魚雷多目標威脅評估建模與仿真

楊向鋒, 楊云川, 張 奎, 石 磊

魚雷多目標威脅評估建模與仿真

楊向鋒, 楊云川, 張 奎, 石 磊

(中國船舶重工集團公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075)

使用水聲對抗器材誘騙、干擾魚雷是現代潛艇最重要的反魚雷措施之一, 魚雷攻擊潛艇時會出現潛艇與各種對抗器材共存的現象, 在一定時間及空間范圍表現為多目標。由于魚雷必須對多目標的攻擊價值進行評價,優選威脅度高的目標進行攻擊, 以保證魚雷作戰效能。基于此, 分析了魚雷多目標的威脅因素及其對威脅評估的影響, 提出了威脅因素的量化方法, 建立了魚雷多目標威脅評估的模型, 為魚雷多目標作戰優選打擊提供了一種方法, 具有一定的工程應用價值。

魚雷; 多目標威脅評估; 目標威脅因素

0 引言

魚雷是海軍的主要反潛武器之一, 對潛艇構成很大的威脅, 因此現代潛艇一般都裝備多種對抗魚雷的反魚雷裝備[1]。聲誘餌在水聲對抗中具有良好的效果, 是潛艇裝備的主要對抗器材之一, 其主要包括懸浮式聲誘餌、自航式聲誘餌、自航式尺度聲誘餌等[2]。潛艇受到魚雷攻擊時, 在機動規避的同時會釋放各種對抗器材誘騙、干擾魚雷, 消耗魚雷航程以達到逃生的目的。因此魚雷攻擊潛艇時會出現潛艇與各種對抗器材共存的現象, 并在一定時間及空間范圍內表現為多目標。魚雷若想提高作戰效能就必須對多目標進行威脅度評價, 從而選擇最具威脅的目標進行攻擊。

多目標威脅評估一直以來是研究熱點, 在飛機空戰[3-4]、防空作戰[5-6]及空對地作戰[7]等領域取得了一些成果, 但魚雷多目標威脅評估目前處于起步階段, 研究成果不多[8]。本文主要研究魚雷多目標威脅評估問題, 分析了魚雷多目標的威脅因素及其對威脅評估的影響, 建立了魚雷多目標威脅因素的量化模型及綜合威脅度評估模型, 為魚雷在多目標作戰優選打擊提供了一種方法。

1 影響威脅評估的因素

魚雷多目標的威脅度是指魚雷作戰過程中目標的攻擊價值。威脅度高, 表明目標可能是潛艇, 值得魚雷攻擊; 威脅度低, 表明目標可能是聲誘餌, 攻擊價值較低。

魚雷多目標的威脅度主要由目標特性決定, 評估目標的威脅程度要考慮以下因素。

1) 尺度特征: 潛艇具有一定的空間尺寸, 魚雷通過目標多亮點分析可以獲得潛艇在水平方向的“長度”特征和垂直方向上的“高度”特征, 聲誘餌難以模擬潛艇的空間幾何特征, 特別是垂直尺度, 因此具有尺度特征的目標威脅度高。

2) 空間張角[9-10]: 潛艇的空間幾何特征導致回波的相位在不同時刻具有一定的差別且服從一定的分布, 魚雷對目標回波進行相位分析或者通過多亮點空間擬合可以獲得目標空間張角, 聲誘餌難以模擬目標回波的空間張角, 因此具有空間張角的目標威脅度高。

3) 航行速度: 目標航行速度是其重要的運動學參數之一, 魚雷通過目標跟蹤可以獲得目標的航行速度, 潛艇航速可以達到35 kn, 懸浮式聲誘餌基本靜止, 自航式聲誘餌一般航速低于10 kn, 因此航行速度高的目標威脅度高。

4) 多普勒速度(多普勒頻移): 潛艇魚雷報警系統發現魚雷后, 潛艇一般會向遠離魚雷方向高速機動, 此時魚雷追擊目標, 多普勒速度較低, 魚雷迎擊目標時多普勒速度較高, 而迎擊態勢下的目標是聲誘餌的可能性更大, 因此低多普勒速度目標威脅度高。

5) 多普勒速度匹配度: 魚雷根據目標航行速度及魚雷航行姿態可以估計出目標的多普勒速度, 同時魚雷通過信號檢測可以檢測到目標的多普勒速度, 潛艇的2種多普勒速度來自相同的物理過程, 其值會比較接近, 而聲誘餌的檢測多普勒速度可能通過人工設定, 因此檢測多普勒速度與估計多普勒速度匹配程度高的目標威脅度高。

