軟殺傷武器環境下魚雷多目標跟蹤方法

劉建新, 程詠梅, 禹 亮, 陳克喆

?

軟殺傷武器環境下魚雷多目標跟蹤方法

劉建新, 程詠梅, 禹 亮, 陳克喆

(西北工業大學自動化學院, 陜西西安, 710072)

針對日益復雜水聲對抗環境下魚雷多目標跟蹤中出現目標誤跟或失跟現象, 分析了水下軟殺傷武器的對抗方式, 提出了一種基于識別、跟蹤、優選的一體化魚雷多目標跟蹤方法。該方法首先利用識別來排除干擾式武器的影響, 然后對潛艇和聲誘餌進行目標跟蹤, 最后通過優選確定魚雷的攻擊目標。仿真結果表明, 該方法可有效解決魚雷跟蹤過程中短時的數據丟失問題, 并實現組合使用軟殺傷武器情況下的魚雷反對抗。

軟殺傷武器; 水聲對抗; 多目標跟蹤

0 引言

軟殺傷武器環境下的魚雷多目標跟蹤是指, 魚雷為了準確攻擊潛艇自動判斷潛艇投放軟殺傷武器類型、排除軟殺傷武器干擾、最終跟蹤并鎖定目標的過程。常用的軟殺傷武器按工作機理可分為干擾式武器和誘騙式武器兩大類。干擾式武器主要包括氣幕彈和噪聲干擾器, 誘騙式武器主要包括懸浮式聲誘餌和自航式聲誘餌。隨著海域的軍事對抗越來越激烈, 各國均把魚雷作為發展的重點武器, 魚雷攻擊的有效性在很大程度上決定了制海權的掌控, 多目標跟蹤是魚雷有效打擊潛艇的關鍵。

魚雷的多目標跟蹤面臨著潛艇和魚雷雙方面的挑戰。首先, 潛艇會釋放多種干擾式和誘騙式武器。干擾式武器會減弱魚雷對目標的探測能力, 嚴重時會使魚雷致盲; 而誘騙式武器又能夠模擬潛艇的運動特性和聲學特性, 所以聲誘餌能夠誘騙魚雷, 使魚雷誤跟。其次, 目前國內的現役輕型魚雷只有一個聲納, 探測手段單一, 獲取的信息量較少, 掃描范圍和探測距離有限, 這就給魚雷跟蹤潛艇帶來了極大的困難。因此, 在復雜的軟殺傷武器環境下, 魚雷多目標跟蹤具有極大的難度。

Du Z Y等深入研究了潛艇組合使用聲誘餌與噪聲干擾器對抗魚雷的方法, 并做了仿真驗證; 汪偉、李寧等從軟殺傷武器工作原理的角度研究了不同種類軟殺傷武器對抗魚雷的使用時機; Liang K H等提出了一種結合誘餌和干擾對抗魚雷的對抗策略; Pak J M利用模糊推理給出了潛艇規避魚雷搜索的方法及聲誘餌的使用策略; Chen Y C等利用聲誘餌來對抗魚雷, 并給出了潛艇逃逸的最優路徑。上述學者給出了不同軟殺傷武器對抗魚雷的策略。王桂芹等人概述了魚雷反水聲對抗中的目標識別方法及發展趨勢, 易紅等人研究了魚雷反對抗噪聲干擾器的方法, 高學強等研究了噪聲干擾器、自航式聲誘餌魚雷及潛艇的對抗模型。但這些文章都是針對特定軟殺傷武器情況下的對抗與反對抗, 并未建立針對各種軟殺傷武器的魚雷多目標跟蹤系統。

本文針對各種軟殺傷武器水聲對抗環境, 提出了一種基于識別、跟蹤、優選的一體化魚雷多目標跟蹤方法。本文提出的方法可解決魚雷跟蹤過程中短時的數據丟失問題, 同時能夠實現組合使用軟殺傷武器情況下的魚雷反對抗。通過仿真對本文提出的策略和方法進行驗證。

