基于舷角變化信息的來襲魚雷彈道類型判別方法

夏志軍,杜選民,章新華,康春玉

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系，遼寧 大連 116018；2.水聲對抗技術(shù)國防科技重點實驗室, 上海 201108)

潛艇水下魚雷攻擊是水面艦艇在未來海戰(zhàn)中面臨的主要威脅，如何對來襲魚雷進行有效對抗是急需解決的重要問題。來襲魚雷導(dǎo)引方式不同，彈道類型不同，則需要的對抗器材類型，對抗方法也會有所差異。魚雷作為水下快速小目標(biāo)，隱蔽性強，水面艦艇可用主動或被動聲納對魚雷進行預(yù)警，為了有充裕的時間完成對魚雷的預(yù)警、探測、跟蹤、識別和對抗決策，艦艇需要在中遠距離對來襲魚雷報警，而主動聲納對來襲魚雷報警距離近，難以滿足對抗魚雷的及時性要求。通常情況下，中遠距離上的魚雷探測主要依靠被動聲納，而被動聲納只能獲得來襲魚雷的方位信息，無法獲取魚雷的距離信息和類型信息，給對抗器材的使用和艦艇規(guī)避決策帶來困難。一直以來，對來襲魚雷的識別僅僅依靠像素層范疇(LOFAR和DEMON譜分析技術(shù))[1]，且只能實現(xiàn)魚雷與非魚雷目標(biāo)的區(qū)別，而對相關(guān)戰(zhàn)術(shù)信息缺乏有效應(yīng)用，對來襲魚雷彈道類型的判別缺乏深入研究。因此，在魚雷向艦艇目標(biāo)接近過程中，如果能夠根據(jù)來襲魚雷的舷角變化信息，判斷來襲魚雷可能的攻擊彈道類型，則可為中遠距離對抗器材的使用及魚雷類型判別提供信息支持，提高艦艇反魚雷水聲對抗作戰(zhàn)決策的針對性和有效性。

1 潛射魚雷彈道模型

潛射魚雷按自導(dǎo)方式主要可分為直航、聲自導(dǎo)、線導(dǎo)+聲自導(dǎo)、線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)4種形式[2]，目前直航魚雷已較少運用，而線導(dǎo)+聲自導(dǎo)、線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷在向目標(biāo)接近過程中則采取線導(dǎo)導(dǎo)引，因此魚雷中遠距離向艦艇接近過程中，本文主要研究兩種不同類型的魚雷彈道，即聲自導(dǎo)魚雷彈道和線導(dǎo)魚雷彈道。

1.1 聲自導(dǎo)魚雷彈道模型

潛艇采用提前角法進行聲自導(dǎo)魚雷攻擊如圖1，圖1中T為魚雷位置，A為被攻擊艦艇位置，ct,vt為魚雷航向、航速，cs,vs為艦艇航向、航速，qt為魚雷所處艦艇的舷角，φ為理想攻擊提前角，Q為魚雷理想命中點，B為魚雷的有利導(dǎo)引點。魚雷按航向ct直航搜索接近目標(biāo)，與艦艇目標(biāo)在Q點相遇。采用提前角引導(dǎo)魚雷攻擊時潛艇須解算目標(biāo)運動要素，通常魚雷攻擊的正常提前角可表示為[3]

φ=arcsin(vssinqt/vt)

(1)

在一定射擊條件下，魚雷發(fā)現(xiàn)概率最高的提前角為有利提前角，即使魚雷自導(dǎo)扇面中的某點與目標(biāo)相遇，即將圖1中魚雷自導(dǎo)扇面內(nèi)的B點與目標(biāo)相遇。有利提前角φa可由K系數(shù)分段法和形心法近似求解，通常可由式(2)近似估計魚雷攻擊的有利提前角φa[4]：

φa=Karcsin(vssinqt/vt)

(2)

式(2)中:K為優(yōu)化系數(shù)，由魚雷自導(dǎo)性能確定，qt為艦艇相對魚雷舷角。

1.2 線導(dǎo)魚雷彈道模型

線導(dǎo)魚雷導(dǎo)引方法主要包括現(xiàn)在方位法導(dǎo)引、修正方位導(dǎo)引、前置點導(dǎo)引、人工導(dǎo)引等。盡管線導(dǎo)魚雷存在多種不同的導(dǎo)引方法，但以“三點一線”為特點的現(xiàn)在方位導(dǎo)引是潛艇控制魚雷攻擊目標(biāo)的必經(jīng)過程，特別是在有干擾條件下，現(xiàn)在方位導(dǎo)引法是對機動目標(biāo)唯一有效的導(dǎo)引方法[5-6]。現(xiàn)在方位導(dǎo)引僅需要目標(biāo)方位，潛艇、魚雷位置及其航行參數(shù)信息，就可對線導(dǎo)魚雷進行控制和導(dǎo)引。

