呂 熒,王洋洋

(1. 海裝廣州局,廣東廣州 510000 2. 江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇連云港 222061)

在未來可能發(fā)生的海上戰(zhàn)爭(zhēng)中,水面艦艇編隊(duì)將成為海軍執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的重要打擊力量。由于潛艇的隱蔽性和海洋環(huán)境條件的復(fù)雜性,敵潛艇將成為艦艇編隊(duì)最大的威脅,反潛戰(zhàn)將貫穿于戰(zhàn)爭(zhēng)的全過程[1-3]。因此將編隊(duì)內(nèi)各反潛平臺(tái)和反潛武器綜合為一體,協(xié)同多個(gè)平臺(tái)上的多種水聲傳感器搜索敵潛艇、協(xié)同多種反潛武器對(duì)敵潛艇進(jìn)行攻擊,才能滿足艦艇編隊(duì)的安全需要[4-5]。

反潛魚雷作為目前最為重要的反潛武器,廣泛部署于多型艦艇、潛艇、反潛直升機(jī)上,包括管裝魚雷、助飛魚雷、空投魚雷等。新能源和新技術(shù)的發(fā)展雖明顯改善了魚雷的性能,但是攻潛效果并非令人滿意,主要體現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)概率低上。發(fā)現(xiàn)概率低一是因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致水聲傳感器的探測(cè)誤差較大,二是因?yàn)楝F(xiàn)在的攻潛形式多為單平臺(tái)單武器攻擊,很難達(dá)到一擊制勝的效果。更重要的是,現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以分析發(fā)射魚雷時(shí)的噪聲聲譜,在接收到特征信號(hào)時(shí)潛艇目標(biāo)發(fā)生了臨時(shí)機(jī)動(dòng),這就導(dǎo)致了更低的發(fā)現(xiàn)概率。

本文結(jié)合水聲換能器探測(cè)誤差以及潛艇自身機(jī)動(dòng)性,分析各型反潛魚雷的搜索特性,基于發(fā)現(xiàn)概率建立多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型[6],并以多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型為核心引出多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控的概念。

1 多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型建立

1.1 換能器探測(cè)誤差與潛艇機(jī)動(dòng)性分析

艦艇等裝備的水聲換能器包括艦殼聲吶、拖曳聲吶等,聲吶的性能各有不同但都有探測(cè)誤差,未來的戰(zhàn)場(chǎng)中將通過多個(gè)平臺(tái)的目標(biāo)信息融合實(shí)現(xiàn)探測(cè)精度的提高,探測(cè)能力最終也將體現(xiàn)在測(cè)向和測(cè)距誤差上。如圖1所示,α為測(cè)向誤差,Δ為測(cè)距誤差,此處暫不考慮誤差的二階原點(diǎn)距分布。當(dāng)α很小時(shí),兩條測(cè)向誤差線和測(cè)距誤差線近似平行,因此,目標(biāo)存在區(qū)域近似為一個(gè)長(zhǎng)方形,寬a和長(zhǎng)b可由探測(cè)距離D結(jié)合測(cè)向誤差、測(cè)距誤差計(jì)算得出,如圖2,因此目標(biāo)存在區(qū)域的面積為

(1)

由于現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)可以分析發(fā)射魚雷時(shí)的噪聲聲譜,目標(biāo)在接收到特征信號(hào)時(shí)將發(fā)生臨時(shí)機(jī)動(dòng),這種機(jī)動(dòng)將有利于躲避來襲魚雷,但存在方向、速度的任意性。不論是管裝魚雷還是助飛魚雷都將在行進(jìn)過程中消耗時(shí)間,這就使得目標(biāo)的存在范圍在探測(cè)誤差長(zhǎng)方形的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大,形成一個(gè)圓角半徑為r的圓角矩形,如圖2,其中M′為發(fā)射時(shí)刻目標(biāo)探測(cè)點(diǎn),C為目標(biāo)解算航向,M點(diǎn)為目標(biāo)真實(shí)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)機(jī)動(dòng),圓角半徑r可根據(jù)魚雷行進(jìn)時(shí)間計(jì)算得出,假定魚雷航行速度為v,潛艇速度為v潛,則r=v潛D/V。目標(biāo)存在區(qū)域的面積拓展為

S目標(biāo)=πr2+a·b+2(a+b)·r=πr2+

(2)

