基于噪聲干擾器對抗的火箭助飛魚雷射擊效率仿真研究

丁紅巖, 宋保維, 周 明, 姜?jiǎng)P峰

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基于噪聲干擾器對抗的火箭助飛魚雷射擊效率仿真研究

丁紅巖1,2, 宋保維1, 周 明2, 姜?jiǎng)P峰2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

為研究對抗條件下火箭助飛魚雷的射擊效率, 根據(jù)火箭助飛魚雷典型對潛作戰(zhàn)過程, 以命中概率作為射擊效率的評定指標(biāo)建立了基于對抗的命中概率模型, 研究了潛艇使用噪聲干擾器對抗來襲魚雷的對抗模型, 分析了火箭助飛魚雷反對抗策略, 通過仿真計(jì)算, 定量分析了主要因素對火箭助飛魚雷命中概率的影響。仿真結(jié)果表明, 噪聲干擾器對抗條件下, 射擊距離和潛艇航速是影響命中概率的主要因素, 目標(biāo)信息的完整程度對命中概率的影響很大, 旨在為實(shí)戰(zhàn)條件下水面艦艇部隊(duì)提高使用火箭助飛魚雷的有效性及反潛作戰(zhàn)能力等方面提供了參考。

火箭助飛魚雷; 噪聲干擾器; 對抗; 射擊效率; 模型

0 引言

相比于管裝魚雷, 火箭助飛魚雷速度快、射程遠(yuǎn)、發(fā)射范圍廣, 隨著潛艇性能的不斷提高, 火箭助飛魚雷的優(yōu)點(diǎn)更加突出, 已經(jīng)成為較有效的遠(yuǎn)程反潛作戰(zhàn)武器。艦載火箭助飛魚雷一般由火箭助推器裝載自導(dǎo)魚雷構(gòu)成, 經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)分離、雷箭分離、雷傘分離等動(dòng)作后入水, 自導(dǎo)魚雷開始工作, 自動(dòng)搜索、跟蹤并命中潛艇。

目前國內(nèi)外關(guān)于火箭助飛魚雷的資料多側(cè)重于武器系統(tǒng)的介紹與發(fā)展現(xiàn)狀, 關(guān)于作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)使用的很少。本文以彈道式火箭助飛魚雷為例, 描述了典型對潛作戰(zhàn)模式, 建立了基于對抗的射擊效率模型, 仿真計(jì)算了噪聲干擾器對抗條件下火箭助飛魚雷的命中概率, 使研究更貼近反潛作戰(zhàn)的實(shí)際。

1 火箭助飛魚雷典型對潛作戰(zhàn)過程

如圖1所示, 艦載火控系統(tǒng)根據(jù)測得或求解的目標(biāo)信息, 計(jì)算火箭助飛魚雷射擊參數(shù), 當(dāng)滿足發(fā)射條件時(shí)發(fā)射火箭助飛魚雷。到達(dá)預(yù)定關(guān)機(jī)時(shí)刻, 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī), 隨即完成發(fā)動(dòng)機(jī)與主體的分離。自導(dǎo)魚雷依靠慣性按預(yù)定彈道或根據(jù)艦艇發(fā)送的指令按修正的彈道繼續(xù)飛行, 當(dāng)下落至雷箭分離高度時(shí)實(shí)現(xiàn)雷箭分離, 魚雷在減速傘阻力作用下做減速運(yùn)動(dòng)直至入水。入水后魚雷下潛至預(yù)定深度, 經(jīng)初始過渡段彈道轉(zhuǎn)入搜索彈道, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵潛艇發(fā)射的對抗器材時(shí), 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別, 在識(shí)別出對抗器材的類型后采取相應(yīng)的反對抗措施, 對抗敵潛艇的干擾和誘騙, 檢測到真實(shí)目標(biāo)后, 進(jìn)入追蹤彈道和垂直命中末彈道, 若丟失目標(biāo)則進(jìn)行再搜索直至命中目標(biāo)。

圖1 火箭助飛魚雷對潛作戰(zhàn)過程示意圖

2 基于對抗的火箭助飛魚雷射擊效率基本模型

2.1 火箭助飛魚雷射擊效率及評定指標(biāo)

使用武器射擊時(shí), 在一定條件下完成給定作戰(zhàn)任務(wù)的有效程度[1-3], 稱為射擊效率。射擊效率可反映火箭助飛魚雷抗干擾并命中(毀傷)目標(biāo)的能力, 是火箭助飛魚雷作戰(zhàn)能力的重要量度。

射擊效率指標(biāo)是用于評定武器在一定條件下射擊效率高低的定量指標(biāo), 通常用某種事件發(fā)生的概率或某隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望等來表示。對單個(gè)目標(biāo)的火箭助飛魚雷射擊效率評定指標(biāo)主要有以下幾個(gè): 1) 單射命中概率; 2) 齊射命中概率; 3) 獨(dú)立射擊毀傷概率; 4) 齊射毀傷概率; 5) 命中數(shù)量的數(shù)學(xué)期望。