1 魚雷多目標跟蹤系統結構

針對魚雷多目標跟蹤研究中存在的問題以及研究難點, 結合水下不同軟殺傷武器各自的特點, 建立多種軟殺傷武器環境下的魚雷多目標跟蹤系統。系統結構如圖1所示。

整個系統的基本思想是, 首先根據聲納回波情況識別軟殺傷武器的類型, 若存在干擾式武器, 則魚雷可以通過規避來躲避干擾范圍; 若存在聲誘餌則通過多目標跟蹤、多目標優選來確定目標為潛艇的概率。但在多目標跟蹤過程中, 由于魚雷受到自身探測能力的限制, 時常會出現某些目標不在聲納掃描范圍內的情況, 此時需要對丟失的目標按其運動模型進行航跡預測。下面詳細介紹整個系統的實現過程。

2 魚雷多目標跟蹤策略和方法

2.1 干擾式武器反對抗策略和方法

當魚雷聲納所接受到回波信息明顯減弱或幾乎接受不到回波信息時, 可判斷環境中存在氣幕。當判斷存在氣幕時魚雷應對已形成航跡的目標按其運動模型進行航跡預測, 同時快速垂直穿過氣幕, 逃離其干擾范圍。當魚雷聲納接收到的回波信號中噪聲的量級比正常情況下高很多時, 則認為存在噪聲干擾器。當存在噪聲干擾器時, 魚雷要對已形成航跡的目標按目標的運動模型進行航跡預測, 并盡快逃離噪聲干擾器的干擾范圍, 以使魚雷聲納能夠獲取高信噪比目標信息。通過上述策略就可以排除干擾式武器對魚雷的影響。

2.2 誘騙式武器反對抗策略和方法

當魚雷聲納的回波中包含多個目標的信息, 說明魚雷的探測范圍內除了有要攻擊的潛艇外, 還存在聲誘餌。此時進入誘騙式武器的魚雷多目標跟蹤階段。

在水下環境中懸浮式聲誘餌幾乎是靜止不動的, 因此通過航跡起始可以很容易地將其排除。魚雷探測目標主要是潛艇和自航式聲誘餌。由于聲誘餌不僅能夠模擬潛艇的聲學回波特性, 還能在一定程度上模擬潛艇的運動特性, 因此通過單一屬性很難區分潛艇與聲誘餌。所以, 聲誘餌魚雷反對抗策略和方法的基本思想是, 利用多目標跟蹤技術形成多個目標的穩定航跡和精確的狀態信息, 并利用目標機動特性和尺度概率等屬性, 基于灰色關聯優選(gray relation optimal de- cision, GROD)模型的目標優選算法來計算每個目標屬于潛艇的概率, 即優選概率。魚雷所攻擊的目標就是優選概率最大的目標, 其數學描述如下。

量測方程

(2)

(4)

a) 點跡與航跡的關聯

關聯概率

(6)

組合信息

狀態更新公式

(8)

b) 目標優選

假設魚雷探測范圍內共有(≤)個目標, 目標優選的任務是綜合利用目標的運動特性和聲學屬性來判斷目標為潛艇的可能性。本文選用機動能力和尺度概率這兩種屬性, 利用文獻[11]提出的基于GROD的多目標優選算法來完成。假設聲誘餌的體積比較小, 聲誘餌的機動能力強于潛艇, 而尺度概率則小于潛艇, 即機動能力越弱越有可能是潛艇, 因此稱這類屬性為成本型指標, 尺度概率則為效益型指標。多目標優選可描述為: 為了消除不同屬性之間的差異, 首先對屬性值進行規范化處理, 構成規范化決策矩陣。對于效益型指標尺度概率

對于成本型指標機動能力

(10)