本文主要研究線導(dǎo)魚雷的現(xiàn)在方位法導(dǎo)引彈道，潛艇按周期測定目標(biāo)艦艇所在方位，根據(jù)魚雷位置和速度信息，控制魚雷航向，使其方位與艦艇所在方位相一致[7]。如圖2所示，Sb0、S0分別為魚雷發(fā)射t0時刻潛艇和艦艇所在位置，csb、cs分別潛艇和艦艇的航向，艦艇相對潛艇初始目標(biāo)方位為B0。Sb1、S1為t1時刻潛艇和艦艇所在位置，此時艦艇相對潛艇方位為B1。魚雷出管后自主航行，然后按照設(shè)定的轉(zhuǎn)角ω轉(zhuǎn)至L1點，轉(zhuǎn)入線導(dǎo)階段。Sb2和S2，Sb3和S3…分別為導(dǎo)引時刻t2、t3…潛艇和艦艇所在位置，艦艇相對潛艇所在方位分別為B2、B3…。若在導(dǎo)引時刻ti潛艇位置點為(xsbi,ysbi)，艦艇在潛艇方位為Bi，艦艇目標(biāo)方位線方程可表示為[5]

(3)

式(3)中k為方位線直線方程斜率。

圖2 魚雷現(xiàn)在方位法攻擊示意圖

為了提高魚雷轉(zhuǎn)入聲自導(dǎo)狀態(tài)后對目標(biāo)的搜索、捕獲能力，線導(dǎo)魚雷通常按有利點進行導(dǎo)引，有利點位于魚雷縱軸線前方r0點，根據(jù)魚雷的當(dāng)前位置(xti,yti)，魚雷航速vt及魚雷有利點引導(dǎo)位置，可以得到魚雷有利提前點滿足的位置方程為

(x-xti)2+(y-yti)2=(Δt·vt+r0)2

(4)

式(4)中Δt為線導(dǎo)魚雷導(dǎo)引時間間隔。

由式(3)、(4)得有利提前點與目標(biāo)方位線Bi的交點，若存在兩個交點，通常取距離發(fā)射艇較遠的交點作為當(dāng)前時刻魚雷導(dǎo)引的目標(biāo)位置點(xt(i+1),yt(i+1))。

如果為線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷，線導(dǎo)階段潛艇需要將魚雷導(dǎo)引至滯后于當(dāng)前艦艇目標(biāo)所在方位的某點，以使魚雷能夠有效捕獲艦艇尾流，線導(dǎo)彈道模型與線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷類似。

因此，通過現(xiàn)在方位導(dǎo)引法，潛艇在只有目標(biāo)方位信息的條件下，根據(jù)潛艇、魚雷位置及其航行信息，可以將魚雷導(dǎo)向被攻擊的艦艇目標(biāo)。

2 基于舷角變化信息的彈道判別方法

2.1 判別依據(jù)

艦艇對中遠距離來襲魚雷報警時通常只能獲取方位信息，處于聲自導(dǎo)彈道中的魚雷和處于線導(dǎo)導(dǎo)引階段的魚雷相對艦艇的舷角變化規(guī)律是不同的，可以根據(jù)魚雷報警舷角的變化情況判斷魚雷可能的彈道信息。

當(dāng)潛艇對魚雷采用現(xiàn)在方位法導(dǎo)引時，為了保持平臺對魚雷的導(dǎo)引，潛艇通常選擇較低的航速，魚雷的攻擊彈道主要取決于艦艇目標(biāo)的機動，假設(shè)艦艇在水聲對抗決策之前保持直航，且水面艦艇的航速明顯高于潛艇航速。由圖2可知，水面艦艇從S1到S4的運動過程中，魚雷從L1到L4，魚雷相對艦艇所在舷角明顯增大，而舷角變化范圍與對抗態(tài)勢及艦艇和潛艇的運動狀態(tài)有關(guān)。可見，當(dāng)魚雷在向被攻擊艦艇接近過程中，魚雷相對艦艇所在舷角會變大，相對于魚雷有利提前角攻擊彈道，現(xiàn)在方位法攻擊彈道的舷角變化更為明顯，因此，根據(jù)艦艇對來襲魚雷報警后，魚雷報警舷角的變化情況可以對來襲魚雷的攻擊彈道類型進行初步判斷，為水聲對抗決策提供依據(jù)。

