懸停狀態(tài)下的潛艇攻擊方式分析

管 飛，汪高武，楊 光

（中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

潛艇作為主宰水下戰(zhàn)場的主要武器，以其隱蔽攻擊的突出優(yōu)點(diǎn)成為水面艦艇和目標(biāo)潛艇的主要威脅。潛艇的輻射噪聲是被動(dòng)聲納探測、跟蹤的信號(hào)，其聲源級(jí)大小直接影響著被動(dòng)聲納的作用距離和自身的隱蔽程度。當(dāng)潛艇的航速增加時(shí)，輻射噪聲級(jí)明顯增大。在沒有實(shí)際測量數(shù)據(jù)時(shí)，潛艇的輻射噪聲級(jí)隨航速的變化關(guān)系通常用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠斫疲鐖D1所示。

圖1 現(xiàn)有模型對(duì)應(yīng)的噪聲變化仿真曲線

從圖1中可以看出，當(dāng)潛艇靜止懸停時(shí)，潛艇輻射噪聲最小，隨著航速的增加潛艇的輻射噪聲會(huì)明顯增加，從而使?jié)撏У碾[蔽性降低。

因此，懸停對(duì)于潛艇是一種極具戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價(jià)值的操縱措施，可用于伏擊或者規(guī)避等動(dòng)作（配合相應(yīng)的深度變化），它能有效地降低潛艇的自噪聲和輻射噪聲，可使本艇先敵發(fā)現(xiàn)，先敵攻擊。因此，研究潛艇懸停狀態(tài)下的隱蔽攻擊方式將具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義。

1 懸停狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)航向的求解

純方位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算在求解過程中，本艇必須進(jìn)行有效機(jī)動(dòng)，否則目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素?zé)o解。但是若本艇一直保持勻速直航，則可求解出目標(biāo)的相對(duì)航向，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，若本艇一直保持懸停，則可求解出目標(biāo)的絕對(duì)航向。

假設(shè)潛艇懸停在位置點(diǎn)O上，對(duì)目標(biāo)T分別在t0、t1、t2和tj時(shí)刻進(jìn)行的方位量測分別為B0、B1、B2和Bj，如圖2所示。

圖2 懸停狀態(tài)下的敵我態(tài)勢圖

建立量測方程：

當(dāng)狀態(tài)為 (D0,Vx,Vy)時(shí)，此系統(tǒng)是不可觀測的，而當(dāng)狀態(tài)設(shè)為時(shí)，此系統(tǒng)可觀測，從而可以求出目標(biāo)航向。可以得出，當(dāng)潛艇懸停時(shí)，任意輸入目標(biāo)的距離要素（或速度要素），均可求出目標(biāo)的航向，而條件則是：目標(biāo)的方位變化率不為零，即。

雖然潛艇懸停時(shí)只能求出目標(biāo)的航向，但是這對(duì)艇長認(rèn)清當(dāng)前當(dāng)前態(tài)勢有著非常重要的作用。首先，艇長可根據(jù)目標(biāo)航向和方位等信息確定射擊陣位，從而進(jìn)行機(jī)動(dòng)占位；其次，在使用尾流線導(dǎo)魚雷攻擊時(shí)，若已知目標(biāo)的航向，則對(duì)魚雷的入尾流角有著很好的預(yù)判作用，從而提高魚雷的命中概率。

2 占位機(jī)動(dòng)后目標(biāo)速度與距離的求解

當(dāng)潛艇懸停時(shí)，求出了目標(biāo)的航向后，潛艇可以進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)動(dòng)，并在機(jī)動(dòng)后的航行段上對(duì)目標(biāo)的速度和距離進(jìn)行求解。為了選取合適的目標(biāo)機(jī)動(dòng)航向，首先對(duì)潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度特性進(jìn)行分析。

潛艇目標(biāo)強(qiáng)度描述了潛艇對(duì)于聲波的反射能力。若目標(biāo)的主動(dòng)聲納正常開啟，則聲納脈沖信號(hào)的入射方向和潛艇艇體的夾角會(huì)影響回波信號(hào)的強(qiáng)度。因此，潛艇機(jī)動(dòng)的航向會(huì)直接影響主動(dòng)聲納脈沖的入射角度和目標(biāo)的回波強(qiáng)度。表1為某潛艇在不同我舷角時(shí)的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度。

表1 某潛艇在不同我舷角時(shí)的潛艇目標(biāo)強(qiáng)度

由表1可以看出，潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度和入射聲波的舷角有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)出蝴蝶形狀（如圖3）。