3 仿真試驗

3.1 仿真環境

為了驗證魚雷多目標跟蹤策略和方法的有效性, 本文建立了一種魚雷多目標跟蹤仿真系統。

魚雷剛開啟自導系統時海洋環境中存在3個目標, 其中包括1個潛艇、2個自航式誘餌, 隨著目標和潛艇的運動, 會出現目標丟失的現象。魚雷對于丟失的目標進行航跡預測, 對于魚雷探測范圍內的目標進行目標跟蹤和優選。當魚雷靠近潛艇時, 優選結果比較可靠, 此時利用最優目標導引魚雷。當魚雷鎖定潛艇時, 潛艇會投放氣幕和噪聲干擾器并加速逃走。此時魚雷對目標進行航跡預測, 穿過干擾范圍, 再按照預測的航跡搜索目標, 并對目標實施最終的打擊。

潛艇的初始狀態為(1 000, 12, 1 000, 12), 2個自航式聲誘餌的初始狀態分別為(1000, 5, 1000, 11), (700, 12, 800, 12), 3個目標均做勻速-加速-勻速的運動,加速度為。魚雷的運動速度為40 kn(1kn=0.514m/s), 探測距離為, 掃描扇面角為。仿真系統流程圖如圖2所示。

3.2 仿真結果與分析

仿真結果如圖3~圖6所示。從圖3中可看出, 通過誘騙式武器的反對抗策略和方法能有效地從多個目標中優選出潛艇, 通過干擾式武器的反對抗策略和方法能夠有效躲避氣幕和噪聲干擾器的影響, 最終實現了對潛艇的準確、有效鎖定。

從圖4~圖6可以看出, 在魚雷跟蹤目標過程中, 會出現跟蹤誤差增大的情況, 這是由于魚雷的探測能力有限。當目標逃出魚雷探測范圍時, 魚雷不能獲得目標的運動信息, 只能對目標航跡進行預測, 跟蹤誤差會隨時間累積。由圖5、圖6可以看出, 當仿真時間到70 s時, 魚雷的探測范圍重新覆蓋潛艇和自航式誘餌2,這樣魚雷利用預測的航跡能夠快速跟蹤目標。

4 結束語

本文提出的基于識別、跟蹤、優選的一體化魚雷多目標跟蹤方法, 可有效反對抗各種軟殺傷武器, 并能解決由于魚雷探測能力有限造成的目標丟失問題。文章同時對包含潛艇、自航式誘餌、拖曳式誘餌、氣幕和噪聲干擾器的復雜水聲對抗環境進行了仿真驗證, 結果表明, 本文方法能夠有效反對抗各類軟殺傷武器, 實現魚雷對潛艇的有效鎖定, 具有一定的工程應用價值。

[1] 盧萬, 李釗. 國外反魚雷水聲對抗技術與發展趨勢[J]. 艦船電子對抗, 2008, 30(1): 50-53.Lu Wan, Li Zhao. Foreign Anti-torpedo Hydroacoustic Eectronic Warfare Technology and Its Development Tre- nd[J]. Shipboard Electronic Count Ermeasure, 2008, 30(1): 50-53.

[2] Du Z Y, Liu B. Simulations of the Anti-Torpedo Tactic of the Conventional Submarine Using Decoys and Jam- mers[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 65: 165-168.

[3] 汪偉, 李本昌, 羅笛. 潛艇水聲對抗及水聲對抗器材的應用[J]. 指揮控制與仿真, 2008, 30(5): 102-105.Wang Wei, Li Ben-chang, Luo Di. Acoustic Warfare of Sub- marine and Application of Acoustic Countermeasure Equ-i-pment[J]. Command Control and Simulation, 2008, 30(5): 102-105.

[4] 李寧. 反魚雷作戰中水聲對抗器材組合使用研究[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(2): 45-47.

Li Ning. Research on the Combined Use of Underwater Acoustic Countermeasure Equipment in Anti-Torpedo Wa- rfare[J]. Ship Electronic Engineering, 2013, 33(2): 45-47.

