朱 峰, 劉松海, 蘇 軍

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一種火箭助飛魚雷攻潛末彈道被動定位方法

朱 峰, 劉松海, 蘇 軍

(中國人民解放軍 91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

為了有效測量火箭助飛魚雷攻擊潛艇的末彈道軌跡, 文中提出了一種基于艇載舷側(cè)陣的被動定位方法, 介紹了測量系統(tǒng)的組成和功能, 提出了目標的被動定位算法, 并在測量區(qū)域內(nèi)對誤差進行仿真, 得到絕對誤差和相對誤差分布圖。仿真結(jié)果表明, 在測角誤差最大為0.3°的條件下, 采用該方法, 在艇正橫±60°, 距離目標65 m區(qū)域內(nèi), 能達到1%斜距的測量精度。文中研究可為末彈道被動測量系統(tǒng)的總體設(shè)計及測量數(shù)據(jù)處理提供參考。

火箭助飛魚雷; 末彈道; 被動定位

引言

在魚雷定型試驗中, 常常采用末彈道設(shè)備對魚雷攻潛末端軌跡及命中角進行測量[1-2]。以往的末彈道設(shè)備為主動測量系統(tǒng), 即在魚雷上加裝合作信標(即3D段)[3], 在潛艇兩側(cè)加裝接收陣元,采用非線性解法[4]對目標進行測量。

隨著魚雷技術(shù)的發(fā)展, 魚雷的發(fā)射方式除了傳統(tǒng)的水面艦發(fā)射和直升機空投外, 還增加了火箭助飛方式[5]?；鸺w發(fā)射方式對魚雷的長度、質(zhì)量和重心等都有嚴格的要求, 在魚雷上加裝3D段已不具備可操性。為考核該種發(fā)射方式下魚雷攻擊潛艇的性能, 需研究新的被動定位方式。文中主要研究利用魚雷航行噪聲測量魚雷攻潛末彈道的方法, 給出艇載測量系統(tǒng)組成和定位算法, 以及定位精度的分析仿真。

1 艇載測量系統(tǒng)設(shè)計

在艇載被動測量系統(tǒng)中, 傳統(tǒng)的方法是三元陣被動測距法(時差法)[6-7], 這種方法一般假定目標在遠場, 且接收的聲波近似為平面波。但在魚雷攻擊潛艇過程中, 魚雷距離目標潛艇越來越近(百米量級), 此時魚雷輻射噪聲到達3個陣的相關(guān)性因蝴蝶形指向性已大大減弱, 不適合再采用寬帶互相關(guān)進行時延差測量。近年來, 隨著線列陣技術(shù)的發(fā)展, 可采用聚焦波束形成、分裂波束形成等方法實現(xiàn)目標近距離高精度測向[8-9]。測量系統(tǒng)通過線列陣測得目標方位的信息, 2個方位交匯即可得到目標的距離及相對軌跡[10]。

該系統(tǒng)在艇外需安裝4個測量子陣和2個標校聲源。4個測量子陣分別位于艇左右兩舷, 間距50 m, 用于接收魚雷輻射噪聲。每個測量子陣內(nèi)包含16個接收水聽器, 每個水聽器間隔0.05 m,子陣總長約1 m, 測量子陣內(nèi)構(gòu)造如圖1所示, 黑色部分為接收水聽器。2個標校聲源位于艦橋前后5 m, 用于對子陣相對位置進行校對。安裝示意圖如圖2所示。在考核魚雷攻擊潛艇性能試驗中, 魚雷和潛艇一般航行在不同的深度, 以確保試驗安全。當魚雷從潛艇下方通過時, 為減少測量系統(tǒng)的測量盲區(qū), 基陣的安裝位置可選擇舷側(cè)的排水孔等位置。

信號處理系統(tǒng)(見圖3)分為艙外信號處理機和艙內(nèi)信號處理機。艙外信號處理機通過光纖復合纜接收測量子陣測得的信號, 并對信號做濾波、放大、整合處理。信號經(jīng)一條穿艙光纖復合纜傳輸?shù)脚搩?nèi)信號處理機。艙內(nèi)信號處理機完成常規(guī)波束形成、分裂波束形成、定位解算等信號處理算法, 并將處理結(jié)果傳輸?shù)骄C合顯控系統(tǒng)做實時分析。

2 定位算法

該系統(tǒng)采用方位法被動測距原理進行目標距離測量。方位法利用間距相當長的2個子陣進行距離測量, 子陣本身具有一定的指向性, 可獲得好的空間處理增益。方位法被動測距原理示意圖如圖4所示。

