齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

通過對(duì)參戰(zhàn)雙方各種攻擊及防御裝備的運(yùn)動(dòng)和聲學(xué)特性以及海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用全數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立一個(gè)水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)，是當(dāng)前條件下對(duì)水聲對(duì)抗系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化、效能評(píng)估以及對(duì)抗策略研究的有效手段。水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)對(duì)參戰(zhàn)雙方（敵方包括敵潛艇和其發(fā)射的魚雷，我方包括水面艦、魚雷報(bào)警聲納和水聲對(duì)抗器材）以及信道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)參戰(zhàn)實(shí)體參數(shù)初始化，實(shí)現(xiàn)虛擬艦艇武器配置可視化，可進(jìn)行水聲對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)全過程仿真，基于聲納方程的聲學(xué)解算，魚雷全彈道仿真，對(duì)抗雙方信息及對(duì)抗態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)顯示，典型對(duì)抗過程的記錄及重演，采用蒙特卡羅分析方法對(duì)水聲對(duì)抗作戰(zhàn)的效能進(jìn)行分析。

水聲對(duì)抗；推演；效能評(píng)估

1 引言

隨著新型艦艇的批量建造和裝備部隊(duì)，我海軍已逐步發(fā)展成為一支艦種基本齊全、規(guī)模較大、具有多兵種能力的海上軍事力量。如何按照二十一世紀(jì)海戰(zhàn)的不同要求，根據(jù)各艦種的不同功能進(jìn)行合理的作戰(zhàn)裝備配置，以最大限度地發(fā)揮作戰(zhàn)效能和水平，形成強(qiáng)大的海上戰(zhàn)斗力，是各型海上作戰(zhàn)平臺(tái)需要解決的問題［1～3］。

水面艦平臺(tái)水下作戰(zhàn)的使命任務(wù)一是要盡早發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，對(duì)其實(shí)施攻擊；二是要防御敵方潛艇發(fā)射的魚雷攻擊，提高平臺(tái)的自身生存能力。對(duì)水面平臺(tái)的水下作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真和效能評(píng)估的目的就是考察在典型戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下及不同裝備配置方案下水面平臺(tái)的水下防御作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效果。水面艦水聲對(duì)抗系統(tǒng)對(duì)抗器材和裝備一般分為三類，一是探測(cè)與報(bào)警設(shè)備，對(duì)來襲魚雷進(jìn)行探測(cè)和報(bào)警；二是軟殺傷對(duì)抗器材，按工作原理分為背景噪聲干擾（壓制和降低敵方聲納對(duì)水面艦的檢測(cè)性能）和信號(hào)干擾（模擬目標(biāo)信號(hào)誘騙敵探測(cè)系統(tǒng)）；三是硬殺傷裝備直接毀傷魚雷，使其喪失攻擊能力［4～6］。

隨著水下武器及防御系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，影響水下作戰(zhàn)效果的因素也越來越多，如水下武器及對(duì)抗裝備的性能、攻擊及對(duì)抗時(shí)機(jī)、對(duì)抗與反對(duì)抗策略、對(duì)抗中雙方的機(jī)動(dòng)情況、攻擊武器的反對(duì)抗能力、水聲環(huán)境的差異等等。要考察水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能，需要考慮上述各種因素，設(shè)計(jì)一系列不同條件下的水下作戰(zhàn)對(duì)抗試驗(yàn)。但要想覆蓋所有因素的各種組合情況，在經(jīng)濟(jì)上和時(shí)間上都是不允許的。因此，通過對(duì)參戰(zhàn)雙方各種攻擊及防御裝備的運(yùn)動(dòng)和聲學(xué)特性以及海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用全數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立一個(gè)水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)，是當(dāng)前條件下最為經(jīng)濟(jì)可靠的研究手段［7～10］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)對(duì)水面艦水聲對(duì)抗作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真，對(duì)作戰(zhàn)效果進(jìn)行評(píng)估，并可提供態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，對(duì)水聲對(duì)抗作戰(zhàn)推演過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行記錄和回放，其主要功能有：

1）水聲對(duì)抗推演

對(duì)水面艦水聲對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中對(duì)抗雙方數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)解算，通過數(shù)據(jù)和態(tài)勢(shì)圖對(duì)當(dāng)期對(duì)抗態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并給出單次仿真結(jié)果。

2）數(shù)據(jù)記錄功能

在水聲對(duì)抗推演仿真過程中，對(duì)典型態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在后續(xù)研究中通過回放進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及研究

3）效能仿真功能

采用Monte-Carlo分析方法對(duì)水聲對(duì)抗作戰(zhàn)的效能進(jìn)行仿真，可對(duì)水面平臺(tái)的水聲對(duì)抗系統(tǒng)的裝備配置、方案、技術(shù)指標(biāo)的合理性進(jìn)行仿真論證和演示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初期效能仿真分析，為系統(tǒng)的研制提供參考依據(jù)［11～12］。

4）對(duì)抗效果評(píng)估功能

對(duì)水面平臺(tái)的水聲對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)性能及對(duì)抗效果進(jìn)行評(píng)估分析，為系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，將其劃分為導(dǎo)演臺(tái)模塊、效能評(píng)估模塊等6個(gè)模塊。

1）導(dǎo)演臺(tái)模塊

負(fù)責(zé)整個(gè)仿真系統(tǒng)的管理工作，包括時(shí)序管理、進(jìn)程管理、時(shí)間推進(jìn)以及仿真初始化設(shè)置等；按照配置方案的參數(shù)輸入對(duì)水聲對(duì)抗系統(tǒng)進(jìn)行配置，初始化相應(yīng)裝備性能參數(shù)。