6) 距離: 潛艇對抗魚雷時會向遠離魚雷方向高速機動, 同時會在魚雷航路上布放聲誘餌, 或靜止或向其他方向運動以達到干擾誘騙魚雷的目的, 而聲誘餌由于其航行速度低于潛艇, 一般情況下檢測距離比潛艇的近, 因此檢測距離遠的目標威脅度高。

2 威脅評估模型

2.1 威脅因素量化模型

由于不同威脅因素的量綱和表達參數不同, 對威脅度的影響也不同, 為此需要對各種因素進行規范化量化處理。

1) 垂直尺度: 垂直尺度反映目標高度, 主要是指潛艇艦橋與艇身共同形成的約10~15 m的高度[11]。受到水聲環境影響, 魚雷估計得到的垂直尺度存在誤差, 一般認為其服從高斯分布, 因此垂直尺度的量化模型

2) 水平尺度: 水平尺度反映目標長度, 主要指潛艇艇身約80~150 m的長度[11]。受到水聲環境影響, 魚雷估計得到的水平尺度存在誤差, 一般認為其服從高斯分布, 故水平尺度的量化模型

3) 空間張角: 空間張角也反映了目標的水平尺度特征, 空間張角估計受潛艇弦角影響較大, 弦角在20o~ 70o范圍時空間張角估計值較大[10-11], 弦角較大或較小時空間張角估計值較小, 因此空間張角的量化模型為

4) 航行速度: 航行速度反映了目標在大地坐標系下的運動特征, 目標航速的相對大小表征了目標的相對威脅程度, 航速越高目標威脅度越高, 因此多目標航行速度的量化模型

5) 多普勒速度: 多普勒速度反映了魚雷與目標的相對運動關系, 多普勒速度的相對大小表征了目標的相對威脅程度, 多普勒速度越低目標威脅度越高, 因此多目標多普勒速度的量化模型

6) 多普勒速度匹配度: 多普勒速度匹配度反映了目標運動學參數估計多普勒速度與目標檢測多普勒速度的匹配程度, 二者越匹配, 目標威脅度越高。這2種方法獲得的多普勒速度都存在誤差, 一般認為其服從高斯分布, 因此多目標多普勒速度的量化模型

7) 距離: 距離反映了魚雷與目標的相對距離, 距離的相對遠近表征了目標的相對威脅程度, 距離越遠目標威脅度越高, 因此多目標距離的量化模型

2.2 綜合威脅度評估模型

確定威脅加權系數后, 綜合威脅度向量

3 仿真算例

仿真場景為魚雷以20 m/s直行, 水平面內有3個目標, 1號為懸浮式聲誘餌, 2號為潛艇, 3號為自航式尺度聲誘餌, 如圖1所示。

圖1 魚雷多目標示意圖

表1 多目標信息參數

4 結束語

本文分析了影響魚雷多目標威脅評估的因素, 建立了各種威脅因素的量化模型和綜合威脅度評估模型, 采用威脅因素重要性加權因子來平衡各因素對綜合威脅程度的影響, 提出了一種魚雷多目標威脅評估的方法, 仿真算例證明該方法能實現魚雷多目標威脅評估, 具有一定的工程參考價值。本文是對魚雷多目標威脅評估的初步探討, 威脅因素量化方法以及加權因子選擇方法有待進一步研究和完善。

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(責任編輯: 楊力軍)

Modeling and Simulation for Evaluation of Multiple-Target Threat Against Torpedo

YANG Xiang-fengYANG Yun-chuanZHANG KuiSHI Lei

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

One of the most important countermeasures taken by a submarine against a torpedo is using equipments of acoustic countermeasure to decoy or interfere with the torpedo. The submarine and the equipments of acoustic countermeasure coexist in special time and location, exhibiting multiple targets for the torpedo. So the torpedo must evaluate and choose the most threatening target to assure the operational efficiency. In this paper, the threat factors of the multiple targets and their effect on the threat evaluation are analyzed. A quantification method of the threat factors is proposed, and an evaluation model of multiple-target threat for torpedo is established for torpedo selective attack on multiple targets.

torpedo; multiple-target threat evaluation; target threat factor

TJ630.34

A

1673-1948(2014)05-0337-04

2014-07-10;

2014-08-14.

楊向鋒(1978-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為水聲信號與信息處理、水下目標識別、跟蹤及水聲反對抗.