艦艇編隊水聲對抗模型仿真分析*

錢海民 夏志軍 陸強強

(海軍大連艦艇學院1) 大連 116018)(91991部隊2) 舟山 316000)

1 引言

水面艦艇編隊作戰是現代海戰的主要形式,在對抗魚雷攻擊時,編隊通過合理組織編隊內各艦的對抗措施、協調編隊內各艦規避機動,以提高編隊的生存概率。在對抗過程中,多種對抗器材的使用、多艘艦艇的規避,使得編隊水聲對抗組織比較復雜,協調比較困難[4]。通過建立合理、有效的編隊水聲對抗模型,使編隊能夠有效解決這些問題。論文通過對模型進行仿真實驗,分析了某種典型編隊條件下的編隊水聲對抗模型的有效性。

2 編隊水聲對抗仿真模型

2.1 仿真模型背景

仿真模型的編隊隊形由三艘具有水聲對抗能力艦艇組成,呈正三角隊形配置,各艦間距相同。主要的對抗方法有兩種,一是編隊各艦利用純規避方法對抗魚雷攻擊,二是編隊使用助飛式聲誘餌對抗魚雷攻擊。模型仿真過程中,編隊在魚雷報警后,得到魚雷報警舷角、魚雷報警距離,而魚雷實際位置為編隊報警區域附近一個隨機值。魚雷以有利提前角法被引導向編隊,并以被動工作方式探測、搜索,在捕捉到編隊艦艇后,轉為主、被動聯合制導工作方式,攻擊編隊中距離魚雷最近的艦艇。編隊經過決策反應,產生對抗魚雷攻擊方案,經過決策實施時間后,編隊開始規避、誘餌開始工作。

編隊水聲對抗模型包括對抗決策模型、編隊艦艇的規避模型、海洋環境模型、聲傳播模型等。在仿真模型中,還包括目標模型、魚雷自導邏輯、魚雷水聲探測模型等。仿真中,通過統計編隊的生存概率評估編隊水聲對抗的效果。當魚雷航程耗盡,仍未命中編隊中任意艦艇,則編隊單次對抗成功;若魚雷命中編隊中任意艦艇,則編隊單次對抗失敗。每種報警態勢下進行1000次仿真實驗,編隊的生存概率為:

2.2 編隊水聲對抗的決策模型

編隊水聲對抗的決策依據是魚雷報警信息:魚雷報警方位、魚雷報警距離。當編隊可對魚雷進行跟蹤時,根據魚雷的方位、距離信息,編隊可估計出魚雷的航向、航速;當編隊不能跟蹤魚雷時,可認為魚雷是根據有利提前角法被導引向編隊艦艇,因此魚雷航向可根據式(2)、(3)估計值代替[2]:

其中,φ為魚雷攻擊提前角;q為魚雷報警距離,左舷為負,右舷為正為艦艇航向。然后根據魚雷的報警位置,可預測魚雷可能的航跡線,這是編隊各艦進行對抗決策、規避機動的重要依據。

助飛式誘餌的作用是編隊各艦進行規避機動時,引誘魚雷攻擊自身,吸引魚雷注意力,掩護各艦艇規避。使用誘餌對抗魚雷攻擊時,誘餌必須被魚雷捕捉才能起到對抗作用。根據誘餌的射程、回波延遲參數,可確定誘餌起對抗作用需滿足的三個條件[2],如圖1所示:Ⅰ為艦艇可發射范圍,Ⅱ為誘餌時間誘騙區,Ⅲ為魚雷搜索帶。當誘餌處于三個區域的交集內時,即圖中陰影部分,按照及早被發現的原則,選擇誘餌落點。首枚誘餌的落點必須盡量靠近預測的魚雷航跡上,以增加被魚雷發現的概率。

