艦艇編隊協同規避自導魚雷攻擊方法

夏志軍，章新華，錢海民

（1．海軍大連艦艇學院信息與通信工程系，遼寧大連116018; 2．91181部隊，遼寧大連 116018）

0 引言

編隊作戰是未來海戰的基本樣式，編隊所受威脅主要來自空中和水下，最直接的水下威脅是遭受魚雷攻擊。艦艇編隊目標大、隱蔽機動困難、組織協同難度大、行動易暴露，遭遇潛艇或潛艇戰斗群攻擊的可能性和危險性大，提高編隊的水下魚雷防御能力成為急需解決的問題［1］。機動規避是艦艇水聲對抗的重要措施之一，無論水聲對抗器材如何發展，都必須與機動規避相結合，才能取得最佳的對抗效果。

單艦條件下艦艇規避魚雷攻擊問題研究已較多，但對于更為復雜的編隊條件下的規避問題還缺乏深入的研究，本文在單艦規避方法的基礎上，重點研究典型艦艇編隊條件下，協同規避自導魚雷攻擊的原則和方法，并對該方法進行了仿真檢驗。

1 基本戰術想定

1.1 典型艦艇編隊組成

考慮反潛作戰的需要，艦艇編隊由3艘具有水聲對抗能力的艦艇組成，配備相應的水聲探測設備和水聲對抗器材，呈三角隊形配置，各艦間距相同。艦艇編隊配置及相應的坐標系如圖1所示。

1.2 對抗對象

對于線導+聲自導魚雷，艦艇進行純規避的生存概率很低，基本上無法利用純規避進行有效對抗;當線導魚雷受到干擾，引導平臺無法繼續為魚雷提供制導信息時，魚雷也會提前轉入聲自導狀態。所以本文研究對象主要是聲自導魚雷。潛艇在距離艦艇編隊10 km以外的位置實施魚雷攻擊，魚雷以有利提前角法被引導向編隊，并以被動工作方式探測、搜索，在捕捉到編隊艦艇后，轉為主、被動聯合制導工作方式以尾追法跟蹤目標。

1.3 編隊規避魚雷過程

編隊水聲探測設備對來襲魚雷報警后，經融合處理得到魚雷報警信息（報警舷角、魚雷報警距離）。編隊經過決策反應，產生機動規避方案，經過決策實施時間后，編隊開始規避［2］。

2 艦艇編隊機動規避原則

編隊水聲對抗中，編隊內各艦艇的規避須在編隊統一的指揮下，根據實際的對抗態勢，進行規避。編隊規避的基本原則主要有:

1）編隊中各艦的規避盡量有利于各艦之間進行協同對抗，能保持原有編隊隊形時，盡量保持原有編隊隊形;

2）魚雷報警后，編隊內各艦艇不在魚雷搜索帶附近時，規避盡量采取遠離魚雷搜索帶的航向。當艦艇處于魚雷搜索帶內，或在魚雷搜索帶附近時，規避應選擇能盡快駛離魚雷搜索帶的航向規避，即各艦不穿越魚雷搜索帶規避;

3）編隊中各艦根據實際魚雷報警態勢，參考單艦規避對抗方法，進行規避，但不能對編隊中其他艦艇的規避對抗產生不利影響;

4）編隊中各艦規避航向的選擇要考慮遠離敵方攻擊平臺，避免敵方的第2次魚雷攻擊。另外要考慮當魚雷威脅消除后，有利于編隊隊形恢復，以備對抗后續魚雷威脅;

5）編隊規避聲自導魚雷攻擊時，魚雷距離編隊相對較遠，為了盡快駛離魚雷搜索帶，編隊采取背雷加速規避策略［3］。

3 編隊協同規避方法的確定

在編隊條件下有可能獲得來襲魚雷的距離信息，根據魚雷位置、航向，能預測魚雷向編隊靠近時產生的魚雷搜索帶。搜索帶的中心為預測的魚雷航跡，搜索帶的寬度由魚雷的搜索扇面確定。根據預測的魚雷搜索帶與編隊內各艦艇的艦位的位置關系不同，可確定出不同的編隊協同規避方法。

