智能魚雷攻潛部位及攻擊角測量方法與誤差分析

劉松海，孫向前，岳劍平

(91388部隊，廣東 湛江 524022)

智能魚雷攻潛部位及攻擊角測量方法與誤差分析

劉松海，孫向前，岳劍平

(91388部隊，廣東 湛江 524022)

研究了一種基于實艇靶舷側陣的末彈道二維跟蹤定位模型，給出了魚雷攻潛過靶部位及水平攻擊角的計算方法，分析了測量誤差并進行仿真。分析及仿真表明，采用該定位模型，魚雷攻艇部位的測量精度可達2 m，在艇正橫方向大約±60°開角范圍內，水平攻擊角的測量精度可達2°。在引起攻擊角測量誤差的各因素中，同步誤差和目標深度裝訂誤差影響較大，聲速裝訂誤差和基陣變形引起的誤差較小。

智能魚雷;攻潛部位;攻擊角;測量方法

0 引言

隨著科學技術的進步，新型智能魚雷能對潛艇目標的水平、垂直尺度進行分析、識別，辨別真假目標，對真目標進行攻擊。在攻擊過程中，通過最優化控制，采取最佳彈道，尋找潛艇要害部位，垂直命中，聚能定向爆炸，摧毀敵潛艇目標。

這些新研制的魚雷產品在正式裝備部隊之前都必須經過嚴格細致的、接近實戰使用條件的性能測試和考核［1］。而在考核魚雷的諸多性能指標當中，魚雷攻潛部位及水平攻擊角無疑是衡量魚雷性能的主要參數指標，實艇靶則是最好的測控靶標。本文研究一種基于實艇靶舷側陣的末彈道二維跟蹤定位模型，給出了魚雷過靶攻擊部位及水平攻擊角的計算方法，并進行了誤差分析仿真。

1 魚雷過靶部位及水平攻擊角計算方法

魚雷攻潛末彈道軌跡可由安裝于目標潛艇的4元水聽器基陣測量獲得。基陣安裝方式為每舷側2個陣元，其基線方向與潛艇首尾向保持一致，2個陣元間的距離為D。測量幀率使用0.1 s，通過測量魚雷上安裝的合作聲信標，采用聲同步測距方式對魚雷末彈道實施二維彈道跟蹤［1－2］。

魚雷目標過靶時刻的示意圖如圖1所示，可通過測定魚雷相對于陣元1#的水平投影距離L和相對深度h來描述魚雷攻潛部位。圖中，陣元的目標斜距表示為 r1和 r2。

圖1 魚雷過靶時刻示意圖Fig.1 Schematic diagram of the time of torpedo over the target

由圖示給出三角函數公式:

式中:r1=cτ1;r2=cτ2，c為傳播聲速;τ為傳播時延。則:

為充分反映出智能魚雷聚能爆炸的作戰效果，攻擊角的概念定義為:智能魚雷命中目標艇時，末彈道軌跡切線與靶艇原型外殼曲面的夾角為攻擊角。為敘述方便，本文討論的攻擊角為末彈道軌跡切線與潛艇首尾線的夾角。為方便計算魚雷末彈道軌跡，將圖1的目標外移一定距離，如圖2所示。2個陣元的三維坐標分別定義為(x0，0，0)和(x0，－ D，0)(其中x0約為潛艇寬度的一半)。相對于水平測量基準面，目標投影的水平距離為r1'和r2'。

圖2 定位模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of location model

根據幾何關系，給出目標夾角的三角函數公式為

于是，目標的二維坐標計算為:

智能魚雷末端攻擊時為直航彈道，選取該彈道首尾2 個測量點，分別記作(x0，y0)和(xi，yi)。其間航程為l，水平攻擊角β，表示為極坐標形式有:

則水平攻擊角可以由式(7)得出:

2 魚雷攻潛部位的測量誤差分析

影響魚雷攻潛部位測量誤差主要包括測時誤差、裝訂誤差和陣元位置誤差［3］。首先，針對時延測量分析末彈道測量的隨機誤差。不妨令στ1=στ2=στ，由式(2)不難推導:

由此得出結論:末彈道測量的隨機誤差與目標距離呈正比關系，而與測量基線孔徑、目標相對深度呈反比關系。給出算例:令目標的最大距離rmax=50 m，相對深度h=20 m，測量孔徑D=30 m，測時誤差στ=100 μs，傳播聲速c=1 500 m/s，根據計算得σL≤0.35 m和σh≤1.07 m。事實上，目標在近程時由于信噪比較強，測時誤差可控制在幾十μs以內，過靶測量精度會進一步提高。

其次，考慮裝訂誤差的影響。裝訂誤差主要包括同步誤差和聲速誤差。目前的高精度守時系統在3 h以內的時鐘漂移小于100 μs，其對斜距的影響可忽略不計。此處僅考察聲速裝訂誤差的影響。根據式(2)不難推得:

最后，考慮基陣變形引起的誤差。略去推導過程，直接給出過靶部位的誤差影響:

給出式(12)的算例:令目標的最大距離rmax=50 m，相對深度h=20 m，測量孔徑D=30 m，基線變

根據以上分析，該方法對魚雷攻擊潛艇部位的測量精確度，通常可以達到2 m以內。

3 魚雷攻潛水平攻擊角測量誤差分析

由式(6)可以看出，攻擊角的測量精度取決于模型的定位精度。定位模型的誤差因素主要包括隨機誤差、裝訂誤差和陣形誤差，下面分別討論。

3.1 隨機誤差影響分析

對式(4)取全微分，將距離測量的隨機誤差表示成σ形式，有:

