黎 陽，費(fèi)志剛，陳寶柱

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助飛式水聲對抗器材落點(diǎn)測量方法及誤差分析

黎 陽，費(fèi)志剛，陳寶柱

（91388部隊(duì)92分隊(duì)，廣東湛江 524022）

助飛式水聲對抗器材落點(diǎn)精度海上試驗(yàn)因海況、測量手段等因素限制一直是試驗(yàn)的重難點(diǎn)問題。本文從分析助飛式水聲對抗器材基本工作原理和其落點(diǎn)精度影響因素入手，即光學(xué)定位法、水聲定位法、人工定位法和遙測定位法四種落點(diǎn)精度海上試驗(yàn)的測量方法。對四種測量方法的優(yōu)勢、劣勢進(jìn)行了對比分析，提出了一種基于Matlab軟件的數(shù)據(jù)處理方法，并對測量結(jié)果的誤差進(jìn)行了對比分析，綜合提出了根據(jù)海上試驗(yàn)環(huán)境條件和測量保障條件進(jìn)行海上試驗(yàn)的優(yōu)選原則。

助飛式水聲對抗器材 落點(diǎn) 測量方法 誤差

0 前言

助飛式水聲對抗器材（以下簡稱助飛器材）具有發(fā)射距離遠(yuǎn)、布放迅速，有利于迅速形成多層次、多手段的對抗配置等優(yōu)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著未來海戰(zhàn)中對抗來襲魚雷攻擊的使命任務(wù)，助飛器材落點(diǎn)精度是其關(guān)鍵指標(biāo)，影響到整個對抗態(tài)勢是否能有效達(dá)成，直接導(dǎo)致水下對抗的成敗。助飛器材具有體積小、速度快、散布大等特點(diǎn)，在單機(jī)試驗(yàn)時可在陸上靶場進(jìn)行飛行試驗(yàn)，準(zhǔn)確測量其落點(diǎn)位置，計(jì)算落點(diǎn)精度。助飛器材裝艦后由于受發(fā)射裝置誤差、海上實(shí)際作戰(zhàn)條件等因素影響，其誤差與單機(jī)誤差相比有較大不同。在大型水面艦定型試驗(yàn)時需在海上測量其落點(diǎn)位置，由于受海況、發(fā)射時機(jī)、發(fā)射參數(shù)、測量手段等因素影響，助飛器材落點(diǎn)定位問題一直是試驗(yàn)的難點(diǎn)問題。通過分析助飛器材落點(diǎn)精度影響因素，提出其試驗(yàn)方法和誤差估計(jì)，優(yōu)選試驗(yàn)方案，對于科學(xué)考核大型水面艦助飛器材落點(diǎn)精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 落點(diǎn)精度影響因素分析

助飛器材基本的工作原理是在點(diǎn)火發(fā)射后，到達(dá)預(yù)定的時間進(jìn)行分離，聲學(xué)分機(jī)入水后發(fā)聲工作，對魚雷進(jìn)行干擾和誘騙，其飛行彈道如圖1所示。分析助飛器材發(fā)射過程，聲學(xué)分機(jī)入水點(diǎn)的精度主要受以下因素影響。

圖1 助飛器材飛行彈道示意圖

1）發(fā)射參數(shù)計(jì)算影響。發(fā)射裝置收到發(fā)射命令后計(jì)算并裝訂發(fā)射參數(shù)，發(fā)射參數(shù)計(jì)算是否正確、發(fā)射裝置機(jī)械精度直接決定了助飛器材落點(diǎn)精度。

2）助飛器材自身的落點(diǎn)精度影響。助飛器材分離時間、降落傘大小等自身因素引起的誤差也將帶入最終的落點(diǎn)精度。

3）發(fā)射艦的航速影響。發(fā)射艦航速越高，因慣性影響助飛器材發(fā)射后偏差越大?？梢酝ㄟ^仿真計(jì)算對誤差進(jìn)行估計(jì)，在發(fā)射裝置設(shè)計(jì)時可根據(jù)發(fā)射時航速通過發(fā)射參數(shù)自動調(diào)整修正該誤差。

4）發(fā)射艦的縱橫搖的影響。受海況影響，發(fā)射時發(fā)射艦的縱橫搖將直接影響助飛器材是否按照預(yù)定的方向出管飛行，該因素影響可以通過發(fā)射裝置自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行修正。

5）海區(qū)風(fēng)速、流速等環(huán)境影響。助飛器材在下降過程中受風(fēng)速的影響會產(chǎn)生偏移，助飛器材入水后也會隨著海流產(chǎn)生漂移。

