基于分布式交互仿真平臺的網絡魚雷協同作戰仿真系統

倪文璽, 鄒啟明, 鄭 為, 呂 維

基于分布式交互仿真平臺的網絡魚雷協同作戰仿真系統

倪文璽, 鄒啟明, 鄭 為, 呂 維

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

通過分析網絡魚雷協同工作原理, 建立了水下網絡組網拓撲結構模型和網絡魚雷協同作戰仿真模型, 并基于分布式交互平臺構建了網絡魚雷協同仿真系統, 設計了不同態勢作戰想定, 實現了網絡魚雷協同作戰仿真。仿真結果表明, 基于分布式交互仿真平臺的網絡魚雷協同作戰仿真系統是可行的。

網絡魚雷; 協同作戰仿真; 分布式交互仿真

0 引言

傳統的魚雷武器已無法滿足海軍中遠海作戰、信息化作戰的要求, 利用水下網絡的信息優勢, 形成“網絡中心戰”協同作戰能力, 已經成為水下戰的發展趨勢。根據水下網絡中心戰的作戰理念, 網絡魚雷作為一個水下移動探測平臺和進攻武器, 可由水下作戰平臺、水面艦艇或飛機等多種平臺發射, 也可布放在岸基或海底固定平臺, 可在水下、海面、陸地甚至空中和太空隨時對其進行操控, 對敵方目標進行偵測、識別、跟蹤和攻擊。依托水下網絡, 可實現海(水面)、陸、空、天、潛(水下)5D立體化網絡化協同作戰, 進行超遠程精確打擊, 從而提高整體作戰效能[1]。

本文首先描述了網絡魚雷協同作戰原理, 構建了一個典型的水下網絡拓撲結構; 其次, 建立網絡魚雷協同作戰仿真模型, 并基于分布交互仿真平臺構建網絡魚雷協同作戰仿真系統; 最后, 實現了不同作戰想定條件下的網絡魚雷協同作戰仿真。

1 網絡魚雷協同作戰原理及組網結構

1.1 網絡魚雷協同作戰原理

網絡魚雷協同作戰原理如圖1所示。

圖1 網絡魚雷協同作戰原理

當移動節點為網絡魚雷時, 網絡魚雷一般有以下3種狀態, 其工作原理如下。

1) 平臺內待命狀態

網絡魚雷是通過平臺發控系統獲取目標信息和水下組網信息, 發射入水后, 接入網絡中心戰組網, 不斷獲取已更新的目標信息和協同網絡魚雷信息[2]。

2) 網絡魚雷處于水面懸浮狀態, 且尚未接入網絡中心戰組網

岸基指揮中心解算獲得目標信息后, 通過無線鏈路發送目標信息、水下組網信息給網絡魚雷, 通知網絡魚雷接入網絡中心戰組網, 不斷獲取已更新的目標信息和協同網絡魚雷信息。

3) 網絡魚雷在網絡中心戰組網外巡航, 且已接入網絡中心戰組網/處于網絡中心戰組網內

岸基指揮中心解算獲得目標信息后, 通過無線鏈路發送目標信息給網關節點, 再由網關節點發送給距離網絡魚雷最近點固定節點, 通過水聲鏈路發送目標信息、協同信息給網絡魚雷。

1.2 水下網絡拓撲結構

水下網絡一般由岸基指控中心、網關節點、固定節點以及移動節點組成, 是一種典型的傳感器網絡。水下網絡通過水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點連接成水聲網絡; 通過無線通信鏈路將網關節點和岸基指控中心連成無線網絡[3]。

水下網絡拓撲結構如圖2所示。所設計的水下網絡覆蓋通信范圍為50×50 km, 分布深度為50~300 m。包括1個岸基指控中心、2個網關節點和12個水下節點。

圖2 水下網絡拓撲結構圖

2 網絡魚雷協同作戰仿真模型

基于網絡魚雷協同作戰原理的概述, 以及典型的水下網絡拓撲結構的構建, 根據水下網絡中心戰所負擔的作戰使命, 將網絡魚雷協同作戰劃分為低速巡航、中程跟蹤和末程攻擊3個階段。

