水聲對抗環境下自導魚雷自適應導引方法

陳克喆, 程詠梅, 禹 亮, 劉建新

水聲對抗環境下自導魚雷自適應導引方法

陳克喆, 程詠梅, 禹 亮, 劉建新

(西北工業大學 自動化學院, 陜西 西安, 710129)

隨著現代水聲對抗與反對抗環境的日益復雜, 自導魚雷導引律的設計需要考慮目標識別及末自導垂直命中的要求, 使得傳統的導引律面臨新的挑戰, 為此提出了一種新的自導魚雷自適應導引方法, 該方法根據魚雷與目標之間的距離調整魚雷航向角, 調整過程考慮了進行方位走向目標識別以及末自導垂直命中對導引彈道的要求, 使目標舷角有利于進行目標識別及末自導垂直命中。仿真結果表明, 采用該方法獲得的目標舷角變化不僅滿足目標識別要求, 而且有利于垂直命中。

魚雷; 自適應導引方法; 方位走向; 目標識別; 垂直命中

0 引言

自導魚雷通過安裝在魚雷頭部的自導系統來感知被攻擊目標相對于魚雷的方位、距離、距離變化率等運動參量, 這些參量用于形成導引律, 將魚雷向目標導引[1], 魚雷根據導引律追蹤目標形成的運動軌跡稱為導引彈道。傳統自導魚雷導引方法根據目標相對于魚雷的方位, 使用追蹤法和固定提前角法作為導引律, 它們結構簡單, 易于實現。隨著現代水聲對抗與反對抗環境的日益復雜[2-4], 聲誘餌的釋放會干擾魚雷, 因此魚雷需要結合目標的屬性信息進行目標識別, 而目標屬性信息獲取的準確度受魚雷與目標之間的相對位置關系影響。追蹤法、固定提前角法沒有考慮如何準確獲得目標的屬性信息, 其導引彈道不利于目標識別。本文分析了自導魚雷進行目標識別以及末自導垂直命中對導引彈道的要求, 依據潛艇的方位走向特征以及垂直命中要求, 隨著魚雷與目標距離的減小, 采用自適應調整魚雷航向角的思路, 提出一種新的隨距離自適應調整航向角的導引律方法。

1 對抗環境下自導魚雷導引律

在討論導引彈道時, 把魚雷和目標都視為質點, 并且認為導引系統是理想的, 即把魚雷的運動看作是服從某些約束關系的質點運動。同時還認為魚雷和目標始終在同一平面內, 這個平面稱為攻擊平面, 則魚雷和目標之間的相對運動關系如圖1所示。

圖1 魚雷和目標的相對運動關系

其方程描述如下

由于魚雷的數據率較低, 如果以魚雷航向角速度作為彈道輸入, 當連續幾拍丟失目標回波時, 設定的航向角速度反而會導引魚雷越來越偏離目標, 因此, 以魚雷航向角作為彈道輸入, 即使某一時刻未能探測到目標, 魚雷也能按照大體正確的方向運動, 從而再次探測到目標[5]。即

1.1 目標識別能力

在水聲對抗與反對抗過程中, 潛艇會釋放誘餌提高自己的生存概率, 因此魚雷面臨目標識別的問題。魚雷主動聲自導系統主要依據其所接收的目標回波的時間域、空間域和頻率域特性進行目標識別[6]。

從空間角度看, 潛艇回波是由空間上不同方位而來的子反射回波構成, 其時間-方位呈現出一定的分布規律, 而不是一個恒定的方位值。潛艇回波的方位走向如圖2所示[7], 將自導聲納在一個回波周期內接收到的目標回波信號按時間次序分為許多幀, 每一幀都測得目標的方位, 所有幀的目標方位基本呈線性變化關系, 這就是所謂的“方位走向”。

圖2 潛艇方位走向示意圖

由以上分析可知, 方位走向是尺度目標識別所依據的主要特征, 而在目標的艏、艉方向, 方位走向變化不大, 不利于尺度目標識別, 在目標的正橫方向, 方位走向變化最大, 最有利于尺度目標識別, 這就對魚雷的導引彈道提出了要求,從目標正橫方向而不是艏、艉方向接近目標。

圖3 潛艇方位走向變化量隨舷角變化

1.2 垂直命中

2 基于距離變化的自適應導引律設計

把式(2)代入式(8)

表1 目標方位角的取值

圖4 目標方位角隨距離的變化曲線

3 仿真結果與分析

3.1 穩健性分析

3.2 仿真

圖5 魚雷初始位置為(0,0), 初始航向為45°時跟蹤彈道示意圖

圖6 魚雷初始位置為(0,0), 初始航向為45°時目標舷角變化曲線

當魚雷初始位置(0, 1800), 速度20 m/s, 初始航向0°, 其他設置同上, 對追蹤法、固定提前角法及本文方法進行仿真, 跟蹤彈道如圖7所示, 目標舷角的變化曲線如圖8所示。