圖1 換能器探測(cè)誤差示意圖

圖2 目標(biāo)存在圓角矩形區(qū)域

1.2 管裝魚雷搜索特性建模

對(duì)于近距離的目標(biāo)一般采用管裝魚雷進(jìn)行打擊,管裝魚雷在行進(jìn)至設(shè)定位置轉(zhuǎn)角之后開啟自導(dǎo)裝置進(jìn)入直航搜索階段,一旦目標(biāo)進(jìn)入搜索扇面即能發(fā)現(xiàn)、跟蹤并追擊目標(biāo)。當(dāng)進(jìn)入目標(biāo)存在區(qū)域,管裝魚雷的搜索覆蓋面為搜索扇面掃過的長(zhǎng)矩形,如圖3所示,矩形寬d由搜索扇面開角和作用距離可以求出,即d=2m·sinθ,切入目標(biāo)存在區(qū)域的位置點(diǎn)和航行方向成為影響覆蓋面積的關(guān)鍵,本文中不考慮魚雷的航行誤差。管裝魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率可表示為

(3)

圖3 管裝魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率示意圖

圖4 助飛魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率示意圖

1.3 助飛魚雷搜索特性建模

對(duì)于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)采用助飛魚雷進(jìn)行打擊,助飛魚雷在入水后進(jìn)行設(shè)定方式的自導(dǎo)搜索,一旦目標(biāo)進(jìn)入搜索扇面即能發(fā)現(xiàn)、跟蹤并追擊目標(biāo),本文假定助飛魚雷入水后進(jìn)行360°環(huán)搜,搜索扇面形成一個(gè)半徑為R的圓,即S助=πR2。如圖4所示,助飛魚雷的入水點(diǎn)成為影響覆蓋面積的關(guān)鍵因素?？胀遏~雷與助飛魚雷相似,助飛魚雷搜索發(fā)現(xiàn)概率可表示為

(4)

1.4 多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型

根據(jù)上述兩型魚雷的發(fā)現(xiàn)概率建模可以發(fā)現(xiàn),單枚魚雷的發(fā)現(xiàn)概率低,很難滿足作戰(zhàn)需求,需要集合多平臺(tái)多種反潛魚雷對(duì)潛施行火力覆蓋,方能達(dá)到較高的發(fā)現(xiàn)概率,這也恰好是未來戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)需求。但是,對(duì)潛的火力覆蓋與反艦的火力覆蓋相差甚多。一方面是因?yàn)轸~雷本身價(jià)格昂貴無法像炮彈密集發(fā)射；另一方面是反潛魚雷的自導(dǎo)裝置間將會(huì)產(chǎn)生聲信號(hào)干擾,出現(xiàn)生成虛假目標(biāo)和形成魚雷間互導(dǎo)的嚴(yán)重現(xiàn)象,無法完成作戰(zhàn)任務(wù)。

多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型建立在反潛魚雷同時(shí)到達(dá)目標(biāo)圓角矩形上,結(jié)合多平臺(tái)反潛魚雷資源,避免各型魚雷間的聲信號(hào)干擾,通過遺傳算法將魚雷搜索區(qū)域合理分布在目標(biāo)圓角矩形上,實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)概率最大化,如圖5所示,i、j分別為發(fā)射管裝和助飛魚雷的枚數(shù),此時(shí)的發(fā)現(xiàn)概率為

(5)

圖5 多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型示意圖

2 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

在一場(chǎng)反潛戰(zhàn)中,我方艦艇A探測(cè)發(fā)現(xiàn)約D1=8 km處有敵潛艇信號(hào)出現(xiàn),此時(shí)艦艇B距離目標(biāo)約D2=20 km,艦艇A傳感器探測(cè)誤差為測(cè)距誤差Δ=5%D,側(cè)向誤差α=5°。假定管裝魚雷速度為50 kn,自導(dǎo)搜索扇面開角為θ=60°,搜索距離為1 km,助飛魚雷的飛行速度為200 m/s,入水搜索面半徑為1 km,如圖6所示。

圖6 典型仿真態(tài)勢(shì)示意圖

分別對(duì)管裝魚雷、助飛魚雷、管裝魚雷+助飛魚雷(不考慮信號(hào)干擾及多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型)以及管裝魚雷+助飛魚雷(考慮多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型)的最大發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各型魚雷發(fā)現(xiàn)概率

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),考慮多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型的搜潛發(fā)現(xiàn)概率明顯高于不考慮多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型的搜潛發(fā)現(xiàn)概率,在現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)中,多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型的優(yōu)勢(shì)將更加明顯,不但排除了互擾現(xiàn)象的發(fā)生,更是把目標(biāo)所能容身之所全面活力覆蓋,使得反潛魚雷的總的發(fā)現(xiàn)概率近乎100%。