魚雷作戰(zhàn)使命是命中毀傷目標(biāo), 其任務(wù)具有單一性, 并且執(zhí)行任務(wù)的結(jié)局只有兩種互斥的可能性——“成功”或“失敗”。同時(shí), 在火箭助飛魚雷的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)、攻擊對象、作戰(zhàn)海區(qū)確定的情況下, 火箭助飛魚雷對目標(biāo)的命中概率受射擊方法的影響較大。因此本文認(rèn)為射擊效率的最佳量度為命中概率, 并以此作為射擊效率的評定指標(biāo)。

2.2 命中概率基本模型

圖1所示為火箭助飛魚雷的典型對潛作戰(zhàn)模式, 單射命中概率的基本模型為

火箭助飛魚雷命中概率基本模型與各子模型的關(guān)系及各子模型與戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)的邏輯關(guān)系如圖2所示。

3 潛艇噪聲干擾器對抗自導(dǎo)魚雷模型

噪聲干擾器是一種向海水中發(fā)射強(qiáng)隨機(jī)寬帶噪聲的壓制性、欺騙性水聲對抗器材[4]。對于主動(dòng)工作方式下的魚雷, 噪聲干擾器起壓制性對抗作用。

噪聲干擾器通過發(fā)射強(qiáng)寬帶噪聲實(shí)現(xiàn)對魚雷的干擾, 制約魚雷自導(dǎo)探測。它以頻率覆蓋魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)接收頻帶, 以功率掩蓋潛艇目標(biāo)回波, 提高魚雷接收端背景噪聲, 降低魚雷聲納對潛艇的作用距離, 使聲納不能發(fā)現(xiàn)或丟失已跟蹤目標(biāo), 為潛艇擺脫魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的跟蹤創(chuàng)造逃逸的有利時(shí)機(jī), 從而起到良好干擾效果。

圖2 火箭助飛魚雷命中概率基本模型框圖

當(dāng)受到噪聲干擾器干擾時(shí), 干擾方程

潛艇實(shí)施噪聲干擾時(shí), 通常已被魚雷連續(xù)跟蹤, 認(rèn)為目標(biāo)、噪聲干擾器處于魚雷自導(dǎo)扇面中同一方位線上, 同時(shí)考慮噪聲干擾器噪聲級遠(yuǎn)高于魚雷干擾噪聲級, 式(3)可簡化為

當(dāng)噪聲干擾器工作且處于魚雷自導(dǎo)扇面內(nèi)時(shí), 若不等式成立, 魚雷可發(fā)現(xiàn)潛艇, 否則, 噪聲干擾器干擾成功, 魚雷不能發(fā)現(xiàn)潛艇。

4 火箭助飛魚雷反對抗策略分析

4.1 對抗策略分析

當(dāng)受到噪聲干擾器對抗時(shí), 自導(dǎo)魚雷應(yīng)實(shí)施反對抗策略。目前, 世界各國在魚雷的反對抗技術(shù)方面開展了廣泛的研究, 如多普勒頻移對目標(biāo)的動(dòng)靜識(shí)別技術(shù)、對目標(biāo)的尺度識(shí)別技術(shù)、反水聲對抗彈道設(shè)計(jì)等。本文以采取反水聲對抗彈道作為火箭助飛魚雷反對抗策略。魚雷反水聲對抗彈道[5]的基本形式主要有一次轉(zhuǎn)向彈道、旋回搜索彈道和蛇行彈道3種。復(fù)合對抗彈道能克服單一形式對抗彈道的不足, 節(jié)省魚雷航程, 增加再發(fā)現(xiàn)概率, 從而提高反對抗效果。

圖3 對抗噪聲干擾器彈道示意圖

4.2 對抗彈道模型

轉(zhuǎn)向直航段

旋回搜索段

5 射擊效率仿真及結(jié)果分析

5.1 誤差取值

以美“阿斯洛克”反潛導(dǎo)彈為原型, 想定一型火箭助飛魚雷, 射程為5~30 km, 參數(shù)誤差服從正態(tài)分布, 如表1所示。用蒙特卡洛法仿真計(jì)算艦艇運(yùn)用不同射擊方法[6]對潛艇的命中概率。表中表示潛艇距離，單位為m。

表1 主要參數(shù)誤差取值表

5.2 魚雷命中判據(jù)

魚雷捕獲目標(biāo)后, 立即轉(zhuǎn)入追蹤彈道。追蹤彈道采用尾追彈道, 魚雷根據(jù)目標(biāo)方位調(diào)整航向, 使航向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)魚雷處于跟蹤狀態(tài)且魚雷與目標(biāo)距離小于50 m, 命中角在60°~120°范圍內(nèi)時(shí)認(rèn)為魚雷垂直命中目標(biāo)。

