聲吶探測對潛艇魚雷武器系統發現概率的影響

張永峰, 李志偉

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聲吶探測對潛艇魚雷武器系統發現概率的影響

張永峰, 李志偉

(中國人民解放軍91388部隊, 廣東湛江, 524022)

潛艇在隱蔽方式下運用線導魚雷攻擊水面目標時, 前端聲吶探測能力對武器系統發現概率、攻擊效果影響較大。文中分析了影響武器系統發現概率的幾類聲吶探測相關因素, 采用現在方位導引方法對武器系統導引魚雷攻擊進行了建模和仿真。通過仿真驗證, 揭示了魚雷初始攻擊距離、目標跟蹤不穩定等不同情況下武器系統的發現概率變化規律, 給出了相應策略和方法, 可為魚雷作戰和工程實踐提供參考。

魚雷; 武器系統; 現在方位導引法; 發現概率

0 引言

在潛艇魚雷武器系統運用線導魚雷攻擊水面目標的作戰過程中, 一般采取線導+尾流或被動聲自導的方式進行攻擊。不需解算出目標的運動要素, 武器系統使用方位導引法, 即可通過使用平臺聲吶對目標的探測方位序列導引線導魚雷對目標發起攻擊。這一作戰方式具有準備時間短、攻擊條件要求低、反應時間快等優點[1-2], 但也存在以下風險。

1) 由于未解算出目標運動要素, 系統導引魚雷進行攻擊只依賴聲吶測得的目標方位序列。魚雷出管后, 其出管及航行噪聲可能影響聲吶的探測, 平臺聲吶通常會丟失對目標的跟蹤[2], 使得魚雷出管后的最初幾分鐘只能采取推算的方位, 魚雷導引短時間將陷入未知和盲目中; 若魚雷線導斷線, 則由于沒有目標運動要素, 魚雷的射擊諸元誤差較大, 直接影響魚雷捕獲目標的概率。

2) 在平臺聲吶恢復跟蹤目標以后, 系統直接使用目標方位序列數據時, 如受目標干擾, 探測數據出現較多跳變或跟蹤不穩定時, 將直接影響魚雷進入尾流或聲自導扇面態勢, 導致系統發現概率下降。

文獻[1]和[2]對線導導引方法的原理、適用條件及其工程化進行了分析, 提出了導引過程中應該遵循的作戰使用原則, 并指出獲取較高的解算精度對于魚雷攻擊的重要性, 但并未分析聲吶探測情況發生變化時對魚雷攻擊作戰效果的具體影響。由于平臺聲吶對目標的探測直接影響系統使用魚雷攻擊目標的發現概率及作戰效果, 文中采用現在方位導引法對魚雷初始攻擊距離、魚雷噪聲遮蔽、目標艦變速變向及采取聲對抗措施等多種條件變化的情況下, 聲吶測向誤差對魚雷攻擊目標發現概率的影響進行分析, 提出典型情況下的應對策略, 為魚雷攻擊目標作戰使用和工程實踐提供一定的參考。

1 影響武器系統發現概率的聲吶探測相 關因素

1.1 魚雷初始攻擊距離制約平臺聲吶探測

在潛艇魚雷攻擊中, 聲吶平臺對目標的探測數據是敵目標運動要素的主要來源。當潛艇距離目標較遠時, 由于海洋聲學信道的不確定及聲吶自身的探測性能限制, 可能無法獲取穩定的目標探測信息, 從而無法解算出滿足攻擊要求的目標運動要素, 影響魚雷攻擊作戰效果; 當潛艇距離目標較近時, 平臺聲吶能夠獲得穩定的目標探測數據, 但為保持自身隱蔽性和發揮線導魚雷的優勢, 一般不使用魚雷對目標進行攻擊。因此, 在保證穩定的平臺聲吶探測下, 選擇恰當的魚雷初始攻擊距離對于提高系統發現概率意義重大。

