水面艦魚雷防御仿真系統研究?

劉征宇 劉本奇 吳 雙

（1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室 上海 201108）（2.上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

水面艦魚雷防御仿真系統研究?

劉征宇1劉本奇2吳 雙2

（1.海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室 上海 201108）（2.上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

水面艦魚雷防御仿真系統對于研制新型水面艦水聲對抗系統具有指導作用。通過對仿真系統進行功能分析，確定了水面艦魚雷防御仿真系統的硬件組成、拓撲結構、數據傳輸結構，根據作戰演習中的角色劃分，將魚雷防御仿真評估系統分為攻擊方、防御方和公共方三大部分，給出了水面艦魚雷防御系統仿真試驗運行實例，驗證了水面艦魚雷防御系統仿真的可行性。

水面艦；魚雷防御；仿真

1 引言

魚雷防御技術的發展對保衛本艦的安全有著重要的意義，因此，如何提高魚雷防御的技術水平已經成為世界各國海軍競相發展的重要任務［1］。近幾十年來，美、意、英、法、俄等國的海軍投入了大量的人力、物力和財力，研究如何有效提高反潛和反魚雷能力［2～5］。到目前為止，世界各國研制的干擾器、聲誘餌、潛艇模擬器、氣幕彈、攔截網、火箭深彈等對抗器材已達上百種，隨著水聲探測技術和魚雷武器自導技術的不斷發展，水聲對抗器材向著自航式、火箭助飛式、空投、硬殺傷和智能化方向發展［6］。隨著聲納技術和魚雷技術的飛速發展，傳統的利用單一對抗器材防御來襲魚雷的方式已不能滿足海軍作戰的要求，而一個能夠對抗不同雷型和不同自導方式魚雷的完整的水聲對抗系統，已經成為當前形式下的迫切需求［7～8］。

本文以水面艦對抗線導+尾流自導魚雷為背景，建立了水面艦魚雷防御仿真系統這一仿真試驗平臺，在此基礎上研究潛艇發射尾流自導魚雷攻擊水面艦艇，水面艦魚雷防御系統采用軟、硬殺傷對抗器材實施對抗這一過程的仿真與作戰效能評估，為優化水面艦水聲對抗系統方案設計以及對抗器材的研制和改進提供有價值的參考依據。

2 水面艦魚雷防御仿真系統功能分析

水面艦魚雷防御仿真系統主要完成水面艦艇采用軟、硬殺傷對抗器材防御線導+尾流自導魚雷的對抗效能評估［9～10］。水面艦魚雷防御仿真系統的功能描述如下：

1）水面艦魚雷防御系統仿真演示

對仿真系統中的各參戰實體的三維模型、海洋環境以及特殊效果（爆炸、聲波、海浪、尾流等）進行建模，并建立相應的三維模型數據庫以及場景聲效數據庫，使整個魚雷防御試驗仿真過程可以采用虛擬現實的方式逼真地演示出來。同時，能夠對各個仿真實體的工作狀態、相關參數以及作戰態勢以曲線、圖、表等方式進行實時地顯示。

2）魚雷防御動態試驗模擬

在攻防雙方參數給定的條件下，能夠實現采用典型軟殺傷對抗器材［11～12］（噪聲干擾器、尾流模擬器）、硬殺傷對抗器材［13～14］（聲誘餌、攔截網）防御來襲線導+尾流自導魚雷的對抗過程仿真，并可以真實的時間比例仿真魚雷防御動態試驗的整個過程［15～16］。

3）魚雷防御系統效能評估

依據魚雷防御作戰使用的條件、隨機干擾因素以及效能評估指標體系建立魚雷防御試驗統計模型，通過初始態勢、海洋環境、戰術方案等參數的改變、仿真時間步長的壓縮，對每種情況都可進行多次仿真實驗，給出統計意義上的魚雷防御系統作戰效能。

4）魚雷防御方案優選

在魚雷、對抗器材性能參數、環境參數給定的情況下，針對不同的作戰態勢，對器材的發射枚數、發射時機、發射方位、發射距離以及水面艦規避的速度、航向等，進行一系列的魚雷防御動態仿真試驗，可評估不同作戰方案的優略，為魚雷防御作戰方案的優選提供依據。

3 水面艦魚雷防御仿真系統設計

為研究對抗尾流自導魚雷的作戰效能，建立了水面艦魚雷防御仿真系統，系統包括攻擊方［18］的艦艇、魚雷，防御方的水面艦、對抗器材，公共方的導演臺［19］、三通道視景系統［20］、海洋聲信道［21］、SQL數據庫服務器及RTI仿真服務器［22～23］，系統硬件組成如圖1所示。

