雙平臺魚雷報警聲吶對來襲魚雷快速定位仿真

王奔波，吳 磊

(1.南海艦隊裝備部，廣東 湛江524001;2.中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江524022)

0 引 言

魚雷是水面艦艇的主要威脅之一。隨著魚雷武器的發(fā)展，水面艦艇面臨的魚雷威脅越來越嚴重［1］。為了達成有效的水下防御，艦艇應該有足夠的時間來實施對抗和機動規(guī)避，因而需要對遠距離來襲魚雷進行早期報警［2］。要獲取魚雷信息必須依賴于魚雷報警聲吶，研制專用的水面艦魚雷報警聲吶也是各國海軍主要的發(fā)展方向，如法國的Albatros魚雷報警聲吶、俄羅斯的Vignette-em型魚雷報警聲吶［3］。魚雷報警應具有3個要素，即魚雷來襲方位、魚雷識別和魚雷至被攻擊艦艇的距離。在魚雷報警距離較遠的情況下，為了及時實施水聲對抗的準備工作，首先應該知道來襲魚雷的精確方位，將表征魚雷的多種信息相融合，迅速準確的對魚雷實施報警，對魚雷定位是對魚雷實施水聲對抗的關鍵，而且是對魚雷報警跟蹤的最后環(huán)節(jié)［4］。對于來襲魚雷進行定位距離越遠，則水面艦實施水聲對抗的成功率越大。使用適于魚雷目標檢測識別的被動拖線陣雖然可以解決遠距離魚雷報警問題，卻只能提供來襲魚雷的方位信息。有效防御魚雷攻擊迫切需要魚雷目標的距離信息［5］。

本文針對水面艦進行編隊反潛作戰(zhàn)，利用被動工作方式的魚雷報警聲吶能夠對較遠距離來襲的魚雷進行精確測向的優(yōu)勢，在2個水面艦平臺(以下簡稱雙平臺)魚雷報警聲吶同時探測到來襲魚雷的情況下，對魚雷快速定位方法進行仿真分析，對艦艇編隊作戰(zhàn)時防御魚雷攻擊的方法研究具有一定的借鑒意義。

1 雙平臺魚雷報警聲吶對來襲魚雷快速定位原理

編隊反潛作戰(zhàn)時，2艘水面艦的魚雷報警聲吶對來襲魚雷探測示意圖如圖1所示，水面艦編隊由W1和W2組成，其航速分別為V1和V2，航向分別為H1和H2;來襲魚雷為M1，魚雷航速航向分別為V3和H3，魚雷M1在某一時刻與水面艦W1和W2的距離分別為D1和D2，水面艦W1和W2探測到魚雷的舷角分別為α1和α2，舷角設定左舷為正、右舷為負。一般情況下V1=V2，H1=H2。

由于魚雷報警聲吶多為拖曳線列陣聲吶，其位置中心與水面艦GPS 天線位置不同，在實際計算過程中需要進行修正，為了描述方便，下面提到的水面艦W1和W2坐標位置為魚雷報警聲吶位置中心。

如圖2所示，建立以W1的實時位置為原點、航向H1為x 軸正方向的直角坐標系，W1坐標為(x1，y1)= (0，0)，W2坐標為(x2，y2)，M1坐標為(x3，y3)。依據(jù)圖2 中幾何關系可知:

W1和M3的連線表達式為:

W2和M3的連線表達式為:

式(1)與式(2)聯(lián)立求得:

式中:W1(x1，y1)和W2(x2，y2)由2個水面艦GPS 實時定位值和GPS 天線安裝位置與魚雷報警聲吶中心位置修正轉換得出［5］;α1和α2由2個水面艦的魚雷報警聲吶給出。在上面的處理過程中忽略了魚雷輻射噪聲到達2艘水面艦時的時間延遲差值，這是因為聲速遠遠大于魚雷的航速，因此當精度要求不是很高時，為了簡化計算，可以忽略它對定位精度的影響。

圖2 魚雷位置坐標求解Fig.2 The solution for coordinates of torpedo

通過上述過程可知，采取該方法進行遠距離魚雷快速定位時，主要誤差來源是水面艦GPS 定位誤差、魚雷報警聲吶的舷角測量誤差以及時延帶來的誤差。通過仿真計算，分析各誤差源對定位精度的影響，找出主要的誤差來源，研究采取該方法進行魚雷快速定位的可行性。

2 仿真分析

當2個水面艦平臺同時探測到來襲魚雷時，通過上一節(jié)闡述的方法，可以很容易的得出魚雷的實時位置，下面采用仿真計算的方式分析各誤差因素對魚雷的定位精度的影響。

在仿真過程中，加入的隨機誤差為相互獨立、零均值、均方根值相等的隨機數(shù)組，其長度為1 000，經過1 000 次循環(huán)計算后，得到的1 000 組計算魚雷估計坐標與魚雷真值坐標相減，然后求解均方根即為所求誤差。