圖3 潛艇目標(biāo)強(qiáng)度沿方位角變化的“蝴蝶形”分布圖

因此，潛艇在進(jìn)行占位機(jī)動(dòng)時(shí)，為了能盡量避免被目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，潛艇的機(jī)動(dòng)航向應(yīng)盡量對(duì)著目標(biāo)的主動(dòng)聲納方位，這樣可使在敵方位上本艇的輻射噪聲和發(fā)射強(qiáng)度比正橫方向上降低 10dB以上，使得目標(biāo)聲納探測距離減小一半左右。而速度則視當(dāng)前態(tài)勢情況采取4-8 kn范圍均可。

3 仿真計(jì)算

1）懸停狀態(tài)下目標(biāo)航向的仿真計(jì)算

在仿真計(jì)算時(shí)，聲納、導(dǎo)航均采樣間隔為1s，仿真態(tài)勢取目標(biāo)初距D0={12,19,29}(km)，目標(biāo)速度Vm={ 10,18,24}(kn)，目標(biāo)舷角Qm={6°,36°,66°}，方位誤差，導(dǎo)航誤差精度指標(biāo)?。海☉彝r(shí)只判斷目標(biāo)航向是否收斂）。其仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

當(dāng)無量測誤差噪聲時(shí)，任意給定目標(biāo)距離或速度，求解的目標(biāo)航向無誤差，從而驗(yàn)證了懸停狀態(tài)下求解目標(biāo)航向原理的正確性。當(dāng)有量測誤差時(shí)，從仿真結(jié)果可以看出，在給定的精度指標(biāo)條件下，27個(gè)態(tài)勢的航向平均收斂率為 100%，平均收斂時(shí)間為4.1min，航向平均收斂精度為 1.9°。對(duì)于近距離小舷角態(tài)勢下，目標(biāo)航向的求解效果較好，在遠(yuǎn)距離大舷角態(tài)勢下，目標(biāo)航向的求解效果較差。

表2 懸停狀態(tài)下目標(biāo)航向的仿真計(jì)算結(jié)果

2）占位機(jī)動(dòng)后目標(biāo)速度與距離的仿真計(jì)算

仿真態(tài)勢和方位導(dǎo)航誤差特征與懸停時(shí)航向求解情況相同，懸停時(shí)間為5min，5min后本艇進(jìn)行機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)后本艇速度Vw=8 kn，本艇航向Cw=β0?20°（通過仿真計(jì)算，此航向?qū)δ繕?biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算效果比較有利），算法輸入所采用的目標(biāo)航向誤差為σC=1.5°。仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 占位機(jī)動(dòng)后目標(biāo)速度與距離的仿真計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，在給定的精度指標(biāo)條件下，27個(gè)態(tài)勢的航向平均收斂率為 94.8%，平均收斂時(shí)間為8.48min（其中包括了懸停的時(shí)間 5min），距離平均收斂精度為5.03%，速度平均收斂精度為1.08kn，只是對(duì)于其中部分態(tài)勢，尤其是遠(yuǎn)距離小舷角態(tài)勢的求解效果較差。

4 結(jié)束語

本艇懸停時(shí)，可以利用目標(biāo)方位信息對(duì)目標(biāo)的航向進(jìn)行求解，這將對(duì)認(rèn)清態(tài)勢和先發(fā)制人非常關(guān)鍵。尤其是在使用尾流線導(dǎo)雷攻擊時(shí)，可經(jīng)常采用這種懸停攻擊方式，因?yàn)槔脩彝r(shí)求解出的目標(biāo)航向，可以對(duì)尾流線導(dǎo)魚雷的入尾流角有著很好的預(yù)判和改進(jìn)作用，從而提高尾流線導(dǎo)魚雷的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率。但若想使用自導(dǎo)魚雷攻擊目標(biāo)，則需要目標(biāo)完整的運(yùn)動(dòng)要素（航向、速度、距離），這就要求潛艇在懸停時(shí)目標(biāo)航向求解完成后，進(jìn)行相應(yīng)的占位機(jī)動(dòng)，（考慮本艇的輻射噪聲和解算效果，本艇航向一般比當(dāng)前方位落后20°，本艇速度可采用4-8kn），并在機(jī)動(dòng)后直航段上利用目標(biāo)航向和方位信息繼續(xù)求解目標(biāo)的距離和速度，從而利用求解出的完整的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素來控制自導(dǎo)魚雷的發(fā)射，提高魚雷的命中概率。

[1]劉伯勝,等.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1989.

[2]陳谷澤,等.潛艇最小噪聲操縱方案研究[J].潛艇學(xué)術(shù)研究,2000(4).

[3]佘遠(yuǎn)高,等.潛艇水下懸停操縱與戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用[J].潛艇學(xué)術(shù)研究,2000.

[4]董志榮.艦艇指控系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[5]IEEE Trans Acoustic Speech Signal Processing,Vol36,No.8.Aug.1988:1193-1199.

[6]K.Beeker,“Simple linear theory approach to TMA observability”,IEEE Transaction on Aerospace and Electronies Systems,Vol.AES-29,Apr.1993,575-578.