1.2 魚雷噪聲遮蔽影響平臺聲吶目標跟蹤

線導魚雷出管瞬間, 出管噪聲和自身的航行噪聲較大, 很難準確評估魚雷自噪聲或平臺噪聲對導引產生的影響, 平臺聲吶通常會將目標跟蹤置為無效, 丟失對目標的跟蹤[2], 直至魚雷方位與目標方位拉大, 滿足平臺聲吶的方位分辨力時, 才能恢復對目標的跟蹤; 待目標與魚雷方位分離后, 可能出現聲吶探測跟蹤目標與魚雷交錯的情況, 即聲吶使用跟蹤魚雷的跟蹤器去跟蹤目標, 其向指控系統提供的目標數據實際上為聲吶探測魚雷的數據, 此時武器系統以魚雷自身為攻擊目標, 不斷將魚雷導向魚雷本身方位, 影響武器系統發現和跟蹤真實目標, 可能導致魚雷攻擊失敗。

1.3 目標實施對抗干擾平臺聲吶目標測向

發射平臺實現對魚雷精確導引控制的前提是平臺探測器能夠對目標進行跟蹤和測量, 獲得目標的方位是方位導引的基本條件[3]。但魚雷發射出管信號被目標偵測到后, 目標可能采取機動規避的戰術策略或是施放水聲對抗+機動規避的技戰術策略對潛艇平臺聲吶進行干擾, 影響目標方位的測量。

當采取變速變向等機動手段規避逃離潛艇平臺聲吶有效觀測范圍時, 聲吶無法探測到目標及發送有效數據給指控系統, 此時, 指控系統在沒有目標數據的情況下, 無法使用常規目標運動要素解算算法進行解算, 進而影響線導魚雷導引參數(魚雷偏航角、自導開機時間等)計算; 同時, 武器系統也無法計算出線導魚雷導引參數, 魚雷只能按照丟失目標前航向進行航行或搜索目標, 可想而知, 武器系統的發現概率必然降低。

當目標施放噪聲干擾器或自航式水聲對抗器材, 掩護其機動規避時, 聲吶用來跟蹤目標的跟蹤器可能會錯誤跟蹤對抗器材, 其向指控系統提供的目標數據實際上為聲吶探測到對抗器材的數據, 此時武器系統將對抗器材作為攻擊目標, 導致線導攻擊失敗。

1.4 平臺聲吶測向誤差指標值與武器系統使用值間存在差異

武器系統方位導引精度主要依賴于平臺聲吶測向誤差, 理論上講, 在測向誤差指標滿足要求的前提下, 可保證較高的導引精度。但不同的水文條件對應的聲吶跟蹤距離不同, 而誤差指標值也只反映了一定跟蹤距離范圍內的聲吶測向誤差, 當目標信噪比較小且起伏較大時, 聲吶目標測向數據跳動較大, 由于測向誤差計算中通常使用聲速修正、野點剔除等方法, 人為剔除了聲吶目標方位序列中測量值較大的部分, 使得計算出的聲吶測向誤差值較武器系統實際使用數據的誤差值偏小, 甚至某些時刻兩者的誤差值存在較大差異。在這種情況下, 武器系統使用指標超差的目標測向數據, 會導致魚雷的導引精度較理論指標計算值偏大, 最終影響武器系統的發現概率。

2 建模及仿真

2.1 現在方位導引方法數學模型

現在方位導引方法適用于在綜合聲吶遠距離發現并跟蹤目標而未知目標運動要素的情況下, 具有自適應目標變向變速機動的能力, 是對抗條件下最為實用的導引方法。該方法的導引準則是將魚雷導引到現在時刻的發射艇和目標連線上, 也就是說魚雷在下一導引時刻應落在現在的發射艇和目標的連線上。

圖1給出了現在方位法的導引模式[4-5]。圖中沒有考慮平臺聲吶的測量誤差和魚雷位置解算及遙控的誤差。

本艇位置

魚雷方位與現在目標方位之差

目標相對本艇舷角

魚雷與現目標方位平行線的相對距離

則

本次導引魚雷瞬時航向

2.2 仿真計算與分析

針對所建數學模型, 采用matlab語言建立仿真系統, 并對魚雷攻擊過程進行統計仿真。仿真條件為[6-9]: 仿真次數1 000次, 導引間隔T為 8 s, 攻擊艇航速6 kn, 航向90°; 目標艦航速V為14~20 kn(文中選取18 kn), 航向H為90°, 初始目標方位F為0°; 魚雷航速45 kn, 初始射距S為16~22 km(文中選取20 km), 自導作用距離Y為600~1 200 m(文中選取800 m), 自導扇面90°, 魚雷航程、航速誤差、航向誤差均滿足相關要求。