2.1 圓角矩形r的選取

目標(biāo)存在圓角矩形的圓角半徑r的取值與反潛魚雷到達(dá)目標(biāo)探測(cè)點(diǎn)的時(shí)間T正相關(guān)。對(duì)于管裝魚雷來說,航行時(shí)間即為魚雷入水后航行至探測(cè)點(diǎn)的時(shí)間,對(duì)于助飛魚雷來說,航行時(shí)間即為魚雷發(fā)射后飛行至落水點(diǎn)的時(shí)間。當(dāng)多平臺(tái)協(xié)同發(fā)射多型反潛魚雷時(shí),根據(jù)各平臺(tái)距目標(biāo)點(diǎn)距離以及使用魚雷類型,求取i枚魚雷的航行時(shí)間Ti,比較并提取出最小的航行時(shí)間,作為計(jì)算圓角半徑r的輸入，即

r∝min{T1,T2,T3…Ti}

(6)

2.2 魚雷覆蓋面積的修正

多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型旨在避免各型魚雷間的互擾并最大化發(fā)現(xiàn)概率,在現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)中,魚雷的搜索方式可由人為進(jìn)行控制,特別是助飛魚雷,發(fā)射前可設(shè)置入水搜索方式,航行過程中可進(jìn)行指令修正。通過搜索方式設(shè)定以及魚雷路徑預(yù)先推演,可以允許反潛魚雷搜索面進(jìn)行覆蓋,只需滿足魚雷自導(dǎo)扇面之間不發(fā)生交疊。搜索面積的覆蓋不會(huì)降低發(fā)現(xiàn)概率,反而會(huì)增大發(fā)現(xiàn)概率,如圖7,S重疊可由魚雷路徑預(yù)先推演得出,此時(shí)的發(fā)現(xiàn)概率為

(7)

圖7 覆蓋面積修正對(duì)比圖

3 多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控

為了適應(yīng)協(xié)同反潛作戰(zhàn)的需求,必須將戰(zhàn)場(chǎng)上廣泛分布的反潛火控系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)融合,使之具備協(xié)同對(duì)潛火力打擊能力。多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控是為支持分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)這種新的作戰(zhàn)樣式而誕生的一種新型火控系統(tǒng)形式,對(duì)現(xiàn)役反潛魚雷火控系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息與火控信息的共享和及時(shí)準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)與控制,形成強(qiáng)大的火力層面的互操作能力,有效支持協(xié)同反潛火力打擊。

多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控在交戰(zhàn)前即做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作,將參戰(zhàn)各平臺(tái)傳感器及魚雷性能參數(shù)集中設(shè)定到系統(tǒng)中,成為火控解算的已知參數(shù)。在協(xié)同反潛作戰(zhàn)中,火控系統(tǒng)接收綜合態(tài)勢(shì),一旦某個(gè)平臺(tái)傳感器探測(cè)到敵潛艇目標(biāo),即將目標(biāo)信息實(shí)時(shí)共享。火控系統(tǒng)接收目標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)平臺(tái)占位確定反潛作戰(zhàn)平臺(tái)及反潛魚雷類型,計(jì)算目標(biāo)存在圓角矩形區(qū),并根據(jù)火力覆蓋模型進(jìn)行解算,將反潛魚雷射擊諸元輸出各對(duì)應(yīng)反潛平臺(tái),反潛平臺(tái)按照指令進(jìn)行機(jī)動(dòng)和武器發(fā)射,完成反潛作戰(zhàn),流程如圖8。

與常規(guī)反潛流程不同的是,多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控減少了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算的模塊,解算基于目標(biāo)的當(dāng)前點(diǎn)數(shù)據(jù),這是因?yàn)樵谟?jì)算圓角矩形參數(shù)時(shí)已將傳感器的探測(cè)誤差區(qū)域完全覆蓋。減少了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算模塊大大縮短了攻潛武器射擊諸元的時(shí)間,可以達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊、先機(jī)制敵的效果。

圖8 多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控作戰(zhàn)流程圖

4 結(jié)束語

本文討論了各型反潛魚雷的搜索特性,在分析了目標(biāo)潛艇可能存在的圓角矩形后基于發(fā)現(xiàn)概率建立多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型,該模型避免了反潛魚雷間的聲信號(hào)干擾,通過將反潛魚雷搜索覆蓋能力合理分布在目標(biāo)威脅區(qū)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)概率最優(yōu)化。通過典型態(tài)勢(shì)仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該模型在對(duì)潛發(fā)現(xiàn)概率上具有明顯優(yōu)勢(shì),并對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)分析和優(yōu)化。最后以多平臺(tái)反潛魚雷火力覆蓋模型為核心引出多平臺(tái)反潛魚雷協(xié)同火控的概念,為協(xié)同反潛作戰(zhàn)提供了理論支持。