2）水面艦?zāi)K

模擬水面艦的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，主要包括直航、加∕減速以及轉(zhuǎn)彎等；按照水面艦的航速、噸位等參數(shù)計(jì)算當(dāng)前水面艦的輻射噪聲級(jí)大小，作為魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)聲源；模擬在不同水文條件、不同魚雷來襲角度時(shí)魚雷報(bào)警聲納對(duì)來襲魚雷進(jìn)行探測(cè)報(bào)警的過程；模擬對(duì)抗器材發(fā)射、入水、工作以及結(jié)束工作的全過程。

3）潛艇模塊

模擬潛艇簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；模擬魚雷對(duì)水面艦攻擊的全過程。

4）信道模塊

負(fù)責(zé)按照海洋信道參數(shù)，基于射線聲學(xué)計(jì)算聲在水下傳播中的擴(kuò)展和吸收損失。

5）效能評(píng)估模塊

效能評(píng)估模塊在單次仿真結(jié)束后，進(jìn)行仿真初始數(shù)據(jù)重置，記錄單次仿真結(jié)果，采用Monte-Carlo分析方法對(duì)水聲對(duì)抗作戰(zhàn)效果進(jìn)行評(píng)估。

圖1 內(nèi)部接口示意圖

6）推演模塊

推演模塊接收水面艦?zāi)K和潛艇模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，進(jìn)行當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)解算，依據(jù)對(duì)抗態(tài)勢(shì)給出單次對(duì)抗結(jié)果。對(duì)推演過程的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)；按照設(shè)定的仿真節(jié)拍，以一定的間隔讀取記錄的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行推演過程回放。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)代碼開發(fā)是在Windows操作系統(tǒng)、Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺(tái)下完成的。對(duì)水面艦及其水聲對(duì)抗系統(tǒng)、敵方潛艇以及魚雷等進(jìn)行仿真模擬，考慮影響對(duì)抗效果的隨機(jī)誤差，并對(duì)作戰(zhàn)原則進(jìn)行合理約束，形成水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)工作流程

基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，確定系統(tǒng)的基本工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 仿真案例分析

仿真計(jì)算之前，先確定仿真條件、初始態(tài)勢(shì)參數(shù)、對(duì)抗策略和仿真類型。良好水文條件，假設(shè)報(bào)警聲納報(bào)警距離為D公里；敵潛艇距離水面艦初始距離為M公里，發(fā)射魚雷對(duì)水面艦實(shí)施攻擊；水面艦在聲納報(bào)警之前勻速直航，當(dāng)聲納報(bào)警后水面艦發(fā)射水聲對(duì)抗器材4枚并進(jìn)行變速轉(zhuǎn)彎規(guī)避；典型情況下運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖

圖3為俯視圖，沒有體現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中深度的變化。其中：1表示水面艦的運(yùn)動(dòng)軌跡線。圖示的為某種規(guī)避策略下轉(zhuǎn)彎規(guī)避的情況。2表示敵方魚雷的攻擊過程軌跡線。3表示潛艇的運(yùn)動(dòng)軌跡線。A、B、C、D表示投放的四個(gè)器材落點(diǎn)的位置。

水面艦所攜帶的魚雷報(bào)警聲納報(bào)警后，投放了4枚水聲對(duì)抗器材并進(jìn)行轉(zhuǎn)彎規(guī)避，當(dāng)水面艦轉(zhuǎn)到一定規(guī)避角度后開始加速直航。敵方線導(dǎo)系統(tǒng)受到對(duì)抗器材干擾后轉(zhuǎn)由聲自導(dǎo)控制魚雷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，魚雷受器材D誘騙，對(duì)其進(jìn)行攻擊，在丟失目標(biāo)再搜索過程中被器材C誘騙，此時(shí)，魚雷陷入器材C和器材D的誘騙之中。以上運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)為典型水聲對(duì)抗過程，符合海事試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

當(dāng)仿真類型為效能評(píng)估時(shí)，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果并給出當(dāng)次對(duì)抗結(jié)果，對(duì)抗效果分析結(jié)果顯示如下圖所示。

圖4 效能分析結(jié)果

4 結(jié)語

依據(jù)水面艦水聲對(duì)抗系統(tǒng)推演及效能評(píng)估的任務(wù)、使命和功能，選擇相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)，建立水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)。本文所述的水聲對(duì)抗推演及效能評(píng)估系統(tǒng)承擔(dān)典型水下作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)下，水面艦水聲對(duì)抗作戰(zhàn)過程推演和作戰(zhàn)效能評(píng)估的任務(wù)，可提供作戰(zhàn)過程中各對(duì)抗實(shí)體的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)供研究使用，并可記錄典型推演過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)典型推演過程的回放。

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Design and Implementation of Effectiveness Evaluation System for Underwater Acoustic Warfare

Qi Zhengyun CHU Fuzhao
（Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute，Shanghai 201108）

Mathematical modeling for the movement and acoustics characteristic of attack and defense equipment，which can build effectiveness evaluation system for underwater defense，this method is a valid measure for configuration optimization and strategies research in current condition to underwater defense.The evaluation system for underwater defense builds mathematical model of underwater acoustic channel and campaigns，including submarine and torpedo，surface ship，sonar and acoustic countermeasure equipments.The system can initialize parameter of the entities in each side，weapon scheme of the ship visual and simulate the whole process with the torpedo trajectory of underwater defense.Through typical state derivation，building state data and recording the data，which can be used to replay.Based on the sonar equation the information and state are displayed，combining the Monte-Carlo method，which can be used to effectiveness evaluation.

underwater acoustic warfare，deduction，effectiveness evaluation

TP391.9

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.023

Class Number TP391.9

2017年4月10日，

2017年5月30日

齊正云，女，碩士，工程師，研究方向：水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真研究。褚福照，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：陣列信號(hào)處理及水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真。