李 斌，王順杰

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071)

潛艇尤其是攻擊型潛艇是非常強(qiáng)調(diào)攻擊的進(jìn)攻性兵力。然而，在探潛和反潛技術(shù)迅速發(fā)展的現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下，潛艇的防御顯得越來(lái)越重要［1］。由于潛艇本身構(gòu)造比較特殊，結(jié)合復(fù)雜水下作戰(zhàn)環(huán)境的影響，因此其被魚雷擊中后自保的機(jī)會(huì)十分渺茫。對(duì)于潛艇而言，其威脅主要來(lái)自于自導(dǎo)、線導(dǎo)等重型魚雷以及空投、火箭助飛魚雷?，F(xiàn)代制導(dǎo)魚雷具有很高的命中概率，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在正常情況下，魚雷命中概率可達(dá)80%以上。但是當(dāng)目標(biāo)潛艇使用水聲對(duì)抗等手段后，其命中概率就會(huì)降低。水聲對(duì)抗器材可分為抑制型對(duì)抗器材和誘騙型對(duì)抗器材，自航式聲誘餌是典型的誘騙型對(duì)抗器材［2］。自航式聲誘餌不僅能模擬潛艇的輻射噪聲特性和聲反射特性，還能模擬潛艇的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)魚雷具有很大的欺騙性。使用自航式聲誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷成為潛艇水下防御的主要手段之一［3］。

1 問(wèn)題描述及模型建立

設(shè)初始時(shí)刻本艇發(fā)現(xiàn)來(lái)襲的聲自導(dǎo)魚雷的位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)，魚雷報(bào)警舷角為XT，潛艇與魚雷距離為D，此時(shí)潛艇立即發(fā)射誘餌進(jìn)行水聲對(duì)抗。設(shè)魚雷航速為VT，航向?yàn)镠T，潛艇規(guī)避機(jī)動(dòng)航速為VQ，航向?yàn)镠Q，設(shè)某時(shí)刻誘餌速度為VD，航向?yàn)镠D。

1.1 來(lái)襲聲自導(dǎo)魚雷運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)仿真模型

魚雷入水后，其設(shè)定的搜索深度按目標(biāo)深度選定。對(duì)仿真程序做適當(dāng)簡(jiǎn)化，可將魚雷、潛艇、誘餌設(shè)為同一深度，在二維視圖上研究潛艇對(duì)聲自導(dǎo)魚雷的防御問(wèn)題。

目前魚雷的聲自導(dǎo)裝置采用的自導(dǎo)控制機(jī)制有多種。采用不同的自導(dǎo)控制機(jī)制，魚雷聲自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)并捕獲目標(biāo)后控制魚雷追蹤目標(biāo)的自導(dǎo)追蹤航行段彈道形式也不同。常見的尾追式彈道，可以使魚雷航向始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，及時(shí)辨明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向，保證對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，如圖1所示。

圖1 尾追式彈道示意圖

1.2 誘餌運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)仿真模型

根據(jù)誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷仿真模型，使用不同航速制分別進(jìn)行仿真計(jì)算。

直航段，誘餌彈道的位置坐標(biāo)計(jì)算可用式(1)表示:

式中，x(t)、y(t)為誘餌位置點(diǎn)坐標(biāo)。

設(shè)t時(shí)刻誘餌開始變向，則t+dt時(shí)，旋轉(zhuǎn)的角度為φ(t+dt)。

當(dāng) φ(t+dt)＜0時(shí)，取 φ(t+dt)=0。

在t+ndt時(shí)刻，

式中，φ為聲誘餌在dt內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度;轉(zhuǎn)向標(biāo)志的值為正時(shí)表示右轉(zhuǎn)(順時(shí)針)，為負(fù)時(shí)表示左轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)。

2 誘餌對(duì)抗聲自導(dǎo)魚雷聲學(xué)模型

2.1 對(duì)抗被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷模型

主要手段是采用噪聲模擬方式［5］:

式中，SLS為誘餌噪聲模擬方式噪聲源級(jí);TL(RS)為聲誘餌至魚雷處的傳播損失，RS為兩者之間的距離;NL為魚雷的背景噪聲級(jí);DI為魚雷的指向性指數(shù);DT為魚雷的檢測(cè)閾。

式(3)表明聲誘餌產(chǎn)生的模擬輻射噪聲傳播至被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷處，只要超過(guò)魚雷被動(dòng)通道接收機(jī)門限，則魚雷將聲誘餌視為攻擊目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