1) 武器系統發現概率隨聲吶測向誤差和魚雷初始攻擊距離變化的仿真結果見圖2。從圖中可以看出, 魚雷初始攻擊距離不變時, 隨著聲吶測向誤差逐漸變大, 發現概率逐漸變小; 聲吶測向誤差不變時, 隨著魚雷初始攻擊距離逐漸增大, 發現概率快速變小。

圖2 仿真結果圖1

2) 武器系統發現概率受魚雷噪聲遮蔽引起的聲吶測向誤差變化的仿真結果見圖3。從圖中可以看出, 受魚雷噪聲遮蔽影響, 聲吶后期跟蹤目標出現間斷丟失現象時, 隨間斷時間和聲吶測向誤差變大, 發現概率呈明顯下降趨勢; 但在魚雷出管初期, 魚雷噪聲遮蔽對攻擊效果的影響甚小, 該部分仿真中發現概率幾乎不變。

3) 武器系統發現概率受目標艦變速變向影響, 采取水聲對抗引起的聲吶測向誤差變化的仿真結果見圖4。從圖中可以看出, 目標轉向增大, 同時實施水聲對抗時, 隨航向改變和聲吶測向誤差變大, 發現概率呈明顯下降趨勢, 且在聲吶測向誤差不變時, 航向改變較大時發現概率下降較快。

4) 武器系統發現概率受實際聲吶誤差和理論誤差不同變化的仿真結果見圖5。從圖中可以看出, 當實際聲吶誤差大于理論誤差時, 實現發現概率小于理論意義上的發現概率, 兩者隨魚雷自導作用距離的增大而趨于一致。

圖3 仿真結果圖2

圖4 仿真結果圖3

圖5 仿真結果圖4

3 應對策略和方法

3.1 魚雷初始攻擊距離選擇影響發現概率

選擇合理的魚雷初始距離應注重以下條件: 1) 魚雷航程, 即考慮不同型號魚雷搜索、跟蹤、攻擊彈道的復雜性, 結合攻擊態勢, 預估魚雷最大初始攻擊距離, 確保魚雷實際航程不超過最大值; 2) 聲吶目標的穩定探測距離, 平臺聲吶穩定跟蹤目標時, 指控能解算出較為準確的目標運動要素, 有利于線導魚雷的攻擊, 大幅提升系統的發現概率。

因此, 應在深入研究這兩方面的基礎上, 借助大量仿真和實航試驗, 摸清不同攻擊態勢、不同水文條件下魚雷初始攻擊距離、魚雷航程及發現概率之間的相互關系, 統計形成初始攻擊射距表, 指導潛艇魚雷攻擊作戰使用。

3.2 魚雷噪聲遮蔽引起的聲吶跟蹤丟失

線導魚雷出管時, 為避免出管噪聲對平臺聲吶跟蹤產生影響, 平臺聲吶會將目標跟蹤置為無效, 當聲吶再次捕捉到目標后, 聲吶操作員應及時重新跟蹤目標, 需要注意的是, 一定要用原跟蹤器跟蹤目標, 以免目標運動要素解算出現錯誤; 當魚雷與目標出現方位重合后, 為避免魚雷自噪聲遮蔽目標, 可采用修正方位導引法[3], 即將魚雷導向偏離目標方位某個角度的位置, 使魚雷方位與目標方位之間夾角大于聲吶對2個不等強度目標的分辨角, 從而使聲吶能繼續跟蹤目標。當魚雷距本艇越來越遠時, 自噪聲逐步減小, 聲吶分辨角也隨之縮小, 通過不斷減小偏離角, 轉為方位導引方法繼續導引魚雷攻擊目標。