求得目標距離后, 可進一步根據(jù)幾何關(guān)系求出目標在潛艇坐標系下的坐標為

3 定位誤差仿真分析

3.1 仿真模型建立

潛艇位于測量區(qū)域中心位置, 潛艇正橫方向與=0直線重合, 艇首艇尾方向與=0直線重合, 目標位于以潛艇為中心±150 m的測量區(qū)域內(nèi)。仿真態(tài)勢如圖5所示。輻射噪聲滿足遠場條件時, 單個測量子陣通過波束形成算法直接得到目標的角度信息, 2個測量子陣通過式(2)和式(3)可以得到目標位置。

3.2 遠場條件判斷

在水聲學中滿足遠場通常需滿足2個條件: 1) 大于信號的10倍波長; 2) 大于聲源尺寸的10倍。

該系統(tǒng)接收帶寬為2~15 k, 取最大波長, 當滿足遠場條件時, 距離需大于7.5 m。目標螺旋槳尺寸約為0.5 m, 當滿足遠場條件時, 距離需大于5 m。綜上所述, 當目標距測量子陣距離大于7.5 m時即滿足遠場條件, 不滿足遠場條件的測量點視為無效。

3.3 定位誤差仿真

由式(2)和式(3)可以得出, 影響定位精度的主要因素包括姿態(tài)測量誤差、方位角測量誤差和子陣距離誤差?？紤]到魚雷攻潛試驗中, 潛艇一般采用定深且固定航向方式航行, 因此文中不討論姿態(tài)測量誤差帶來的影響。

假設(shè)子陣距離最大誤差0.05 m, 測向精度0.3o。在潛艇中心±150 m的測量區(qū)域內(nèi), 每隔2 m取分析點, 以均勻分布仿真30 000次取平均。則距潛艇150 m以內(nèi)的測距精度分布如圖6和圖7所示。圖中以顏色的深淺表示誤差大小, 顏色越深, 誤差越大, 顏色越淺, 誤差越小。

由圖6可以看出, 在艇正橫±60o、140 m區(qū)域內(nèi), 絕對誤差小于3 m; 在艇正橫±60o、85 m區(qū)域內(nèi), 絕對誤差小于1 m。

由圖7可以看出, 在艇正橫±60o、150 m區(qū)域內(nèi), 能達到3%斜距的測量精度; 在艇正橫±60o、65 m橢圓形區(qū)域內(nèi), 能達到1%斜距的測量精度。

4 結(jié)束語

文中介紹了艇載末彈道被動測量系統(tǒng)的組成及定位算法, 并對距艇±150 m的區(qū)域內(nèi)進行誤差仿真。由仿真的絕對誤差、相對誤差分布圖可以看出, 在艇正橫±60o、150 m區(qū)域內(nèi), 能達到3%斜距的測量精度; 在艇正橫±60o、65 m區(qū)域內(nèi), 能達到1%斜距的測量精度。提高測向精度是提高該系統(tǒng)測量精度的研究方向。文中討論的方法可為末彈道被動測量系統(tǒng)的總體設(shè)計及測量數(shù)據(jù)處理提供參考。

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(責任編輯: 許 妍)

A Passive Positioning Method of Attacking Submarine Terminal Trajectory of Rocket-assisted Torpedo

ZHU Feng, LIU Song-hai, SU Jun

(91388thUnit, the People￠s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To effectively measure the terminal trajectory of a rocket-assisted torpedo attacking submarine, a passive positioning method based on the broadside array of submarine is presented. The composition and function of the measurement system are introduced, the target passive positioning algorithm is proposed, and the error in the measurement area is simulate to obtain the absolute and relative errors distribution map. Simulation shows that under the maximum angle measurement error of 0.3°, the measuring accuracy reaches 1% oblique distance in the range of submarine transverse angle ± 60° and in the area of target distance 65 m. This method may provide a reference for the overall design and measurement data processing of the passive terminal trajectory measurement system.

rocket-assisted torpedo; terminal trajectory; passive positioning

TJ630.2; TB566

A

2096-3920(2018)01-0085-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.014

朱峰, 劉松海, 蘇軍. 一種火箭助飛魚雷攻潛末彈道被動定位方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(1): 85-88.

2017-07-18;

2017-09-03.

朱 峰(1993-), 男, 助理工程師, 主要研究方向為水聲測控.