2.1 水面艦GPS 定位誤差對定位精度的影響

GPS 定位誤差直接影響水面艦坐標準確度。

仿真過程中，坐標距離單位為m，水面艦W1真值坐標為(x1，y1)= (0，0)，W2真值坐標為(x2，y2)=(1 500，500)，魚雷真值坐標(x3，y3)，仿真步驟如圖3所示。

圖3 仿真流程圖1Fig.3 The simulation flow chart 1

圖4(a)為GPS 存在誤差時，定位誤差隨著GPS誤差變化的曲線，此時(x3，y3)=(－1 500，－5 500);圖4(b)為GPS 誤差均方根值為2 m 時，定位誤差隨著x3變化的曲線，此時y3=－5 500;圖4(c)和(d)為GPS 誤差均方根值為2 m 時，定位誤差隨著y3變化的曲線，此時x3分別為－1 500，3 000。

圖4 定位誤差隨著GPS 誤差，x3，y3的變化曲線Fig.4 Variation curves of position error versus GPS error，x3，y3

仿真結果表明:隨著GPS 誤差的增大，魚雷的定位誤差增大;魚雷相對于2艘水面艦位置不同時，誤差也會有所不同，當魚雷位置向兩艦連線垂線的方向靠近時，誤差會減小，而當魚雷位置接近兩艦連線方向時，誤差會顯著增大。

2.2 魚雷報警聲吶舷角測量誤差對定位精度的影響

仿真條件同上，假定舷角測量誤差范圍為0.1°～1°。仿真步驟如圖5所示。

圖6 (a)為魚雷報警聲吶存在舷角測量誤差時，定位誤差隨著舷角測量誤差變化的曲線，此時(x3，y3)=(－1 500，－5 500);圖6 (b)為舷角測量誤差誤差均方根值為0.3°時，定位誤差隨著x3變化的曲線，此時y3=－5 500;圖6 (c)和圖6 (d)為舷角測量誤差誤差均方根值為0.3°時，定位誤差隨著y3變化的曲線，此時x3分別為－1 500和3 000。

圖5 仿真流程圖2Fig.5 The simulation flow chart 2

圖6 定位誤差隨著舷角測量誤差，x3，y3的變化曲線Fig.6 Variation curves of position error versus relative bearing error，x3，y3

仿真結果表明:魚雷報警聲吶的舷角測量誤差對魚雷定位誤差的影響規(guī)律與GPS 誤差類似，不過魚雷報警聲吶測向誤差對魚雷定位精度影響更大，隨著測向誤差的變大，魚雷定位精度明顯降低。

2.3 時延對定位精度的影響

時延包括魚雷輻射噪聲到水面艦的傳播時間和雙平臺協(xié)同定位計算消耗的時間。魚雷是水下高速運動的目標，時延越長，定位誤差必然越大。下面對時延帶來的定位誤差進行仿真分析，仿真過程中忽略時延差的影響，選擇魚雷攻擊彈道為目標艦的現(xiàn)在方位［7］。

仿真過程中，水面艦航速為20 kn，魚雷航速為40 kn，水面艦航向為90°，魚雷航向為魚雷與水面艦W2連線方向，聲速為c=1 500 m/s，其他條件同上。假定A 時刻為魚雷輻射噪聲的時刻，B 時刻為水面艦接收到魚雷輻射噪聲的時刻，C 時刻為雙平臺協(xié)同計算得出魚雷位置的時刻，在C 時刻計算得出的魚雷坐標是魚雷在A 時刻的坐標位置，時延差為tC－tA。仿真步驟如圖7所示。

圖7 仿真流程圖3Fig.7 The simulation flow chart 3

圖8 定位誤差隨著x3，y3的變化曲線Fig.8 Variation curves of position error versus x3，y3

圖8(a)和圖8(b)為時延帶來的定位誤差隨著x3變化的曲線，此時y3分別為－5 500、2 500;圖8(c)和圖8(d)為時延帶來的定位誤差隨著x3變化的曲線，此時x3分別為－1 500，3 000。

仿真結果表明:魚雷與水面艦之間的距離越遠，時延帶來的誤差越大;時延帶來的誤差與魚雷和水面艦(目標)的連線方向密切相關。當然，時延帶來的誤差可以通過連續(xù)多次定位計算后進行預估和修正。

3 結 語

在水聲對抗過程中，當雙平臺都能夠對來襲魚雷進行報警時，采用該方法可以快速的對遠距離魚雷進行定位。本文對魚雷定位的誤差進行了仿真分析，仿真結果表明，由于艦載GPS 定位精度一般較高，由GPS 定位誤差對魚雷定位精度影響不大;時延誤差與距離和方位有關;魚雷報警聲吶對魚雷的舷角測量誤差是魚雷定位誤差的主要來源;當舷角測量誤差較小時，采取該方法能夠快速獲取較精確魚雷位置，可為遠距離實施水聲對抗提供參考。在后續(xù)的研究工作中，將繼續(xù)對舷角測量誤差對魚雷定位的影響進行分析，以求進一步提高該方法的定位精度。

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