2.2 對(duì)抗主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷模型

誘餌通過(guò)應(yīng)答來(lái)模擬目標(biāo)反射特性，分兩種情況。第一，誘餌接收到主動(dòng)聲脈沖后，按模擬一固定目標(biāo)強(qiáng)度值計(jì)算出回波源級(jí)，然后按回波源級(jí)值附加一定的回波展寬，將信號(hào)發(fā)射出去，以此模擬一個(gè)運(yùn)動(dòng)的、有一定幾何體積的、具有定常目標(biāo)強(qiáng)度的潛艇目標(biāo)，這種情況出現(xiàn)在回波源級(jí)不大于最大回波源級(jí)時(shí)(此時(shí)RS為中遠(yuǎn)距離)。這時(shí)，只需將誘餌看作具有定常目標(biāo)強(qiáng)度TSS的聲反射體即可［6］，即

式中，SLE為敵魚雷發(fā)射聲源級(jí);TSS為聲誘餌模擬回波的目標(biāo)強(qiáng)度。

式(4)表明聲誘餌模擬回波信號(hào)傳播至主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷處，只要超過(guò)魚雷主動(dòng)通道接收機(jī)門限，則魚雷將聲誘餌視為攻擊目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

第二種情況是回波源級(jí)大于最大回波源級(jí)時(shí)(此時(shí)RS通常為近距離，往往表明了誘餌已成功將魚雷引開)，這時(shí)，誘餌都以最大回波源級(jí)回發(fā)應(yīng)答脈沖。對(duì)于這種情況，則要將式(4)中雙程傳播損失改為對(duì)誘餌應(yīng)答脈沖的單程檢測(cè)。即

式中，SLS－MAX為誘餌最大回波源級(jí)。

3 仿真程序的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)所建立的模型，在Visual C++6.0仿真平臺(tái)上完成潛艇使用聲誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷仿真程序設(shè)計(jì)。

3.1 聲自導(dǎo)魚雷仿真流程設(shè)計(jì)

對(duì)于聲自導(dǎo)魚雷而言，仿真程序一般用到三種聲制導(dǎo)方式:被動(dòng)聲制導(dǎo)方式、主動(dòng)聲制導(dǎo)方式和主被動(dòng)聯(lián)合聲制導(dǎo)方式。本文考慮到現(xiàn)代反魚雷水聲戰(zhàn)的通常情況，將來(lái)襲魚雷的聲制導(dǎo)方式設(shè)置為主被動(dòng)聯(lián)合聲制導(dǎo)方式。

仿真開始后，自導(dǎo)系統(tǒng)首先根據(jù)確定的參數(shù)在入水后，按預(yù)設(shè)定彈道航行，自導(dǎo)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。自導(dǎo)系統(tǒng)在接收控制系統(tǒng)的開機(jī)指令后開始工作。在主被動(dòng)聯(lián)合聲制導(dǎo)方式下，系統(tǒng)應(yīng)確定是否采用被動(dòng)優(yōu)先導(dǎo)引方式，如果被動(dòng)優(yōu)先，則按照被動(dòng)自導(dǎo)工作方式進(jìn)行搜索，一旦確定被動(dòng)捕獲目標(biāo)后，聯(lián)合主動(dòng)聲制導(dǎo)方式進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。如果不采用被動(dòng)優(yōu)先導(dǎo)引方式，系統(tǒng)按照主動(dòng)聲制導(dǎo)方式工作，在主動(dòng)捕獲時(shí)，考慮是否有被動(dòng)目標(biāo)特征以確定目標(biāo)是否為真目標(biāo)［7］。其流程圖如圖2所示。

圖2 主被動(dòng)聯(lián)合聲制導(dǎo)魚雷仿真流程

3.2 誘餌仿真流程設(shè)計(jì)

誘餌仿真流程圖如圖3所示。程序啟動(dòng)后若聲誘餌收到信號(hào)，則其進(jìn)行信號(hào)分析與處理。然后選擇不同的工作方式包括回波模擬方式、噪聲模擬方式和聯(lián)合工作方式，按照不同的工作方式進(jìn)行回波頻段選擇和噪聲頻段選擇，最終分別產(chǎn)生回波信號(hào)和噪聲信號(hào)后輸出，進(jìn)行對(duì)聲自導(dǎo)魚雷的對(duì)抗。

圖3 誘餌仿真流程

3.3 主程序仿真流程設(shè)計(jì)

潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷主流程圖如圖4所示。當(dāng)程序開始后，先對(duì)程序進(jìn)行初始化，然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如果要將此次仿真數(shù)據(jù)保存，則調(diào)用數(shù)據(jù)存取模塊。當(dāng)程序開始運(yùn)行后，魚雷進(jìn)入潛艇報(bào)警距離內(nèi)時(shí)，給出報(bào)警信息，并進(jìn)行對(duì)抗，包括釋放對(duì)抗器材，潛艇進(jìn)行規(guī)避。當(dāng)對(duì)抗器材釋放后，魚雷將進(jìn)行判斷并對(duì)所確定目標(biāo)進(jìn)行追蹤，如果判別其是假目標(biāo)，則進(jìn)入再搜索階段。只有當(dāng)魚雷航程耗盡或者魚雷與目標(biāo)之間的距離達(dá)到一定的范圍而判定魚雷擊中目標(biāo)時(shí)，程序才可以結(jié)束。

如果要對(duì)以前保存的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行演示，則在程序初始化以后，打開數(shù)據(jù)文件即可讀入數(shù)據(jù)并進(jìn)行演示。

圖4 主程序總體仿真流程

3.4 誘餌仿真軟件的設(shè)計(jì)

誘餌仿真軟件由參數(shù)設(shè)置模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊等組成。系統(tǒng)仿真模塊流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模塊流程圖

軟件系統(tǒng)除圖形顯示外主要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能。統(tǒng)計(jì)計(jì)算可以設(shè)置計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)開始后調(diào)用參數(shù)設(shè)置模塊的對(duì)話框。

其中參數(shù)設(shè)置模塊包括來(lái)襲魚雷情況判斷對(duì)話框(圖6)和參數(shù)設(shè)定對(duì)話框(圖7)。來(lái)襲魚雷情況判斷對(duì)話框主要完成來(lái)襲魚雷數(shù)量的設(shè)置，魚雷初始舷角的設(shè)定以及潛艇初始規(guī)避航向的選擇;參數(shù)設(shè)定對(duì)話框需要完成潛艇、來(lái)襲魚雷和誘餌的相關(guān)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)的設(shè)定。參數(shù)設(shè)定對(duì)話框的參數(shù)必須按照模擬對(duì)象真實(shí)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以保證數(shù)據(jù)處理模塊得到的所需處理的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，使得仿真的結(jié)果(圖形顯示和統(tǒng)計(jì)計(jì)算)真實(shí)有效。

數(shù)據(jù)處理模塊主要涉及到將參數(shù)設(shè)置模塊中的數(shù)據(jù)和接收到的其它數(shù)據(jù)通過(guò)各個(gè)函數(shù)模塊的計(jì)算得到需要的數(shù)據(jù)應(yīng)用于圖形顯示模塊中進(jìn)行水聲對(duì)抗的演示以及應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊得到統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊中的計(jì)算主要包括環(huán)境因素對(duì)仿真過(guò)程影響的計(jì)算與判斷，潛艇、魚雷和誘餌運(yùn)動(dòng)要素的計(jì)算，各種對(duì)抗態(tài)勢(shì)的判斷和對(duì)抗方案，魚雷、誘餌參數(shù)改變對(duì)仿真過(guò)程的影響等。

圖6 來(lái)襲魚雷情況判斷對(duì)話框

圖7 參數(shù)設(shè)定對(duì)話框

圖形顯示模塊除了包括潛艇防御魚雷態(tài)勢(shì)推演的圖形界面之外還包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的表頁(yè)顯示，如圖8所示。圖形界面主要顯示對(duì)抗過(guò)程中二維視圖的潛艇、魚雷和誘餌的航跡，能夠清楚地表達(dá)出誘餌防御魚雷、潛艇規(guī)避誘餌的對(duì)抗過(guò)程。態(tài)勢(shì)表頁(yè)顯示可以實(shí)時(shí)反映出潛艇和魚雷的參數(shù)變化情況，定量地刻畫潛艇防御魚雷的過(guò)程。

4 仿真結(jié)果及分析

仿真過(guò)程中考慮的誘餌彈道參數(shù)有誘餌的一次轉(zhuǎn)角、一次航速、一次直航時(shí)間、二次轉(zhuǎn)角和二次航速。其中誘餌在一次直航時(shí)間內(nèi)航行的目的是進(jìn)入魚雷的搜索范圍內(nèi)，二次轉(zhuǎn)向后的目的是盡快拉大魚雷和潛艇之間的距離，最大可能地保證潛艇規(guī)避魚雷成功。如果誘餌只是采用初始彈道后的一次轉(zhuǎn)向彈道，則一次轉(zhuǎn)向后誘餌需要兼顧進(jìn)入魚雷的搜索范圍和拉大魚雷和潛艇之間的距離兩方面的作用。