3.3 目標變速變向機動規避及采取水聲對抗造成聲吶目標跟蹤不穩定或丟失

當魚雷發射出管信號被目標偵測到后, 目標通過變深、轉向等機動手段規避或逃離潛艇聲吶有效觀測范圍, 此時應采取靈活有效的戰技術策略: 1) 適當降低潛艇航速, 切換聲吶頻段持續偵測目標信號, 若在目標信號消失的預計距離上仍無法偵測到目標, 可及時轉人工遙控魚雷自導開機, 使魚雷能夠主動捕獲目標; 2) 潛艇循著目標原方位線接近目標, 進行必要的戰術機動, 待目標方位數據趨于穩定后, 采用人工估距, 選擇合理的目標運動要素解算算法解算目標運動要素, 基本收斂后再發射魚雷發起攻擊。

目標施放對抗器材后, 聲吶顯控臺上可能會出現多個目標, 聲吶操作員必須對干擾目標具有足夠的辨識能力: 1) 熟練掌握不同對抗器材的原理特點。噪聲干擾器主要用來抬高對抗區域的背景噪聲, 使用聲吶和魚雷無法發現目標; 自航式水聲對抗器材在模擬目標噪聲的同時, 還能模擬對魚雷主動尋的信號的應答, 且模擬目標噪聲一般強于真實目標; 2) 增強對假目標的識別能力。對于噪聲干擾器, 若在跟蹤目標過程中聲吶顯控臺出現連續頻段的強噪聲能量, 則可建議指控改為人工導引法, 以最短距離遙控魚雷穿過噪聲區域, 以本艇和噪聲干擾器連線的方向作為魚雷的遙控航向, 遙控魚雷捕獲目標; 對自航式水聲對抗器材, 若聲吶在跟蹤目標過程中, 突然出現目標噪聲變強、目標運動軌跡清晰、應答信號規整等現象, 則應著重考慮聲吶是否已經跟錯目標, 聲吶操作員可在假目標航向的大角度反航向范圍內重新搜索跟蹤目標。

3.4 武器系統聲吶測向誤差使用值與指標值不一致

改進和完善聲吶測向誤差計算方法, 將聲吶探測納入武器系統全流程試驗中, 以實戰化、系統化為要求, 按照指控系統對聲吶目標測向數據的實際使用方式對聲吶探測數據進行預處理, 得出使用值和指標值一致的聲吶測向誤差, 以此為依據, 進行目標運動要素和導引精度計算, 統計評估系統發現概率, 得出符合實際情況的作戰效果預估值。

4 結束語

潛艇魚雷武器系統利用聲吶方位序列導引線導魚雷對目標進行攻擊, 是一個十分復雜的技戰術運用過程。受限于平臺聲吶對目標探測的正確性、準確性及穩定性等, 存在魚雷發現概率降低、攻擊效率不高甚至攻擊失敗的問題。文中通過分析和仿真驗證的方法揭示出了魚雷初始攻擊距離、噪聲遮蔽和目標干擾等條件下系統發現概率的變化規率, 給出了操作及戰術層面的使用方法和工程實踐。未來一方面可通過提升聲吶裝備的性能, 增強其在復雜背景下的目標跟蹤、目標測向能力; 另一方面應提高聲吶操作員的操作訓練水平, 實現人、平臺和武器的最佳結合, 從而達到精確導引魚雷武器[9], 以提高魚雷武器系統作戰效果的目的。

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(責任編輯: 楊力軍)

Influence of Sonar Detection on Detection Probability of Submarine Torpedo Weapon System

ZHANG Yong-feng, LI Zhi-wei

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

When a submarine launches a wire guided torpedo in a hidden mode to attack a surface target, the front sonar detection ability of a weapon system significantly affect the detection probability and attack effect. This paper analyzes several sonar target detection factors influencing the detection probability, establishes a model by suing the present bearing guidance method and simulate the torpedo attack of the weapon system. Simulation reveals the change ruler of weapon system′s detection probability in the case of different torpedo initial attack distance and instable target tracking, and corresponding strategies and methods are given to provide a reference for torpedo attacking and engineering practice.

torpedo; weapon system; present bearing guidance method; detection probability

張永峰, 李志偉. 聲吶探測對潛艇魚雷武器系統發現概率的影響[J].水下無人系統學報, 2017, 25(4): 359-364.

TJ630.2; U666.7

A

2096-3920(2017)04-0359-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.009

2017-01-25;

2017-04-15.

張永峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向為武器系統試驗技術.