根據式(3)，同理可得方位測量的隨機誤差。不妨令 στ1= στ2= στ，于是:

由式(5)進行坐標轉換，忽略測距誤差與方位誤差的相關度，誤差傳遞后綜合為:

采用仿真方法對式(15)的正確性進行驗證，如圖3所示，艇首方向為0°。由圖可以看出，測量的隨機誤差與目標距離、正橫方位偏離度呈正比關系，潛艇正橫方位大約±60°開角范圍，末彈道測量在300 m以內的測量精度優于2%斜距。

圖3 水平跟蹤精度空間分布Fig.3 The spatial distribution of horizontal tracking accuracy

3.2 裝訂誤差影響分析

末彈道測量的裝訂誤差源主要包括聲速裝訂誤差、目標深度裝訂誤差和同步誤差。以聲速裝訂誤差為例，對式(4)取全微分，表示成Δ形式:

對式(3)同理得:

于是，根據式(5)有:目標處于正橫方位遠程條件下，則近似有:

觀察第一式，當目標位于右舷時sgn(·)取+號，而左舷則取－號，且括號內第2項恒為負。觀察第二式，目標偏向艇首與偏向艇尾互為正負，表明魚雷斜角度攻擊時，潛艇左右舷的兩側彈道將出現沿Y軸(潛艇航向)方向的反向平移。

聲速裝訂誤差一般控制在±5‰以內，圖4考察了基陣間距30 m、目標深度30 m時的仿真效果。由圖中可以看出，聲速裝訂的影響可予忽略。

圖4 聲速裝訂誤差仿真效果Fig.4 The simulation results of sound velocity binding error

目標深度裝訂誤差和同步誤差，具有與聲速裝訂誤差的類似影響。略去理論推導過程，直接給出同步誤差和深度裝訂誤差的仿真結果，如圖5所示。由圖可知，同步誤差和目標深度裝訂誤差影響較大。細致觀察發現，3類誤差源僅對近程測量有較大影響，利用中、遠程測量數據仍能有效評估水平攻擊角。

3 .3 基線變形影響分析

如前所述，略去推導過程，直接給出水平面二維測量的誤差影響:

參照圖2，乘積r'1·cosα實為水平斜距在基線方向上的投影，保守取值其長度一般不大于D的10倍。直接觀察該式，尤其當魚雷正橫攻擊時，基線變形的影響可忽略。

上述分析考察的是最大系統誤差，即使陣元出現了快速抖動，引發的隨機誤差仍能有效控制。綜合起

圖5 同步誤差和深度裝訂誤差仿真效果Fig.5 The simulation results of synchronization error and depth binding error

來看，基線變形的影響為小量，可忽略測量誤差。

4 結語

本文針對新型智能魚雷高速和智能攻擊的特點，提出了一種基于實艇靶舷側陣的末彈道二維跟蹤定位模型，給出了魚雷攻潛過靶部位及水平攻擊角的計算方法，分析了引起定位測量誤差的各因素，并進行了仿真。分析表明，采用該二維跟蹤定位模型對魚雷末彈道進行定位，魚雷攻艇部位的測量精度可達2 m，在艇正橫方向大約±60°開角范圍，水平命中角的測量精度可達2°。在引起攻擊角測量精度的各誤差因素中，同步誤差和目標深度裝訂誤差的影響較大，聲速裝訂誤差和基陣變形引起的誤差較小。

［1］楊志權，劉松海，王文學.魚雷實艇靶末彈道測量算法分析與誤差仿真［J］.魚雷技術，2003，(4):34－38.

YANG Zhi-quan，LIU Song-hai，WANG Wen-xue.Terminal trajectory-measuring algorithm and error simulation for submarine target of torpedo［J］.Torpedo Technique，2003，(4):34－38.

［2］劉松海，冼觀福，廖述常.同步信標在水下機動小目標軌跡測量中的高精度時延估計方法［J］.聲學技術，2008，(6):903－906.

LIU Song-hai，XIAN Guan － fu，LIAO Shu-chang.A method of high precision time delay estimation in underwater moving mini-target tracking with synchronous beacon［J］.Technical Acoustic，2008，(6):903 －906.

［3］田坦，劉國枝，孫大軍.聲吶技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000.247－263.

TIAN Tan，LIU Guo-zhi，SUN Da － jun.Sonar Technology［M］.Harbin:Publishing of Harbin Engineering University，2000.247－263.

The measuring method and error analysis of intelligent torpedo's attack point and attack angle of submarine target

LIU Song-hai，SUN Xiang-qian，YUE Jian-ping
(No 91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

A two-dimensional underwater acoustic tracking and location model base on the terminal trajectory of broadside array at the submarine target is studied，and the method of measuring intelligent torpedo's attack point and attack angle of submarine target is presented.The result of simulation shows that the measurement accuracy of attack point would better than 2 m，and that of attack angle would better than 2°when the transverse angle less than ± 60°.In all measuring errors being discussed，the effect of the synchronization error and the depth of the target is high，while that of the sound velocity binding error and the deformation of the array is small.

intelligent torpedo;attack point of submarine target;attack angle;measuring method

TB566

A

1672－7649(2012)04－0079－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.018

2011－08－30

劉松海(1979－)，男，研究生，工程師，主要從事水下測控技術研究。