圖7 魚雷初始位置為(0, 1800), 初始航向為0°時跟蹤彈道示意圖

圖8 魚雷初始位置為(0, 1 800), 初始航向為0°時目標舷角變化曲線

圖9 魚雷初始位置為(0, 4000),初始航向為45°時跟蹤彈道示意圖

圖5、圖7和圖9中的魚雷與目標軌跡沒有交匯是因為仿真沒有末自導彈道, 當魚雷按給定導引律接近目標到一定距離后, 進入末自導彈道。從圖6、圖8和圖10中可看出, 追蹤法、固定提前角法導引彈道的目標舷角是逐漸減小的, 且追蹤法比固定提前角法目標舷角減小的快, 尤其是當魚雷初始航向與目標初始航向一致時(圖8仿真情況), 追蹤法、固定提前角法的目標舷角一直很小, 因此這2種方法不利于目標識別。本文方法的目標舷角隨著魚雷與目標由遠及近進行自適應調整, 可滿足目標識別的要求, 且其終端目標舷角比追蹤法、固定提前角法都大, 更有利于末自導的垂直命中。

圖10 魚雷初始位置為(0, 4000), 初始航向為45°時目標舷角變化曲線

4 結束語

本文利用魚雷與目標之間的距離變化, 同時綜合考慮水下對抗與反對抗環境下的目標識別、末自導的垂直命中2個性能要求, 提出了基于距離變化的自導魚雷自適應導引方法, 在3種不同潛艇相對魚雷方位(左前、右前、正前)的情況下, 對追蹤法、固定提前角法及本文方法進行導引彈道仿真與分析。結果表明, 采用本文方法目標舷角的變化不僅滿足目標識別的要求, 且有利于垂直命中, 可為工程應用提供借鑒。

[1] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1999.

[2] 王桂芹, 劉海光, 賈瑞鳳. 聲制導魚雷反水聲對抗技術綜述[J]. 艦船電子工程, 2009, 29(3): 150-153.

Wang Gui-qin, Liu Hai-guang, Jia Rui-feng. Overview of Anti-countermeasure Technology of Acoustic Homing Torpedo[J]. Ship Electronic Engineering, 2009, 29(3): 150-153.

[3] Zeng Y Y, Kang F J, Yang H Z. Intelligent Optimization of an Anti-torpedo Counterplan Based on Particle Swarm Optimization Algorithm[C]//Asia Simulation Conference. Shanghai, 2012: 358-364.

[4] Chen Y C, Wang H K, Zhao Y. Optimal Trajectory for Swim-out Acoustic Decoy to Countermeasure Torpedo [C]//4th International Workshop on Advanced Computational Intelligence. Wuhan, 2011: 86-91.

[5] 劉宇, 原建平, 侯朝煥. 水下自導武器導引律研究[J]. 兵工學報, 2008, 28(4): 483-486.

Liu Yu, Yuan Jian-ping, Hou Chao-huan. Research on the Guidance Law of Underwater Autoguide Weapon[J]. Acta Armamentarii, 2008, 28(4): 483-486.

[6] 陳春玉, 張靜遠, 王明洲, 等. 反魚雷技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006: 118-124.

[7] 石勇, 石敏, 蔣興舟, 等. 基于方位走向識別目標尺度的仿真與特性分析[J]. 魚雷技術, 2003, 11(1): 27-30.

(責任編輯: 楊力軍)

Adaptive Guidance Method of Homing Torpedo under Underwater Acoustic Countermeasure Condition

CHEN Ke-zheCHENG Yong-meiYU LiangLIU Jian-xin

(School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China)

Modern acoustic countermeasure and counter-countermeasure environments become more and more complex, so it is necessary to consider target recognition and terminal guidance perpendicular hit in the design of guidance law for a homing torpedo. This paper proposes a new adaptive guidance method for a homing torpedo, in which the torpedo course angle is adjusted according to the distance between a torpedo and a target, and the target azimuth trend recognition and the requirement of guidance trajectory for terminal guidance perpendicular hit are taken into account, so that the target′s relative bearing angle can facilitate the recognition and the hit. Simulation results show that the variation of target′s relative bearing angle obtained by the proposed method facilitates both the target recognition and the perpendicular target hit.

torpedo; adaptive guidance method; azimuth trend; target recognition; perpendicular hit

2013-11-15;

2014-02-28.

西安市科技計劃項目(CXY1350-2)

陳克喆(1989-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水下多目標跟蹤與制導系統仿真.

TJ630.34

A

1673-1948(2014)04-0262-05