若式(8)成立, 則魚雷命中目標(biāo), 否則, 干擾器對抗成功, 魚雷未命中目標(biāo)。

5.3 仿真流程與仿真結(jié)果分析

仿真流程見圖4。

依照仿真數(shù)據(jù), 分別繪制潛艇航速為16 kn時(shí), 命中概率隨射擊距離的變化趨勢如圖5所示; 射擊距離為20 km時(shí), 命中概率隨潛艇航速的變化趨勢如圖6所示。

圖4 仿真流程圖

如圖5所示, 命中概率隨射擊距離增加而減小。射距由5 km增加到30 km, 對潛艇提前位置射擊時(shí), 命中概率均可達(dá)0.9左右, 對潛艇可能區(qū)域射擊時(shí), 命中概率下降達(dá)0.4, 對潛艇當(dāng)前位置射擊時(shí), 命中概率下降達(dá)0.7。

圖5 命中概率隨射擊距離的變化趨勢

圖6 命中概率隨潛艇航速的變化趨勢

如圖6所示, 命中隨潛艇航速增加而減小。 潛艇航速由8 kn增加到24 kn, 對潛艇提前位置射擊時(shí), 命中概率下降緩慢, 對潛艇可能區(qū)域射擊時(shí), 命中概率下降接近0.7, 對潛艇當(dāng)前位置射擊時(shí), 命中概率下降達(dá)0.7。

1) 對潛艇提前位置射擊時(shí), 發(fā)射平臺(tái)解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素完整, 射擊距離對命中概率的影響很小。實(shí)際上, 不管射擊距離遠(yuǎn)近, 魚雷經(jīng)火箭助飛落水時(shí), 落水點(diǎn)已在潛艇目標(biāo)附近, 潛艇難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)來襲魚雷, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)魚雷時(shí), 來不及規(guī)避或使用噪聲干擾器對魚雷實(shí)施對抗, 因此射擊距離和潛艇航速對命中概率的影響不明顯。

繪制潛艇航速為12 kn和24 kn時(shí), 對抗與無對抗條件下魚雷命中概率隨射擊距離的變化對比如圖7所示。射擊距離為10 km和30 km時(shí), 對抗與無對抗條件下魚雷命中概率隨潛艇航速的變化對比如圖8所示。

圖7 命中概率隨射擊距離變化對比圖

圖8 命中概率隨潛艇航速變化對比圖

如圖7、圖8所示, 在對抗條件下, 魚雷命中概率隨射擊距離增加下降緩慢, 對比無對抗條件下命中概率降低10%以內(nèi), 命中概率隨潛艇航速變化基本一致, 對比無對抗條件下命中概率下降不大。由此可見, 在潛艇使用噪聲干擾器時(shí), 火箭助飛魚雷采取反水聲對抗彈道, 可有效降低干擾器對其干擾效果, 提高對潛艇的打擊能力。

6 結(jié)束語

以上通過對火箭助飛魚雷典型對潛作戰(zhàn)模式的研究, 建立了基于對抗的火箭助飛魚雷射擊效率模型。通過仿真模擬干擾器與魚雷的對抗過程, 得到了主要因素對火箭助飛魚雷命中概率的影響, 分析了產(chǎn)生影響的原因。本文的仿真是建立在2D空間的基礎(chǔ)上, 在今后的作戰(zhàn)使用研究中可以考慮建立3D 空間, 同時(shí)應(yīng)分析復(fù)雜戰(zhàn)場條件對火箭助飛魚雷射擊效率的影響。

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Simulation Study on Fire Efficiency of Rocket Assisted Torpedo Based on Noise Jammer Countermeasure

DING Hong-yan1, 2, SONG Bao-wei1, ZHOU Ming2, JIANG kai-feng2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Department of Underwater Weaponry & Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

In order to understand fire efficiency of rocket assisted torpedo under countermeasure, we take hit probability as an indicator of fire efficiency and build a hit probability model according to the torpedo’s typical anti-submarine course. We analyze the model in which noise jammer is used by submarine to counter incoming torpedo and discuss the counter- countermeasure strategy of the torpedo. According to simulation and calculation, the effects of the major factors on hit probability are quantitatively analyzed based on noise jammer countermeasure. Simulation results indicate that both firing distance and navigational velocity of submarine are the main factors. Completeness of target information imposes great effect on hit probability. This study may redound to surface ships in effectively using rocket assisted torpedoes and enhancing anti-submarine capability.

rocket assisted torpedo; noise jammer; countermeasure; fire efficiency; model

TJ630; TN972

A

1673-1948(2011)02-0134-06

2010-11-15;

2010-12-20.

丁紅巖(1958-), 男, 漢族, 教授, 碩導(dǎo), 博士, 從事反潛武器作戰(zhàn)使用研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)