圖1 誘餌可發射區域示意圖

后續誘餌的發射同樣依據誘餌起作用的三個條件,不同的是,模型中假設魚雷航速很快,后續誘餌的落點確定,是以假設魚雷處于前一枚誘餌的位置上,處于丟失狀態為前提的。這樣的假設是合理的,因為艦艇轉向時位移速率的確比直航的魚雷低很多。這樣依次產生后續各枚誘餌的落點,直到沒有符合誘餌起作用的區域為止,即三個區域沒有交集。

助飛式聲誘餌工作過程[5]:誘餌經過飛行段、入水懸浮,加電后立即處于可靠的工作狀態,即可進行噪聲輻射,且一旦收到主動聲納信號可進行重發應答。它只能誘騙魚雷攻擊,不能引爆魚雷或使魚雷失效;而魚雷也不能破壞誘餌的工作或毀傷它,只有在其超過工作壽命時間后才能失去誘騙、干擾能力。

2.3 編隊艦艇規避模型[1]

編隊艦艇的規避也是根據魚雷報警信息產生決策的。根據編隊各艦艦位,編隊各艦可能位于預測魚雷航跡的同一側,也可能位于魚雷預測航跡的異側。魚雷的搜索帶是最具威脅的區域,編隊內處于魚雷搜索的艦艇,應盡快駛離搜索帶,搜索帶以外的艦艇應不要穿越搜索帶進行轉向規避,駛離魚雷。艦艇規避魚雷搜索的最佳航向,是將來襲魚雷置于110°～130°舷角的航向。仿真中,各艦根據估計的魚雷航向和自身所處魚雷搜索帶的位置,選擇各自最佳規避航向進行規避。當各艦最佳規避航向相差不大時,艦艇編隊可進行齊轉規避。

2.4 魚雷探測模型

魚雷搜索扇面角為 70°左右,根據主、被動聲納方程來判斷魚雷對艦艇、誘餌的捕捉條件。

魚雷主動聲自導聲納方程[5]:

當目標回波信號到達魚雷自導頭部時的強度大于魚雷檢測域,且位于魚雷的搜索扇面角內時,即判斷魚雷主動捕獲目標。

魚雷被動聲自導聲納方程[5]:

當目標聲源級到達魚雷自導頭處的強度大于魚雷檢測域時,且位于魚雷的搜索扇面角內時,即判斷魚雷被動捕獲目標。

魚雷具有強目標信號選擇特性,誘餌能有效誘騙魚雷。在理想命中點未發現目標,或捕捉目標后又丟失時,會進行旋回搜索,在搜索未發現目標時,恢復原航向,進行直航搜索。當魚雷捕獲目標后,用尾追法追擊,在接近到一定距離內后,如果目標是艦艇,則判斷魚雷命中艦艇。魚雷航程超過最大續航能力時魚雷失效,表示未命中目標。

3 編隊水聲對抗模型的仿真檢驗

3.1 仿真參數

魚雷航速 50kn,航程 20km,轉向角速度6.7°/s,自導扇面角 70°,主動聲源級 182dB,指向性增益30dB,檢測閾0.5dB,3級海況;編隊初始航向0°,航速 18kn,規避機動航速 30kn,轉向角速度1.5°/s,加速機動時為 1.7°/s;誘餌模擬輻射噪聲級133dB,模擬主動回波聲源級≥182dB。

3.2 仿真過程

圖2為編隊水聲對抗模型的仿真流程圖,仿真步長為1s,即各對象狀態量每刷新一次,代表各對象運動1s。每次仿真實驗中,若任意艦艇被魚雷命中,則對抗失敗;若魚雷航程耗盡仍未捕捉到艦艇,則單次對抗成功。單次仿真結束后,各對象重新進行初始化,根據具體的報警態勢,進入下一輪仿真實驗,直到所有態勢下各個仿真實驗結束,統計出編隊在各個態勢下進行對抗的成功率為止。

