(xiàn)潛艇旋回角度的隨機(jī)性, 結(jié)合潛艇作戰(zhàn)使用行動(dòng)規(guī)則, 仿真設(shè)計(jì)了3種不同的機(jī)動(dòng)方式。

機(jī)動(dòng)方式1: 潛艇背雷轉(zhuǎn)90°, 機(jī)動(dòng)后航向?yàn)橐孕?0°后的方向?yàn)橹行? 均方差為10°的正態(tài)分布。

圖2 潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避模式一

圖3 潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避模式二

機(jī)動(dòng)方式3: 潛艇將魚雷甩到尾部, 機(jī)動(dòng)后航向?yàn)橐贼~雷-潛艇視線方向?yàn)橹行? 均方差為10°的正態(tài)分布。

敵方的水聲對(duì)抗是和機(jī)動(dòng)規(guī)避結(jié)合在一起的, 以典型的潛艇反魚雷水聲對(duì)抗為例進(jìn)行討論。潛艇使用水聲對(duì)抗器材對(duì)抗來襲魚雷的作戰(zhàn)使用原則是隱蔽自己、欺騙和干擾魚雷自導(dǎo)探測(cè)、增加魚雷航程消耗[9]。其作戰(zhàn)使用方式較多, 考慮到魚雷自導(dǎo)性能仿真的需求, 現(xiàn)建立誘餌、噪聲干擾器和誘餌組合使用以及噪聲干擾器和氣幕彈組合使用3種水聲對(duì)抗模型, 以體現(xiàn)敵方水聲對(duì)抗對(duì)魚雷自導(dǎo)性能的影響。

3.2.1 誘餌對(duì)抗模型

圖4 誘餌作戰(zhàn)使用示意圖

3.2.2 誘餌和噪聲干擾器組合使用對(duì)抗模型

圖5 誘餌/噪聲干擾器組合使用示意圖

3.2.3 噪聲干擾器和氣幕彈組合使用對(duì)抗模型

圖6 氣幕彈/噪聲干擾器組合使用示意圖

4 仿真實(shí)例

在基于上述海洋環(huán)境模型和對(duì)抗作戰(zhàn)模型的魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中, 以水面艦艇齊射魚雷攻擊單艘潛艇, 潛艇采用發(fā)射噪聲干擾器和誘餌的自動(dòng)對(duì)抗方案進(jìn)行反魚雷對(duì)抗為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真中魚雷在齊射展開后經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 潛艇探測(cè)到來襲魚雷后發(fā)射噪聲干擾器和誘餌進(jìn)行反魚雷對(duì)抗, 同時(shí), 自身開始機(jī)動(dòng)規(guī)避, 對(duì)抗態(tài)勢(shì)見圖7。當(dāng)魚雷被誘餌誘騙后, 1號(hào)魚雷穿過誘餌后發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo), 繼而跟蹤并命中目標(biāo), 2號(hào)魚雷穿過誘餌后未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)開始環(huán)形搜索, 對(duì)抗態(tài)勢(shì)見圖8。

圖7 對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖一

圖8 對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖二

5 結(jié)束語

本文從魚雷自導(dǎo)探測(cè)目標(biāo)的原理出發(fā), 對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)與外界的信息交互進(jìn)行了深入的研究; 結(jié)合自導(dǎo)探測(cè)目標(biāo)機(jī)理、海洋環(huán)境模型、魚雷自導(dǎo)性能仿真需求和特點(diǎn)、分布式仿真技術(shù)等, 提出了魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真的復(fù)雜海洋環(huán)境和對(duì)抗作戰(zhàn)仿真模型; 并在魚雷自導(dǎo)性能分布式仿真系統(tǒng)中對(duì)所建仿真模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證, 仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性和正確性。該仿真模型全面考慮了水聲環(huán)境計(jì)算模型、目標(biāo)機(jī)動(dòng)和水聲對(duì)抗等影響魚雷自導(dǎo)性能的綜合因素, 這對(duì)研究魚雷自導(dǎo)性能、建設(shè)粒度更細(xì)更復(fù)雜的魚雷作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)具有較大的參考價(jià)值。另外, 這對(duì)研究智能水雷、反魚雷魚雷等水下武器的作戰(zhàn)性能仿真具有一定的借鑒意義。

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Operational Environment Modeling in Distributed Simulation of Torpedo Homing Performance

ZHANG Yong-ping, ZHANG Jing-yuan, YIN Wen-jin

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To reflect real operational environment in distributed simulation of torpedo homing performance, starting from the information interaction analysis of torpedo homing system and outside environment, the mechanism and guiding process of detecting targets are analyzed. And the models of complex marine environment and countermeasure are established for distributed simulation of torpedo homing performance with the distributed simulation technology. Simulation results show that these models are reasonable and effective for reflecting the real environment where a torpedo homing system works.

torpedo; homing performance; marine environment; operational environment; distributed simulation

TJ630.34; TP391.9

A

1673-1948(2013)05-0392-06

2013-04-27;

2013-06-16.

張勇平(1979-), 男, 工程師, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)轸~雷自導(dǎo)技術(shù)、水聲信號(hào)處理、系統(tǒng)仿真.

(責(zé)任編輯: 許 妍)