在仿真過(guò)程中，分別設(shè)置魚雷報(bào)警舷角為10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°和 150°時(shí)，在 30cab、25 cab、20 cab和最小可防御魚雷報(bào)警距離時(shí)，潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷成功率的概率變化情況。由于魚雷報(bào)警舷角具有對(duì)稱性，所以只需研究其中某舷的來(lái)襲魚雷，本節(jié)中仿真來(lái)襲魚雷在左舷的情況，仿真圖像中縱坐標(biāo)表示潛艇防御魚雷的成功率，橫坐標(biāo)表示誘餌一次轉(zhuǎn)角的大小(“－”表示誘餌向左轉(zhuǎn)向，“+”表示誘餌向右轉(zhuǎn)向)，誘餌的一次航速分別取VD1和VD2(VD1＞VD2)，其中魚雷報(bào)警舷角為10°時(shí)仿真結(jié)果如圖9和圖10所示:

圖8 態(tài)勢(shì)演示圖和態(tài)勢(shì)顯示對(duì)話框

圖9 魚雷報(bào)警舷角為10°時(shí)誘餌一次航速為VD1的防御成功率

圖10 魚雷報(bào)警舷角為10°時(shí)誘餌一次航速為VD2的防御成功率

從魚雷報(bào)警舷角為10°時(shí)聲誘餌采取兩種不同速制防御成功率分析圖可以看出，當(dāng)聲誘餌采用高速制防御聲自導(dǎo)魚雷時(shí)，在30cab的報(bào)警距離上，可選擇的一次轉(zhuǎn)角為－70°～+150°，最小可防御魚雷報(bào)警距離約為23cab;若采用低速制防御聲自導(dǎo)魚雷，在30cab的報(bào)警距離上，可選擇的一次轉(zhuǎn)角為－50°～+130°，最小可防御魚雷報(bào)警距離約為26cab?？梢娫?0°的魚雷報(bào)警舷角時(shí)，誘餌采取高速制時(shí)其可選擇的一次轉(zhuǎn)角范圍比采取低速制時(shí)要大，誘餌采取高速制時(shí)最小可防御魚雷報(bào)警距離比采取低速制時(shí)要小。

綜合魚雷報(bào)警舷角為 10°、30°、50°、70°、90°、110°、130°和150°時(shí)的仿真結(jié)果可以看出，若誘餌選擇使用的一次航速相同，魚雷報(bào)警舷角相同，隨著魚雷報(bào)警距離的減小，潛艇防御魚雷的成功率也隨之減小，誘餌可選擇的一次轉(zhuǎn)角的范圍也隨之縮小;若誘餌選擇使用的一次航速相同，魚雷報(bào)警距離相同，隨著魚雷報(bào)警舷角的增大，潛艇防御魚雷的成功率也隨之增大，誘餌可選擇的一次轉(zhuǎn)角的范圍也隨之增大;魚雷報(bào)警舷角相同且魚雷報(bào)警距離相同時(shí)，誘餌選擇高速制時(shí)的防御成功率比選擇低速制時(shí)的成功率大，誘餌選擇高速制時(shí)的最小可防御魚雷報(bào)警距離比選擇低速制的小，防御魚雷報(bào)警舷角為大舷角的魚雷的效果比小舷角的效果好。

利用仿真軟件，除了可以分析誘餌的一次轉(zhuǎn)角對(duì)潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷成功率的影響之外，還可以分析誘餌二次轉(zhuǎn)角的選擇對(duì)潛艇防御魚雷成功率的影響以及誘餌一次直航時(shí)間的確定方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真包括魚雷、誘餌和主程序的流程設(shè)計(jì)和仿真軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷的仿真分析。其中仿真需要最大限度地模擬了真實(shí)的作戰(zhàn)環(huán)境，包括訓(xùn)練海區(qū)數(shù)據(jù)、海洋水聲環(huán)境分析，生成兵力性能等。通過(guò)分析潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷時(shí)誘餌彈道參數(shù)對(duì)潛艇防御魚雷成功率的影響，將得到的結(jié)論與誘餌的戰(zhàn)術(shù)使用相結(jié)合，可以得到潛艇使用誘餌防御聲自導(dǎo)魚雷時(shí)，選擇誘餌一次轉(zhuǎn)角彈道時(shí)誘餌的最佳一次轉(zhuǎn)角，選擇誘餌二次轉(zhuǎn)角彈道時(shí)誘餌的最佳一次轉(zhuǎn)角、二次轉(zhuǎn)角和一次直航時(shí)間的確定依據(jù)等結(jié)論。

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