楊向鋒, 楊云川, 張 奎, 石 磊

魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估建模與仿真

楊向鋒, 楊云川, 張 奎, 石 磊

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

使用水聲對(duì)抗器材誘騙、干擾魚雷是現(xiàn)代潛艇最重要的反魚雷措施之一, 魚雷攻擊潛艇時(shí)會(huì)出現(xiàn)潛艇與各種對(duì)抗器材共存的現(xiàn)象, 在一定時(shí)間及空間范圍表現(xiàn)為多目標(biāo)。由于魚雷必須對(duì)多目標(biāo)的攻擊價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià),優(yōu)選威脅度高的目標(biāo)進(jìn)行攻擊, 以保證魚雷作戰(zhàn)效能?；诖? 分析了魚雷多目標(biāo)的威脅因素及其對(duì)威脅評(píng)估的影響, 提出了威脅因素的量化方法, 建立了魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估的模型, 為魚雷多目標(biāo)作戰(zhàn)優(yōu)選打擊提供了一種方法, 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

魚雷; 多目標(biāo)威脅評(píng)估; 目標(biāo)威脅因素

0 引言

魚雷是海軍的主要反潛武器之一, 對(duì)潛艇構(gòu)成很大的威脅, 因此現(xiàn)代潛艇一般都裝備多種對(duì)抗魚雷的反魚雷裝備[1]。聲誘餌在水聲對(duì)抗中具有良好的效果, 是潛艇裝備的主要對(duì)抗器材之一, 其主要包括懸浮式聲誘餌、自航式聲誘餌、自航式尺度聲誘餌等[2]。潛艇受到魚雷攻擊時(shí), 在機(jī)動(dòng)規(guī)避的同時(shí)會(huì)釋放各種對(duì)抗器材誘騙、干擾魚雷, 消耗魚雷航程以達(dá)到逃生的目的。因此魚雷攻擊潛艇時(shí)會(huì)出現(xiàn)潛艇與各種對(duì)抗器材共存的現(xiàn)象, 并在一定時(shí)間及空間范圍內(nèi)表現(xiàn)為多目標(biāo)。魚雷若想提高作戰(zhàn)效能就必須對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行威脅度評(píng)價(jià), 從而選擇最具威脅的目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

多目標(biāo)威脅評(píng)估一直以來是研究熱點(diǎn), 在飛機(jī)空戰(zhàn)[3-4]、防空作戰(zhàn)[5-6]及空對(duì)地作戰(zhàn)[7]等領(lǐng)域取得了一些成果, 但魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估目前處于起步階段, 研究成果不多[8]。本文主要研究魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估問題, 分析了魚雷多目標(biāo)的威脅因素及其對(duì)威脅評(píng)估的影響, 建立了魚雷多目標(biāo)威脅因素的量化模型及綜合威脅度評(píng)估模型, 為魚雷在多目標(biāo)作戰(zhàn)優(yōu)選打擊提供了一種方法。

1 影響威脅評(píng)估的因素

魚雷多目標(biāo)的威脅度是指魚雷作戰(zhàn)過程中目標(biāo)的攻擊價(jià)值。威脅度高, 表明目標(biāo)可能是潛艇, 值得魚雷攻擊; 威脅度低, 表明目標(biāo)可能是聲誘餌, 攻擊價(jià)值較低。

魚雷多目標(biāo)的威脅度主要由目標(biāo)特性決定, 評(píng)估目標(biāo)的威脅程度要考慮以下因素。

1) 尺度特征: 潛艇具有一定的空間尺寸, 魚雷通過目標(biāo)多亮點(diǎn)分析可以獲得潛艇在水平方向的“長(zhǎng)度”特征和垂直方向上的“高度”特征, 聲誘餌難以模擬潛艇的空間幾何特征, 特別是垂直尺度, 因此具有尺度特征的目標(biāo)威脅度高。

2) 空間張角[9-10]: 潛艇的空間幾何特征導(dǎo)致回波的相位在不同時(shí)刻具有一定的差別且服從一定的分布, 魚雷對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行相位分析或者通過多亮點(diǎn)空間擬合可以獲得目標(biāo)空間張角, 聲誘餌難以模擬目標(biāo)回波的空間張角, 因此具有空間張角的目標(biāo)威脅度高。

3) 航行速度: 目標(biāo)航行速度是其重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之一, 魚雷通過目標(biāo)跟蹤可以獲得目標(biāo)的航行速度, 潛艇航速可以達(dá)到35 kn, 懸浮式聲誘餌基本靜止, 自航式聲誘餌一般航速低于10 kn, 因此航行速度高的目標(biāo)威脅度高。

4) 多普勒速度(多普勒頻移): 潛艇魚雷報(bào)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)魚雷后, 潛艇一般會(huì)向遠(yuǎn)離魚雷方向高速機(jī)動(dòng), 此時(shí)魚雷追擊目標(biāo), 多普勒速度較低, 魚雷迎擊目標(biāo)時(shí)多普勒速度較高, 而迎擊態(tài)勢(shì)下的目標(biāo)是聲誘餌的可能性更大, 因此低多普勒速度目標(biāo)威脅度高。

5) 多普勒速度匹配度: 魚雷根據(jù)目標(biāo)航行速度及魚雷航行姿態(tài)可以估計(jì)出目標(biāo)的多普勒速度, 同時(shí)魚雷通過信號(hào)檢測(cè)可以檢測(cè)到目標(biāo)的多普勒速度, 潛艇的2種多普勒速度來自相同的物理過程, 其值會(huì)比較接近, 而聲誘餌的檢測(cè)多普勒速度可能通過人工設(shè)定, 因此檢測(cè)多普勒速度與估計(jì)多普勒速度匹配程度高的目標(biāo)威脅度高。