6）測量設(shè)備測量誤差影響。使用光測、遙測水聲測量等手段可對助飛器材入水點(diǎn)進(jìn)行定位，但視測量手段的不同測量結(jié)果也會帶來相應(yīng)的誤差。

以上助飛器材落點(diǎn)精度的影響因素中，除e和f是由于測量過程中測量設(shè)備或人為因素帶來的影響，需要對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正外，其他因素均為被試品自身性能或其適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件帶來的誤差，不需要進(jìn)行修正。

2 助飛器材落點(diǎn)測量方法

助飛器材落點(diǎn)精度試驗(yàn)，是為了考核助飛器材發(fā)射后實(shí)際入水點(diǎn)相對于理論入水點(diǎn)的散布是否滿足指標(biāo)要求，理論入水點(diǎn)通過發(fā)射位置進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際入水點(diǎn)定位是本項(xiàng)試驗(yàn)的關(guān)鍵。下面分析幾種常見的助飛器材入水點(diǎn)定位方法。

2.1 光學(xué)定位法

光學(xué)定位法是利用光學(xué)原理對助飛器材進(jìn)行飛行彈道參數(shù)測量、落點(diǎn)圖像記錄等，最后通過對拍攝的圖像進(jìn)行對比判讀進(jìn)行入水點(diǎn)定位，一般采用直升機(jī)、無人機(jī)或輔助船上一個或多個攝像機(jī)對助飛器材入水點(diǎn)進(jìn)行拍攝測量。試驗(yàn)后根據(jù)圖像中海面參考點(diǎn)的位置相對于助飛器材位置計(jì)算助飛器材入水點(diǎn)，或采用多臺攝像機(jī)拍攝交匯計(jì)算助飛器材的飛行彈道，進(jìn)而得到助飛器材的入水點(diǎn)位置。

圖2 光學(xué)定位法示意圖

光學(xué)定位法的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍廣、精度高，測量結(jié)果可視化程度高，便于事后分析判讀；缺點(diǎn)是由于助飛器材目標(biāo)體積較小，當(dāng)海況較差、海上浪花較多時容易造成目標(biāo)判讀困難或判讀錯誤，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)無效。

2.2 水聲定位法

水聲定位法是利用多個水聽器同時監(jiān)聽器材發(fā)射的噪聲而進(jìn)行定位。海上試驗(yàn)前在助飛器材理論入水點(diǎn)區(qū)域水下布放多個水聽器陣，利用助飛器材入水后發(fā)聲工作的特點(diǎn)進(jìn)行測量，當(dāng)三個水聽器陣同時監(jiān)聽到助飛器材發(fā)聲后，可交匯計(jì)算助飛器材入水點(diǎn)位置。

圖3 水聲定位法示意圖

水聲定位法的優(yōu)點(diǎn)是利用助飛器材連續(xù)發(fā)聲來判斷目標(biāo)位置，測量的目標(biāo)準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是測量系統(tǒng)組成復(fù)雜，測量陣布放入水后位置無法調(diào)整，對于無法預(yù)估落點(diǎn)位置的情況無法進(jìn)行測量，同時受水文條件影響大，測量區(qū)域小，測量精度較差。

2.3 人工定位法

人工定位法是待助飛器材入水后，高速快艇從安全區(qū)域迅速航行至助飛器材入水點(diǎn)，GPS對助飛器材入水點(diǎn)進(jìn)行定位。

圖4 人工定位法示意圖

人工定位法由于是人為確定目標(biāo)位置，因此測量的目標(biāo)真實(shí)；但由于試驗(yàn)安全考慮，在助飛器材入水后高速快艇才從安全區(qū)域航行至入水點(diǎn)，存在找不到助飛器材，測不到數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，且由于洋流的影響，測量的誤差也較大，海況較差時還存在高速快艇航行安全的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 遙測定位法

遙測定位法是在助飛器材的彈體上加裝合作信標(biāo)，助飛器材發(fā)射后實(shí)時向試驗(yàn)?zāi)复辖邮赵O(shè)備發(fā)送自身的位置信息，該方法可以計(jì)算出助飛器材的全彈道，其中最后一幀位置信息可作為助飛器材入水點(diǎn)位置。

圖5 遙測定位法示意圖

遙測定位法的優(yōu)點(diǎn)是測量方法方便快捷、精度高，能測量助飛器材的全彈道，便于分析助飛器材是否飛行正常；缺點(diǎn)是需在助飛器材上加裝合作信標(biāo)，可能對助飛器材飛行性能有一定影響，同時助飛器材飛行速度快，且空中有分離動作，可能導(dǎo)致合作信標(biāo)工作不可靠，無法測量有效數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析