圖2 編隊對抗模型仿真流程圖

4 仿真結果分析

由于編隊隊形的對稱性,只對編隊右舷的仿真結果進行分析。為了分析編隊水聲對抗模型的有效性,分別對編隊純規避對抗魚雷攻擊、編隊使用聲誘餌對抗魚雷攻擊兩種情況進行1000次統計模擬實驗。表1、表2分別為編隊利用純規避機動和使用助飛式聲誘餌兩種方法對抗聲自導魚雷攻擊的仿真結果。仿真區域是編隊中某條艦右舷70°～180°每隔 10°選取一個報警舷角,距離10～40cab每隔5cab選取一個報警距離。

圖3～圖5是表1和表2中,報警距離分別為20cab、25cab、30cab,各舷角上編隊水聲對抗仿真結果的變化曲線。很明顯,在仿真對抗中,編隊里同一艘艦艇,相同的報警距離上,使用誘餌進行對抗的對抗成功率都高于編隊純規避進行對抗的成功率。圖3是魚雷報警距離為20cab時,兩種對抗方法的對抗成功率,因為魚雷的報警距離很近,導致編隊利用純規避進行對抗的成功率幾乎為零,而使用誘餌進行對抗時,隨著報警舷角的增大,編隊的對抗成功率顯著提高;當魚雷報警距離增加到25cab時,編隊兩種對抗方法的成功率都有不同程度的提高,但使用誘餌對抗的成功率仍然明顯高于純規避對抗;當魚雷報警距離達到30cab時,編隊兩種對抗方法的成功率都很高,使用聲誘餌對抗的成功率與純規避對抗的成功率之間的差值變得很小。這說明,盡管編隊使用誘餌進行水聲對抗的對抗成功率在相同報警距離上高于純規避對抗方法,但隨著魚雷報警距離的增大,使用誘餌對抗的優勢慢慢消失。

表1 編隊純規避對抗魚雷攻擊艦艇生存概率(某艦右舷 70°～ 180°、距離 15～ 40cab報警)

表2 編隊使用聲誘餌對抗艦艇生存概率(某艦右舷 70°～ 180°、距離 15～ 40cab報警)

由于編隊隊形的原因,艦艇70°～80°舷角報警時的對抗結果受到交叉仿真區域的影響,不能正常反應該舷角上的對抗效果。

圖6顯示了魚雷的報警距離從15cab增加至30cab時,編隊使用誘餌進行對抗時所有報警舷角上的平均生存概率高于利用純規避方法對抗的平均生存概率。當魚雷報警距離大于30cab時,兩種方法的對抗效果幾乎一樣。這是符合一般的水聲對抗規律,聲誘餌只是在某一段魚雷報警距離內能顯著提高編隊的生存概率。

圖6 編隊兩種對抗方法對抗的平均成功率

5 結語

針對典型編隊的水聲對抗模型,運用VC++作為仿真平臺,對不同編隊對抗方法的對抗結果進行了仿真分析。得知編隊使用聲誘餌進行對抗時的對抗成功率,在一定的魚雷報警距離范圍內,高于編隊純規避方法對抗魚雷攻擊。

隨著魚雷報警距離的增大,聲誘餌的對抗優勢變得不明顯。艦艇對抗魚雷攻擊的成功率主要取決于魚雷的報警距離大小,艦艇越早發現魚雷、越早進行對抗,對抗的成功率就越高,反之就越小。

[1]章新華,劉德才,鄂群.水聲對抗中艦艇規避聲自導魚雷的航速問題[J].兵工學報,2002(23)

[2]錢海民,章新華,夏志軍,等.單艦水聲對抗誘餌使用模型研究[J].聲學技術,2009(2)

[3]董陽澤.聲誘餌仿真評估系統的研究和實現[D].博士畢業論文

[4]夏志軍,章新華,肖繼剛,等.艦艇編隊水聲對抗系統需求分析[J].艦船科學技術,2007(12)

[5]陳春玉.反魚雷技術[M].北京:國防工業出版社,2006,5