6) 距離: 潛艇對(duì)抗魚雷時(shí)會(huì)向遠(yuǎn)離魚雷方向高速機(jī)動(dòng), 同時(shí)會(huì)在魚雷航路上布放聲誘餌, 或靜止或向其他方向運(yùn)動(dòng)以達(dá)到干擾誘騙魚雷的目的, 而聲誘餌由于其航行速度低于潛艇, 一般情況下檢測(cè)距離比潛艇的近, 因此檢測(cè)距離遠(yuǎn)的目標(biāo)威脅度高。

2 威脅評(píng)估模型

2.1 威脅因素量化模型

由于不同威脅因素的量綱和表達(dá)參數(shù)不同, 對(duì)威脅度的影響也不同, 為此需要對(duì)各種因素進(jìn)行規(guī)范化量化處理。

1) 垂直尺度: 垂直尺度反映目標(biāo)高度, 主要是指潛艇艦橋與艇身共同形成的約10~15 m的高度[11]。受到水聲環(huán)境影響, 魚雷估計(jì)得到的垂直尺度存在誤差, 一般認(rèn)為其服從高斯分布, 因此垂直尺度的量化模型

2) 水平尺度: 水平尺度反映目標(biāo)長(zhǎng)度, 主要指潛艇艇身約80~150 m的長(zhǎng)度[11]。受到水聲環(huán)境影響, 魚雷估計(jì)得到的水平尺度存在誤差, 一般認(rèn)為其服從高斯分布, 故水平尺度的量化模型

3) 空間張角: 空間張角也反映了目標(biāo)的水平尺度特征, 空間張角估計(jì)受潛艇弦角影響較大, 弦角在20o~ 70o范圍時(shí)空間張角估計(jì)值較大[10-11], 弦角較大或較小時(shí)空間張角估計(jì)值較小, 因此空間張角的量化模型為

4) 航行速度: 航行速度反映了目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)特征, 目標(biāo)航速的相對(duì)大小表征了目標(biāo)的相對(duì)威脅程度, 航速越高目標(biāo)威脅度越高, 因此多目標(biāo)航行速度的量化模型

5) 多普勒速度: 多普勒速度反映了魚雷與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系, 多普勒速度的相對(duì)大小表征了目標(biāo)的相對(duì)威脅程度, 多普勒速度越低目標(biāo)威脅度越高, 因此多目標(biāo)多普勒速度的量化模型

6) 多普勒速度匹配度: 多普勒速度匹配度反映了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)估計(jì)多普勒速度與目標(biāo)檢測(cè)多普勒速度的匹配程度, 二者越匹配, 目標(biāo)威脅度越高。這2種方法獲得的多普勒速度都存在誤差, 一般認(rèn)為其服從高斯分布, 因此多目標(biāo)多普勒速度的量化模型

7) 距離: 距離反映了魚雷與目標(biāo)的相對(duì)距離, 距離的相對(duì)遠(yuǎn)近表征了目標(biāo)的相對(duì)威脅程度, 距離越遠(yuǎn)目標(biāo)威脅度越高, 因此多目標(biāo)距離的量化模型

2.2 綜合威脅度評(píng)估模型

確定威脅加權(quán)系數(shù)后, 綜合威脅度向量

3 仿真算例

仿真場(chǎng)景為魚雷以20 m/s直行, 水平面內(nèi)有3個(gè)目標(biāo), 1號(hào)為懸浮式聲誘餌, 2號(hào)為潛艇, 3號(hào)為自航式尺度聲誘餌, 如圖1所示。

圖1 魚雷多目標(biāo)示意圖

表1 多目標(biāo)信息參數(shù)

4 結(jié)束語

本文分析了影響魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估的因素, 建立了各種威脅因素的量化模型和綜合威脅度評(píng)估模型, 采用威脅因素重要性加權(quán)因子來平衡各因素對(duì)綜合威脅程度的影響, 提出了一種魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估的方法, 仿真算例證明該方法能實(shí)現(xiàn)魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估, 具有一定的工程參考價(jià)值。本文是對(duì)魚雷多目標(biāo)威脅評(píng)估的初步探討, 威脅因素量化方法以及加權(quán)因子選擇方法有待進(jìn)一步研究和完善。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Modeling and Simulation for Evaluation of Multiple-Target Threat Against Torpedo

YANG Xiang-fengYANG Yun-chuanZHANG KuiSHI Lei

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

One of the most important countermeasures taken by a submarine against a torpedo is using equipments of acoustic countermeasure to decoy or interfere with the torpedo. The submarine and the equipments of acoustic countermeasure coexist in special time and location, exhibiting multiple targets for the torpedo. So the torpedo must evaluate and choose the most threatening target to assure the operational efficiency. In this paper, the threat factors of the multiple targets and their effect on the threat evaluation are analyzed. A quantification method of the threat factors is proposed, and an evaluation model of multiple-target threat for torpedo is established for torpedo selective attack on multiple targets.

torpedo; multiple-target threat evaluation; target threat factor

TJ630.34

A

1673-1948(2014)05-0337-04

2014-07-10;

2014-08-14.

楊向鋒(1978-), 男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)與信息處理、水下目標(biāo)識(shí)別、跟蹤及水聲反對(duì)抗.