助飛器材落點(diǎn)精度試驗(yàn)的目的是測量每一枚助飛器材實(shí)際落點(diǎn)位置與理論落點(diǎn)位置的偏差，與指標(biāo)值進(jìn)行比對，分析其是否達(dá)到要求。測量到器材入水點(diǎn)位置后可按以下方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

作為應(yīng)用廣泛的數(shù)學(xué)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算、圖形顯示和符號運(yùn)算功能，在數(shù)字信號處理方面也開發(fā)了相應(yīng)的工具箱，并應(yīng)用在水聲信號處理中。

本艦運(yùn)動要素、本艦發(fā)射位置、器材入水位置為輸入數(shù)據(jù)，軟件中通過極坐標(biāo)畫圖函數(shù)生成方位落點(diǎn)圖，如圖6中所示。程序部分關(guān)鍵語句如下：

3.2 誤差分析

誤差分析的目的就是評定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，通過誤差分析，認(rèn)清誤差的來源及其影響，并設(shè)法消除或減小誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的精確性。下面對四種測量方法的誤差進(jìn)行對比分析。

1）光學(xué)定位法

光學(xué)定位法測量誤差主要是由圖像判讀誤差和大地坐標(biāo)定位誤差引起。其中圖像判讀誤差是主要誤差源，受圖像分辨率影響誤差一般可達(dá)到10米以內(nèi)。

2）水聲定位法

水聲定位法測量誤差主要是由水聽器陣大地坐標(biāo)定位誤差、水聽器陣接收靈敏度、海洋環(huán)境的干擾噪聲等因素引起，綜合測量誤差一般可達(dá)到100米以內(nèi)。

3）人工定位法

人工定位法的誤差主要由快艇大地坐標(biāo)定位誤差、從器材入水至人工定位期間助飛器材飄移產(chǎn)生的誤差引起。其中飄移的誤差隨人工搜索定位的時間增大而加大，該誤差可根據(jù)試驗(yàn)海區(qū)的流速流向進(jìn)行適當(dāng)修正，綜合測量誤差一般可達(dá)到50米以內(nèi)。

4）遙測定位法

遙測定位法的誤差主要受遙測設(shè)備大地坐標(biāo)定位誤差、接收靈敏度等因素影響，綜合測量誤差一般可達(dá)到10米以內(nèi)。

通過以上誤差對比分析可以看出，在測得入水點(diǎn)位置數(shù)據(jù)為真目標(biāo)的前提下，光測和遙測定位數(shù)據(jù)相比水聲定位和人工定位數(shù)據(jù)誤差小，但是光測和遙測數(shù)據(jù)也存在判讀的目標(biāo)為假目標(biāo)，或在試驗(yàn)中未采集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可能。

由于助飛器材是在入水后通過發(fā)射強(qiáng)噪聲和回波對魚雷進(jìn)行干擾和誘騙，其作用距離遠(yuǎn)，在作戰(zhàn)使用時只要將助飛器材布放在魚雷搜索扇面以內(nèi)即可，因此對助飛器材的落點(diǎn)精度要求不高。以上四種方法均可以滿足試驗(yàn)要求，但又各有局限性。試驗(yàn)時應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)保障條件、試驗(yàn)海區(qū)氣象等因素綜合衡量選擇一種方法進(jìn)行測量，有條件時可同時選擇兩種以上方法同時進(jìn)行測量，當(dāng)兩種以上方法同時測量到助飛器材入水點(diǎn)有效數(shù)據(jù)時，則選擇精度高的一種作為最終試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

助飛器材落點(diǎn)精度是大型水面艦水下防御的重要考核指標(biāo)，其試驗(yàn)方法受試驗(yàn)保障條件制約較大，特別是當(dāng)試驗(yàn)時海況高、能見度較差時，用常規(guī)方法測量其落點(diǎn)位置更為困難，因此在后續(xù)新型助飛器材設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到測量需求，將遙測合作目標(biāo)集成在助飛器材中或研制飛行彈道、物理特性與實(shí)際助飛器材一致的試驗(yàn)用彈，具備自身定位功能，在試驗(yàn)時實(shí)時將自身位置發(fā)送至接收設(shè)備，從根本上解決助飛器材落點(diǎn)測量的難題。

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Placement Measuring Method and Error Analysis of Assisted Flight Underwater Acoustic Confrontation Equipment

Li Yang, Fei Zhigang, Chen Baozhu

(Army Unit 91388, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

TM666.7

A

1003-4862（2019）09-0032-04

2018-08-20

黎陽（1977-），男，工程師。研究方向：水聲對抗裝備試驗(yàn)鑒定。E-mail: baoliang747@126.com