圖1 水面艦魚雷防御仿真系統硬件組成

為了提高系統可信度和可擴充性，系統設計為參數級和信號級兩大仿真平臺，仿真系統的初始參數、控制、運動、解算等信息則在參數級仿真平臺上通過以太網傳輸。系統拓撲結構如圖2所示。

由于系統需要模擬各個作戰實體的聲學特性，而聲信息的傳輸與信號處理計算工作量較大，所以與聲學特性相關的節點的信號處理部分由信號處理機實時完成，構建成信號級仿真平臺，其數據傳輸結構如圖3所示，聲信息通過DSP機箱中的光纖接口卡進行高速點對點傳輸，這樣就保證了大量聲信息傳輸和處理的實時性。

圖2 水面艦魚雷防御仿真系統拓撲結構圖

圖3 信號級仿真平臺數據傳輸結構圖

為了使建立的水面艦魚雷防御仿真系統具備評估對抗尾流自導魚雷作戰效能的功能，在完成線導魚雷導引聲納、尾流自導魚雷的仿真的基礎上，對噪聲干擾器、聲誘餌［17］、尾流模擬器、攔截網等典型軟硬殺傷對抗器材進行了仿真設計和實現，同時對本艦的機動運動、聲學特性、尾流特性進行了仿真設計和實現。

4 水面艦魚雷防御系統仿真試驗運行實例

4.1 仿真試驗流程

首先，確定仿真初始參數，在基于信號級仿真平臺的每個仿真步長內，魚雷、本艦在每個仿真節拍內按自身運動規律運動，線導魚雷根據聲納檢測模型進行檢測，尾流自導魚雷對尾流區進行分步檢測，根據檢測結果來決定魚雷下一時刻的操舵角，記錄各參戰實體的處理結果。

然后，在魚雷防御仿真系統這一試驗環境下，根據模擬統計試驗原理，確定將要開展的仿真總次數N，基于模擬仿真的方式，并考慮相應隨機誤差模型開展仿真試驗。在給定態勢下，魚雷按不同來襲弦角攻擊本艦，本艦采用分層對抗措施進行對抗，統計本艦生存概率提高率和其它評估指標。

水面艦魚雷防御仿真系統的仿真試驗流程如圖4所示。

仿真系統中的各參戰實體模型，均依據自身的運動規律運動和轉向規避，對抗雙方參戰實體將依據自身的仿真模型來計算作用距離或范圍、目標方位信息等，魚雷根據線導或尾流自導模型來檢測、跟蹤目標，在相關初始參數確定的條件下，通過執行N次仿真試驗，統計評估指標來評價對抗器材的對抗性能。

圖4 水面艦魚雷防御仿真試驗流

仿真結束后，記錄仿真成功的次數，成功次數和仿真總次數相比，得出水面艦生存概率等評估指標。

4.2 系統運行效果

系統運行前，首先運行軟件來啟動仿真環境，然后打開所有仿真節點，系統各節點做好仿真前準備后，由導演臺控制整個系統的運行。導演臺節點仿真軟件運行如圖5所示。

系統采用噪聲干擾器、尾流模擬器和攔截網對抗來襲線導+尾流自導魚雷的運行實例，可從系統導演臺上看到整體的作戰態勢，以及魚雷彈道、本艦航跡和對抗器材落點等信息，如圖6所示。

從圖6中的運行實例可以看出，噪聲干擾器的使用，使敵方潛艇的導引聲納受到干擾而無法正常工作，尾流模擬器也成功消耗了魚雷的航程，但由于尾流模擬器的使用枚數不足，模擬尾流區域長度不夠，使尾流自導魚雷進入了漸開線再搜索彈道，再入尾流后采用攔截網完成了對抗，因此，該運行實例既證明了尾流自導魚雷彈道的正確性，又說明了軟殺傷對抗器材（尾流模擬器和噪聲干擾器）的有效性，同時也可以看出攔截網組成的攔截陣對近程尾流自導魚雷的攔截效果。

圖5 系統導演臺仿真節點

圖6 組合對抗條件下的導演臺作戰態勢運行示意圖

系統在初始化時，水面艦仿真軟件、魚雷仿真軟件、海洋信道仿真軟件在等待系統導演臺的仿真開始命令（如圖7所示）。

5 結語

為優化水面艦水聲對抗系統方案設計以及對抗器材的研制和改進，建立了水面艦魚雷防御仿真系統，為了評估對抗線導+尾流自導魚雷作戰效能的功能，在完成線導魚雷的導引聲納、尾流自導魚雷仿真的基礎上，對噪聲干擾器、聲誘餌、尾流模擬器、攔截網等典型軟硬殺傷對抗器材進行了仿真設計和實現，同時對本艦的機動運動、聲學特性、尾流特性進行了仿真設計和實現。水面艦魚雷防御仿真系統為優化水面艦水聲對抗系統方案設計以及對抗器材的研制和改進提供有價值的參考依據。

圖7 水面艦、魚雷、海洋信道仿真節點軟件運行狀態

［1］Stephen C Wales，Richard M Heitmeyer，An Ensemble Source spectra Model for Merchant Ship-radiated Noise［J］.Acoust.Soc.Am．2002，111（3）：1211-1231.