1) 低速巡航階段

該階段時, 目標距離網絡魚雷≥50 km。多發魚雷聯網, 處于搜索、探測目標或處于平臺內待命狀態, 以4~6 kn的速度進行低速巡航, 巡航期間周期性進行水面懸浮, 與飛機或衛星進行無線鏈接。當水下網絡檢測到目標時, 岸基指控中心通過天基向網絡魚雷傳送目標信息, 并發出攻擊指令, 網絡魚雷在接到攻擊指令后, 完成敵方態勢的更新及攻擊準備, 并轉入中程跟蹤階段。

2) 接入水下網絡中程跟蹤階段

當網絡魚雷轉入中程跟蹤階段時, 網絡魚雷已接入水下網絡, 目標距離網絡魚雷<50 km且>5 km。網絡魚雷以10~15 kn的巡航速度向目標靠近, 并通過水下網絡與岸基指控中心進行實時通信, 依靠慣性導航和水聲鏈路相結合的組合導航方法及時修正接近目標的航線, 當目標進入網絡魚雷的水聲探測距離時, 網絡魚雷轉入末程協同攻擊階段。

當進入中程跟蹤實施階段, 主要是確定網絡魚雷的搜索主航向, 并根據對信息獲取能力的不同, 將網絡魚雷搜索方法分為以下2種。

a. 已知來襲目標航向、距離、航速和方位時的搜索方法

圖3 形心法求解有利提前角

此時, 網絡魚雷的射擊提前角可以參考聲自導魚雷射擊有利提前角的求解方法進行求解。考慮到網絡魚雷作戰注重快速性, 射擊提前角的求解采用形心法求有利提前角

b. 已知來襲目標方位和距離或僅知方位時的搜索方法

多數情況下水下網絡能檢測來襲目標的方位和距離, 不能提供來襲目標準確的航行方向和航速等參數[4]。在僅僅知道來襲目標方位和距離的條件下, 如何確定攻擊方向才能有較高的命中概率是網絡魚雷作戰時要解決的關鍵問題。

圖4 網絡魚雷對抗來襲目標陣位關系

3) 網絡魚雷末程協同攻擊階段

當網絡魚雷進入末程協同攻擊階段時, 雷目距離大約在5 km范圍內, 為了提高自導搜索面積, 由多個網絡魚雷組成平行航向復合自導搜索扇面, 擴大自導搜索寬度[5]。當有1條網絡魚雷檢測到目標時, 啟動高速動力系統, 對目標以大于40 kn的速度進行高速攻擊, 同時呼叫后續魚雷進入發現目標的有效航道, 或通過簡單的數據鏈對其他魚雷進行攻擊目標指示。

展開航程

圖5 網絡魚雷平行航向搜索示意圖

3 網絡魚雷協同作戰仿真系統

3.1 系統組成

網絡魚雷協同作戰仿真系統由固定節點、網關節點、岸基指揮中心、網絡魚雷T1、網絡魚雷T2和目標等聯邦模型組成。其系統構成框圖如圖6所示。

3.2 系統信息交互

網絡魚雷協同作戰仿真系統模塊間信息交互框圖如圖7所示。

下面對各模塊及模塊間的信息交互情況進行分別介紹。

1) 網絡中心戰組網信息模塊: 網絡中心戰組網信息模塊主要用于實現目標探測、目標要素精確解算及網絡魚雷的調度[6]。包括3個子模塊: 固定節點子模塊、網關節點子模塊和岸基指揮中心子模塊。

圖6 網絡魚雷協同作戰仿真平臺組成圖

圖7 網絡魚雷協同作戰仿真平臺模塊組成圖

2) 目標模塊: 目標模塊主要實現目標運動模擬、目標輻射噪聲和目標強度。

3) 平臺模塊: 平臺模塊主要應用于網絡魚雷尚未發射的狀態下, 此時由平臺模塊接收目標要素信息, 對網絡魚雷實施布放。其功能為運動、無線通信, 射擊諸元解算和裝訂。

當平臺發射指令發出后, 待命狀態的網絡魚雷開始解算。網絡魚雷模塊主要功能包括: 運動和控制功能、彈道邏輯功能、自導檢測功能、水聲通信功能、無線通信功能和數據處理功能。

3.3 作戰想定

作戰態勢的想定如圖8所示。仿真想定內容如下:

圖8 試驗態勢想定

3) 網絡中心戰組網作戰反應時間30 s;

4) 岸基指揮中心發射2條網絡魚雷, 發射時刻網絡魚雷可以得到目標的方位、距離(具有一定的解算精度);