[5] Liang K H, Wang K M. Using Simulatiom and Evo- lutionary Algorithms to Evaluate the Design of Mix Strategies of Decoy and Jammers in Anti-Torpedo Tatics [J]. Winter Simulation Conference, 2006: 1299-1306

[6] Pak J M, Woo D G. Target Search Method for a Torpedo to the Evading Ship Using Fuzzy Inference[J].CCAS-SICE, 2009: 5279-5284.

[7] Chen Y C, Wang H K, Zhao Y. Optimal Trajectory for Swim-out Acoustic Decoy to Countermeasure Torpedo[C] //Advanced Computational Intelligence, 2011: 86-91.

[8] 王桂芹, 劉海光, 賈瑞鳳. 聲制導魚雷反水聲對抗技術綜述[J]. 艦船電子工程, 2009, 29(3): 150-153.Wang Gui-qin, Liu Hai-guang, Jia Rui-feng. Overview of Anti-countermeasure Technology of Acounstic Homing Torpedo[J]. Ship Electronic Engineering, 2009, 29(3): 150 -153.

[9] 易紅, 郝保安, 肖霖. 聲自導魚雷對抗寬帶噪聲干擾器技術研究[J]. 魚雷技術, 2004, 12(1): 23-25.Yi Hong, Hao Ban-an, Xiao Lin. The Development of Aco-us---tic Homing Torpedo Technology to Counter the Broadband Noise Interference Unit[J]. Torpedo Technolo-gy, 2004, 12(1): 23-25.

[10] 高學強, 楊日杰, 孫建國, 等. 水聲對抗器材反魚雷組合使用建模仿真研究[J]. 系統仿真學報, 2011, 23(5): 956-960.Gao Xue-qiang, Yang Ri-jie, Sun Jian-guo, et al. Mo- deling and Simulation of Combination of Acouscal Coun- termeasure Equipments in Anti-torpedo[J]. Jounal of Syst-em Simultion, 2011, 23(5): 956-960.

[11] 黨建武. 水下自導多目標跟蹤關鍵技術研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2004.Dang Jian-wu. Study on the Key Techniques of Underwa- ter Multi-target Tracking in Guidance Sytem[D]. Xi′an:North-west--ern Polytechnical University, 2004.

[12] 王百合, 黃建國, 張群飛. 水下多目標跟蹤系統攻擊目標優選模型及算法[J]. 魚雷技術, 2007, 15(4): 22-25.Wang Bai-he, Huang Jian-guo, Zhang Qun-fei. Model and Algorithm for Attacked Target Optimization in Under- water Multi-targets Tracing System[J]. Torpedo Technolo-gy, 2007, 15(4): 22-25.

(責任編輯: 楊力軍)

Multi-target Tracking Method of Torpedo in the Environment of Soft Kill Weapons

LIU Jian-xin, CHENG Yong-mei, YU Liang, CHEN Ke-zhe

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

Target tracking error and target tracking loss exist during multi-target tracking process of a torpedo in complex environment of acoustic countermeasure. We analyze the countermeasure approach of underwater soft kill weapons, and present an integrated multi-target tracking method of a torpedo, in terms of recognition, tracking, and optimization. The method eliminates the effect of interference weapon via recognition to track multiple targets of submarine and acoustic decoys, then determines torpedo’s attacking target via optimization. Simulation results show that this method can efficiently solve the problem of temporary data loss during the tracking process of a torpedo, and realize torpedo's anti-acoustic countermeasure by combining soft kill weapons.

soft kill weapon; acoustic countermeasure; multi-target tracking

TJ630.34; TP14

A

1673-1948(2013)06-0425-06

2013-05-30;

2013-07-01.

西北工業大學2012本科畢業設計重點扶持項目.

劉建新(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向水下多目標跟蹤、優選及彈道設計.