根據(jù)不同魚雷導(dǎo)引方式的特點，可設(shè)定魚雷報警舷角的變化范圍ΔqT，在特定時間間隔范圍內(nèi)，當(dāng)魚雷舷角變化量大于ΔqT時，可判斷為現(xiàn)在方位法攻擊彈道，否則為提前角或有利提前角攻擊彈道。舷角變化量ΔqT的范圍，需要根據(jù)具體的作戰(zhàn)對象和對抗態(tài)勢進行分析，本文將在特定戰(zhàn)、技術(shù)背景下的判斷方法進行仿真分析。

2.2 仿真分析

2.2.1仿真參數(shù)

仿真參數(shù)如表1所示。對抗仿真時的來襲魚雷的報警距離分為遠距離(30～40cab)、中等距離(20～30cab)兩種情況，在不同的報警舷角下，進行1 000次的蒙特卡洛仿真，統(tǒng)計判斷時間分別為30 s和60 s。

2.2.2仿真結(jié)果

不同報警距離，各報警舷角下，魚雷采取有利提前角彈道攻擊和現(xiàn)在方位法彈道攻擊時，魚雷報警舷角的變化圖3、圖4所示。由表1可以看出：相同對抗態(tài)勢下，艦艇對來襲魚雷報警后，魚雷有利提前角攻擊彈道和現(xiàn)在方位法攻擊彈道下相對艦艇的舷角變化范圍是不同的，考慮魚雷報警聲納方位誤差的影響，有利提前角攻擊彈道的舷角變化量有限。魚雷報警舷角變化范圍與魚雷來襲距離、舷角和判斷時間有關(guān)，距離越近，變化范圍越大；判斷時間越長，變化范圍越大；魚雷大舷角或小舷角來襲時，報警舷角變化較小。通常情況下，魚雷現(xiàn)在方位導(dǎo)引彈道舷角的變化范圍大于有利提前角攻擊彈道舷角變化范圍，在魚雷大舷角或小舷角來襲時，兩種魚雷攻擊彈道下魚雷報警舷角變化范圍比較接近。

表1 仿真計算參數(shù)

圖3 魚雷遠距離報警時相對艦艇舷角變化

圖4 魚雷中等距離報警時相對艦艇舷角變化

3 結(jié)論

實際對抗中應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)場水聲環(huán)境條件、魚雷報警聲納性能、作戰(zhàn)對象魚雷性能等，結(jié)合艦艇內(nèi)外部戰(zhàn)術(shù)情報信息，對來襲魚雷報警距離進行估計，在一定時間內(nèi)對魚雷舷角變化進行統(tǒng)計，分析、判斷來襲魚雷攻擊彈道類型：

1)在魚雷非大舷角和小舷角魚雷來襲情況下，若來襲魚雷舷角變化范圍Δq較小，或基本保持不變，則認(rèn)為來襲魚雷處于提前角或有利提前角攻擊彈道；若Δq大于某一范圍ΔqT，則可認(rèn)為來襲魚雷處于現(xiàn)在方位法攻擊彈道。具體舷角變化范圍ΔqT根據(jù)可能的魚雷距離、對抗對象和判斷時間確定。

2)魚雷報警距離較遠，且魚雷從大舷角或小舷角來襲時，兩種攻擊彈道相對艦艇報警舷角變化量比較接近，按照保守對抗原則，可認(rèn)為襲魚雷處于威脅更大的現(xiàn)在方位導(dǎo)引法攻擊彈道進行對抗。

來襲魚雷舷角變化信息是艦艇水聲對抗中的重要決策參考信息，可作為中遠距離來襲魚雷類型識別的重要依據(jù)，對提高反魚雷作戰(zhàn)的針對性和有效性具有重要意義。但對于近距離魚雷跟蹤彈道或者滑模控制等新型魚雷導(dǎo)引彈道的判別方法還需進一步研究[8]。