5) 網絡魚雷入水后, 雷目距離5~50 km時, 接入網絡中心戰組網中, 接收組網目標信息, 網絡魚雷以10~15 kn的巡航速度向目標靠近;

6) 當雷目距離≤5 km范圍時, 網絡魚雷按照網絡魚雷中程跟蹤模型, 組成復合自導搜索扇面, 實現對目標的協同檢測、跟蹤, 目標確認后, 變高速(40 kn)對目標進行高速打擊。

3.4 系統仿真流程

整個仿真過程中涉及的事件包括: 目標信息傳遞、目標信息確認和網絡魚雷協同。

規劃網絡魚雷作戰仿真過程設計如下:

1) 運行仿真導演臺, 設置相應的仿真態勢(包括網絡中心戰組網位置、岸基指揮中心位置、目標與魚雷敵我初始陣位及運動方式等), 創建聯邦;

2) 聯邦成員(目標、固定節點、網關節點、岸基指揮中心、網絡魚雷T1和網絡魚雷T2)運行, 申請加入聯邦;

3) 仿真開始, 隨著仿真步長的推進, 每仿真步長執行以下步驟:

a. 目標運動;

b. 網絡魚雷巡航, 懸浮時接收岸基指揮中心目標信息, 下潛時接收固定節點/網關目標信息;

c. 固定節點完成目標探測、目標狀態估計, 數據上報同時進行數據接收(數據可能來自網關節點, 可能來自其他固定節點);

d. 網關節點接收固定節點回報信息, 發送給岸基指揮中心, 同時接收岸基指揮中心的目標信息, 發送給固定節點;

e. 岸基指揮中心完成數據接收、數據融合、目標信息解算及數據發送。

4) 每仿真步長各聯邦成員更新數據到仿真導演臺, 進行態勢的顯示。

3.5 系統仿真結果

根據試驗態勢想定, 布置各節點及網絡魚雷的坐標信息。仿真開始時在程序中設定試驗想定的初始變量, 設定完成后加載試驗態勢, 仿真運行的初始態勢如圖9所示, 網絡魚雷作戰過程深度變化如圖10所示。

圖9 網絡魚雷協同作戰過程

圖10 網絡魚雷協同作戰過程深度變化

在仿真試驗運行中, 網絡魚雷按照協同作戰過程進行, 當網絡魚雷處于水下網絡覆蓋范圍之外時, 進行低速巡航, 并周期上浮接收目標信息; 當掌握目標態勢信息后, 網絡魚雷完成攻擊準備, 轉入中程跟蹤階段, 并利用水下網絡跟蹤目標; 當雷目距離小于2.5 km時, 網絡魚雷通過魚雷自導系統模型檢測到來襲目標, 并高速命中目標, 同時另一條網絡魚雷也檢測到目標并進入末程攻擊階段。試驗結果表明, 整個仿真平臺可以滿足網絡魚雷協同作戰仿真研究的主要內容, 并能夠進一步開展網絡魚雷及水下中心戰的仿真需求。

4 結束語

網絡魚雷水下協同作戰研究目前尚處起步階段, 通過對網絡魚雷戰技指標和功能的假設, 構建網絡魚雷協同作戰仿真模型, 并開發了網絡魚雷協同作戰仿真系統, 該系統可以滿足網絡魚雷協同仿真需求。本文所構建的網絡魚雷協同仿真方法, 可為今后開展潛伏式網絡魚雷和多雷進入航路規劃技術、快速接入聲通信網絡作戰方法仿真研究以及網絡魚雷動態組網與協同作戰多目標攻擊仿真方法研究提供一定理論參考。

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(責任編輯: 許 妍)

Cooperative Operation Simulation System of Network Torpedo Based on Distributed Interactive Simulation Platform

NI Wen-xiZOU Qi-mingZHENG WeiLü Wei

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

According to the principle of cooperative operation of a network torpedo, an underwater network topology model and a cooperative operation simulation model of the network torpedo are established. Further, a cooperative operation simulation system is constructed based on the distributed interactive simulation platform. Many operational scenarios are designed to realize cooperative operation simulation of the network torpedo. Simulation results show that the proposed cooperative operation simulation system of the network torpedo is feasible.

network torpedo; cooperative operation simulation; distributed interactive simulation

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2014)06-0473-06

2014-09-04;

2014-09-28.

倪文璽(1986-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為數學仿真.