3.1 魚雷攻擊航向的確定

敵潛艇平臺聲吶的分辨能力的大小，編隊內艦艇的間距以及編隊與敵平臺的距離決定了敵平臺聲吶對編隊的探測能力。當敵平臺聲吶分辨率高，距離編隊較近時，敵方聲吶可分辨出編隊中的不同艦艇目標，魚雷可能會被明確的導引至編隊內的特定艦艇附近，攻擊該艦艇;當敵平臺聲吶分辨率低，距離編隊較遠時，敵方聲吶不能分辨出編隊中的不同艦艇目標，魚雷只能被導向編隊的聲學中心位置。

假設敵方聲吶的探測距離足夠遠，敵方聲吶可分辨出編隊中的不同艦艇目標的條件是:

式中:dst為敵方聲吶與探測目標的距離，m;dss為編隊內艦艇之間的最小間距，m;θ為敵方聲吶的方位分辨率，（°）。

由魚雷的方位、距離信息，編隊可估計出魚雷的航向、航速;當編隊不能估計出魚雷的航速時，可選擇魚雷的經驗航速進行計算，魚雷由有利提前角法導引向編隊艦艇，航向可由式（2）和式（3）估計［4］:

式中:φ為魚雷攻擊提前角;q為魚雷報警舷角，左舷為負，右舷為正;vs為艦艇航速;vt為魚雷航速;Cs為艦艇航向。根據魚雷的報警位置，可預測魚雷可能的航跡線，作為編隊各艦進行規避機動的重要依據。本文給出的提前角是魚雷能分辨編隊內不同艦艇，具體攻擊某艘艦的情況。

3.2 魚雷對艦艇目標的發現距離

魚雷主動聲自導聲吶方程:

式中:SL為魚雷主動聲源級;STL為艦艇輻射聲源級;TS為艦艇目標強度;TL為聲自導的傳播損失;R為魚雷距目標的距離;NL為魚雷自噪聲;DI為魚雷聲自導換能器指向性系數;DT為目標信號傳播到達魚雷自導換能器處時剩余的聲能級;DDTL為魚雷聲自導傳播（起伏）誤差;rn為魚雷聲自導傳播（起伏）誤差系數;f為頻率，kHz［5］;α為魚雷聲自導的傳播損失常數。

DT與魚雷聲自導檢測閾比較，判斷魚雷是否捕捉目標。

設艦艇在魚雷的舷角為qs，魚雷自導扇面角為Qt，檢測閾為DT0，魚雷捕獲艦艇由式（1）判別:

3.3 編隊協同規避魚雷攻擊方法

由報警艦位置及魚雷的初始報警信息，可得到編隊報警時魚雷坐標（xt0，yt0）。經過決策時間td后，魚雷直航搜索，魚雷觀測位置坐標為:

魚雷搜索帶的中心線，即魚雷航跡線，如式（9）所示:

式中，k為魚雷搜索帶中心線斜率。

編隊內各艦坐標表示為（xs，ys），依次判斷各艦與來襲魚雷的相對態勢:

式中:a為艦艇到魚雷預測位置的連線的斜率;b為艦艇相對于魚雷的方位;qst為艦艇相對于魚雷的舷角，左舷為負，右舷為正。

當編隊內各艦艇相對于魚雷舷角qst都為正，或者都為負時，表示編隊內各艦處于預測魚雷航跡同一側，此時的編隊齊轉規避（規避航向相同）;當編隊內各艦艇相對于魚雷舷角qst既有正值，又有負值時，表示編隊內各艦處于預測魚雷航跡不同側，此時的編隊分散規避（規避航向不同）。

各艦的最佳規避航向選取與預測的魚雷航向成Δc夾角的航向。各艦根據具體的編隊對抗態勢，選擇自身最佳規避航向:

