基于相遇區域的反魚雷魚雷攔截彈道

王新宏, 劉 慶, 劉建國

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基于相遇區域的反魚雷魚雷攔截彈道

王新宏, 劉 慶, 劉建國

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

反魚雷魚雷(ATT)攔截彈道是影響其作戰使用和攔截概率的重要因素之一。ATT攔截彈道的研究多假設來襲魚雷的攻擊彈道形式和運動參數已知, 而實戰中有些參數是無法得到的。針對這一情況, 本文提出了基于相遇區域的ATT攔截彈道形式, 以及一種來襲魚雷攻擊彈道形式未知, 利用2個邊界條件解算ATT發射角的方法。分析和仿真結果表明, 基于相遇區域的ATT攔截彈道及發射角解算方法能更好地適應來襲魚雷特性未知的情況。

反魚雷魚雷; 攔截彈道; 相遇區域; 發射角

0 引言

反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)作為一種艦艇防御、魚雷對抗的硬殺傷裝備, 已經得到了許多國家的重視, 美國、俄羅斯、法國、德國等海軍強國均開展了ATT的研制和試驗[1-7]。

ATT的攔截彈道是影響其作戰使用和攔截概率的重要因素之一[4, 8-9]。ATT的攔截彈道與艦艇、來襲魚雷和ATT三者的諸多因素有關, 包括艦艇報警聲納的性能、艦艇的運動參數, 來襲魚雷的攻擊彈道形式和運動參數, 以及ATT的攻擊彈道形式和運動參數等。來襲魚雷的攻擊彈道形式通常是未知的, 艦艇的報警聲納可以給出來襲魚雷的某些參數, 如方位、距離和速度等。來襲魚雷的未知特性為ATT攔截彈道的設計帶來了難度。

傳統的研究方法一般是, 假定已知來襲魚雷的攻擊彈道形式和運動參數, 建立艦艇、來襲魚雷和ATT三者的運動方程, 然后通過大量的仿真計算ATT攔截彈道的攔截概率[8, 10-12]。采用這種方法設計的ATT攔截彈道實質上是一種基于相遇點的攔截彈道, 即艦艇、來襲魚雷和ATT三者的運動參數已知, 按照已知的參數可以計算得到ATT與來襲魚雷的一個相遇點。基于相遇點的ATT攔截彈道對于來襲魚雷攻擊彈道形式和運動參數未知、或信息不全的情況是有局限的。

本文針對來襲魚雷彈道形式未知的情況, 提出基于相遇區域的ATT攔截彈道, 以提高ATT的攔截概率和作戰效能。

1 ATT攔截彈道數學模型

1.1 數學模型

圖1 基于相遇點的ATT攔截彈道

根據圖1(a)和(b)可分別得出ATT直接攔截彈道和迎面攔截彈道的方程組[8, 13], 為

1.2 基于相遇點的ATT攔截彈道

然而在實戰中, 艦艇的報警聲納通常可以給出來襲魚雷的方位信息, 有些報警聲納還可以給出來襲魚雷的距離和速度信息, 而來襲魚雷的攻擊彈道形式則是完全未知的, 來襲魚雷可能采用尾追法、提前角法等多種攻擊彈道形式。

雖然ATT可以通過自身的自導系統來探測魚雷, 并導引ATT攔截來襲魚雷。但是由于ATT自導作用距離較近, 而且與來襲魚雷相向運動, 相對速度、距離和方位的變化率都較大。當假設的條件與實際情況相差較大時, 來襲魚雷有可能不在ATT的自導作用范圍內, 而無法發現并攔截來襲魚雷; 也有可能在較近的距離上發現來襲魚雷, 但受自身回旋角速度等運動特性的影響, 無法及時調整彈道, 而與來襲魚雷錯過。

總之, 基于相遇點的ATT攔截彈道受到初始假設條件的限制, 當來襲魚雷的實際參數與假設相差較大時, 很可能導致攔截概率下降, 影響作戰使用效果。

2 基于相遇區域的ATT攔截彈道

2.1 相遇區域

基于相遇點的ATT攔截彈道需要已知來襲魚雷的攻擊彈道形式和運動參數, 而實際上有些參數是無法得到的, 即使通過艦艇報警聲納得到了某些參數, 這些參數也是存在誤差的。

由方程組(1)和(2)可知, 來襲魚雷的攻擊彈道形式和運動參數的每一種組合都會得到一個相遇點。由此, 將相遇點的概念進行拓展, 所有相遇點的集合構成一個相遇區域, 如圖2所示。

圖2 相遇區域示意圖

2.2 ATT發射角

1) 以攔截概率最大的ATT攔截彈道確定ATT的發射角。這是最理想的情況, 但是需要將所有可能的情況都考慮進去, 進行大量的仿真計算, 才能得出攔截概率最大的ATT攔截彈道和發射角。實戰中很難做到快速反應。

2) 以來襲魚雷攻擊彈道的最大可能概率來確定ATT的發射角。實戰中如果掌握了對方魚雷武器的種類和性能, 則可以采用這種方法, 根據對方魚雷的性能參數進行有限的仿真計算, 確定ATT的攔截彈道和發射角。

3) 以相遇區域的幾何關系確定ATT的攔截彈道和發射角。幾何關系可以有多種情況, 如以幾何中心對應的攔截彈道和發射角等, 這相當于認為各種情況下的相遇點在相遇區域中是均勻分布的。

幾何中心對應的ATT攔截彈道可以使ATT的自導系統作用范圍覆蓋絕大部分的相遇區域, 使自導系統探測到來襲魚雷的概率最大, 然后利用自導系統的探測來調整ATT的攔截彈道。