［2］ R.H.Glendinning，Signal Plus Noise Models in Shape Classification［J］.Pattern Recognition，2004，27（6）：777-784.

［3］NeilF.Chamberlain，E.K.Walton，F.D.Walton，Radar Target Identification of Aircraft Using Polarization-Diverse Features［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，27（1）：58-67.

［4］J.S.Chen and E.K.Walton，Comparison of Two Target Classification Techniques［J］.IEEE Trans，2006：15-21.

［5］R.H.Glendinning，Signal Plus Noise Models in Shape Classification［J］.Pattern Recognition，2004，27（6）：777-784.

［6］楊日杰.現代水聲對抗技術與應用［M］.北京：國防工業出版社，2008：52-54.

［7］吳楚楚，周勝增，江林鋒.探測尾流自導魚雷主動聲納的波形設計［J］，聲學技術2014.02.33（1）：45-52.

［8］潘遜，張靜遠，張江.聲尾流自導魚雷導引策略仿真與優化［J］.海軍工程大學學報，2012.06，24（3）：98-102.

［9］張小慧等.基于HLA的水面艦艇魚雷防御系統仿真平臺［J］.系統工程與電子技術，2007，29（12）：2171-2175.

［10］F.P.A Benders.Torpedo and countermeasures modeling in the Torpedo Defence System Testbed［C］∕UDT Europe 2004：40-50.

［11］Claudio Ceccarini，Paolo Galletti.Anti-torpedo defence systems for submarines and surface ships（soft-kill）［C］∕∕UDT 1993：30-38.

［12］H.J.Grootendorst.Operational Analysis on Torpedo Defence［C］∕UDT Europe 2007：62-75.

［13］C.Wulfes.The MTW Hardkill System，a step forward in Torpedo Defence［C］∕UDT Europe 2000：55-70.

［14］Christian Wulfes.The MTW system，a hardkill torpedo defence system for surface ships［C］∕Proceedings of UDT 1999：25-33.

［15］陳春玉等.反魚雷技術［M］.北京：國防工業出版社，2006：110-112.

［16］張寶華.水面艦反魚雷防御技術的現狀和發展［J］.聲學技術，2015，34（2）：180-183.

［17］Iain Shepherd，Andrew Short.Surface ship torpedo defence-an examination of current torpedo countermeasures［C］∕Conference Proceedings on UDT Pacific 1998：90-95.

［18］董陽澤，陳琨.水聲對抗仿真系統研究中導演臺的功能［J］，聲學技術，2003，22（z2）：88-90.

［19］成建波，陳航.基于HLA的魚雷自導水聲對抗仿真系統［J］.航空計算技術，2014，44（3）：121-124.

［20］宋強等.一種海上戰場視景仿真系統的開發［J］.計算機仿真，2009，26（3）：16-20.

［21］笪良龍.海洋水聲環境效應建模與應用［M］.北京：科學出版社，2012：90-95.

［22］李凱等.基于HLA∕RTI的軍事仿真系統框架的設計［J］.2011全國仿真技術學術會議論文集，2011（z1）：90-93.

［23］彭亮，黃心漢.基于HLA和Vega Prime導彈作戰虛擬仿真系統研究［J］.中南大學學報（自然科學版），2011，42（4）：1015-1020.

Research on Simulation System of Surface Warship Torpedo Defence

LIU Zhengyu1LIU Benqi2WU Shuang2
（1.Shanghai Military Representative of Navy Equipment Department，Shanghai 201108）（2.Shanghai Marine Electronic Equipment Institute，Shanghai 201108）

surface warship，torpedo，simulation

TP391

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.001

AbatractSimulation system of surface warship torpedo defence is instructive to develop new pattern surface warship underwater acoustic countermeasure.Through the functional analysis of simulation system，hardware form，topology structure and data transmission structure of surface warship torpedo defence are comfirmed.Depending on different roles in battle manoeuvres，the torpedo defence simulation evaluated system is divided into attacker，defender and referee，and simulation running instance of surface warship defence system is presented，then the feasibility of surface warship torpedo defence system simulation is validated.

Class Number TP391

2017年4月5日，

2017年5月26日

劉征宇，男，碩士研究生，研究方向：水聲信號處理。劉本奇，男，碩士研究生，研究方向：水聲信號處理。

吳雙，男，碩士研究生，研究方向：水聲對抗。