式中，Δc表示艦艇的最佳規避航向與預測的魚雷航向的夾角。

結合魚雷航向預測計算模型，編隊內各艦的最佳規避航向為:

當判斷艦艇處于魚雷右舷時，選取在預測的魚雷航向上向右旋轉Δc作為本艦的最佳規避航向，轉向的方向選取與當前艦艇航向夾角絕對值較小的一側轉向，保證艦艇在盡可能短的時間內完成轉向。同理，當判斷艦艇處于魚雷左舷時，則選取在預測魚雷航向上向左旋轉Δc作為本艦的最佳規避航向，轉向方向選擇同上。

4 仿真分析

為了得到編隊艦艇的最佳規避航向，根據艦艇、魚雷、海洋環境等相關模型，利用VC++建立了仿真平臺，選取艦艇最佳規避航向與預測的魚雷航向夾角Δc，從30°到90°每隔10°分別進行仿真，控制界面如圖2所示。

4.1 仿真參數

魚雷參數:航速45 kn;航程20 km;轉向角速度6.7°/s;旋回半徑170 m;自導扇面角70°;魚雷主動聲源級180 dB;指向性增益30 dB;檢測閾0.5 dB，環境噪聲70 dB，魚雷自噪聲60 dB。

編隊參數:編隊初始航向0°;航速18 kn，規避航速30 kn;轉向角速度1.5°/s，加速機動時為1.7°/s;旋回半徑300 m，加速機動時為450 m;艦艇操縱反應時間5 s;決策反應時間30 s。艦艇輻射噪聲級由式（15）確定，目標強度值由式（16）確定［6］。

圖2 編隊水聲對抗仿真界面Fig.2Ship formation underwater acoustic simulation interface

式中:TSmax=20 dB為艦艇正橫方向的目標強度。

4.2 仿真結果分析

由于編隊隊形的對稱性，只對編隊右舷的仿真結果進行分析。不同報警態勢下，采取Monte-Carlo方法，經1 000次統計模擬實驗。由于篇幅限制只列出對比效果較明顯的Δc分別為30°，70°和90°的仿真結果，如圖3和圖4所示。

圖3 不同Δc取值下的編隊純規避對抗成功率（0號艦右舷30cab）Fig.3Survival probability of ship formation under different Δc

圖3表示編隊0號艦右舷30cab各舷角報警時，不同的Δc取值下，編隊純規避的成功率。可以看出，當艦艇規避航向與預測魚雷航向夾角Δc取70°時，大部分態勢下，編隊純規避的成功率較高。

圖4是編隊中2號艦右舷30cab報警的情況，總體上艦艇規避航向與預測魚雷航向夾角Δc取70°時的編隊對抗效果相對較優。圖中存在個別態勢，Δc取30°比Δc取70°時對抗效果稍好，是因為編隊的對抗成功率在該處都從很小開始增大，在對抗成功率較小時，仿真結果受隨機誤差的影響較大造成的。其他態勢下，Δc取70°時效果較好。

圖4 不同Δc取值下的編隊純規避對抗成功率（2號艦右舷30cab）Fig.4Survival probability of ship formation under different Δc

仿真對抗的結果說明，有魚雷距離報警時編隊內各艦的最佳規避航向是取與預測的魚雷航向成60°～80°夾角，遠離魚雷搜索帶的航向。

5 結語

本文重點研究了特定編隊條件下協同規避自導魚雷攻擊的方法。通過大量仿真分析可以看出，在一定魚雷報警條件下，編隊分散規避和齊轉規避時，采用與來襲魚雷預測航向成60°～80°夾角的航向加速規避效果較好。該結論與單艦規避中將來襲魚雷置于艦艇的110°～130°舷角的航向進行加速規避的方法基本一致。本文研究結果及方法對編隊條件下的水聲對抗作戰具有一定的指導作用，但對更為復雜編隊及魚雷報警條件下（無來襲魚雷距離信息、多雷攻擊）以及與對抗器材協同配合情況下的編隊機動規避方法還需進一步深入研究。

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