即取2種邊緣情況發射角的算數平均為ATT的發射角, 用該發射角近似相遇區域的幾何中心對應的攔截彈道的發射角。

可以看到, 由式(3)確定ATT發射角, 只需要進行2次仿真計算, 可以快速確定ATT的發射角。實戰中可以實現快速反應。

3 仿真結果與分析

ATT彈道仿真涉及的因素很多, 仿真中進行了必要的簡化和假設, 主要包括以下幾個方面。

1) 來襲魚雷已經進入自導導引階段, 以追蹤法、固定提前角法或平行接近法攻擊艦艇。

2)ATT發射后先直航一段時間, 然后按預定的彈道航行, 同時自導系統工作, 搜索來襲魚雷。即, 對于直接攔截彈道, ATT直航搜索; 而對于迎面攔截彈道, ATT回旋搜索(向雷轉), 回旋90°后若自導還未捕獲到來襲魚雷, 則ATT直航搜索。

4) 由于ATT自導系統的被動自導作用距離比主動自導作用距離遠[14], 一般是被動自導先捕獲到來襲魚雷; 當進入主動自導作用距離后, 轉入主動自導。ATT自導導引時采用提前角法。

5) 假設ATT采用全方位非觸發引信, 引信作用距離20 m, 即ATT與來襲魚雷距離≤20 m時視為攔截成功。

設ATT主被動自導作用距離分別為250 m和800 m, 主被動自導搜索扇面角都是120°。ATT發射時的初始視線角為110°, 來襲魚雷速度為50 kn,艦艇速度為20 kn, ATT與魚雷的速度比為0.8。來襲魚雷分別以追蹤法、固定提前角5°、固定提前角10°和平行接近法導引攻擊艦艇。圖3給出了初始距離為1 000 m, ATT采用基于相遇區域的直接攔截彈道, 來襲魚雷采用不同攻擊彈道形式的仿真結果。圖4則給出了初始距離為2 000 m, ATT采用基于相遇區域的迎面攔截彈道, 來襲魚雷采用不同攻擊彈道形式的仿真結果。

由圖3~圖4可以看出, 當來襲魚雷的攻擊彈道形式未知時, 采用基于相遇區域的ATT攔截彈道和式(3)解算ATT的發射角, 可以適應大多數情況。來襲魚雷的攻擊彈道形式越接近解算出的發射角對應的ATT攔截彈道, 則ATT攔截彈道越平滑, 如圖3(c)和圖4(b)。即使來襲魚雷的攻擊彈道形式與解算出的發射角對應的ATT攔截彈道有較大偏差, ATT的攔截彈道也可以由自導系統修正, 成功攔截來襲魚雷。但是當偏差較大時, 雖然ATT的自導系統也能捕獲到來襲魚雷, 但是受到ATT自身機動性能的限制, 會導致ATT錯過來襲魚雷, 攔截失敗, 如圖4(d)。

圖3 來襲魚雷不同導引方式下的ATT直接攔截彈道仿真結果

圖4 來襲魚雷不同導引方式下的ATT迎面攔截彈道仿真結果

仿真中, 迎面攔截彈道的初始距離比直接攔截彈道的初始距離遠得多, 這使得迎面攔截彈道的相遇區域比直接攔截彈道的相遇區域大得多, 致使ATT攔截彈道與來襲魚雷采用平行接近法時攻擊彈道的偏差較大, 導致攔截失敗。實際上, 在初始距離足夠使ATT迎面攔截彈道完成回旋運動的情況下, 相同條件下的迎面攔截彈道攔截概率要高于直接攔截彈道[8]。而在初始距離很近的情況下, 直接攔截彈道更有效。

4 結束語

針對來襲魚雷攻擊彈道形式和運動參數未知的情況, 本文提出了基于相遇區域的ATT攔截彈道, 定性分析了3種確定ATT發射角的方法, 并提出了一種在來襲魚雷攻擊彈道形式未知, 而運動參數已知的情況下, 利用2個邊界條件解算ATT發射角的方法。本文提出的基于相遇區域的ATT攔截彈道以及發射角解算方法與實際更為接近, 更能適應來襲魚雷特性未知的情況。

由于ATT的攔截概率涉及的因素眾多, 包括艦艇、來襲魚雷和ATT三者的初始情況, 運動參數, 以及測量精度、誤差分布等等。本文僅提出基于相遇區域的ATT攔截彈道的概念, 對其攔截概率將另文討論。

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Intercept Trajectory of Anti-Torpedo Torpedo Based on Meeting Area

WANG Xin-hong, LIU Qing, LIU Jian-guo

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Intercept trajectory of anti-torpedo torpedo(ATT) is an importance factor influencing its operational application and intercept probability. In the study of the intercept trajectory of an ATT, it is usually supposed that guiding mode and motion parameters of an incoming torpedo are known. However, it is impossible in actual combat. Aiming at this situation, we propose the intercept trajectory of an ATT based on meeting area, and give a method to solve the ATT launching angle using two boundary conditions. Simulation results indicate that the intercept trajectory based on meeting area and the method of solving launching angle have higher adaptability for the situation that the guiding mode of an incoming torpedo is unknown.

anti-torpedo torpedo(ATT); intercept trajectory; meeting area; launching angle

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0241-05

2012-09-13;

2012-11-15.

船舶工業國防科技基金資助(09J4.1.1).

王新宏(1971-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向為信號與信息處理、自導引信.

(責任編輯: 陳 曦)