反潛巡邏機(jī)使用聲納浮標(biāo)對(duì)潛定位誤差因素影響效果研究*

蔡云祥　初　磊　宮　旭

(1.海軍潛艇學(xué)院　青島　266199)(2.海司潛艇部　北京　100000)

反潛巡邏機(jī)使用聲納浮標(biāo)對(duì)潛定位誤差因素影響效果研究*

蔡云祥1初磊1宮旭2

(1.海軍潛艇學(xué)院青島266199)(2.海司潛艇部北京100000)

摘要聲納浮標(biāo)作為反潛巡邏機(jī)的一型重要探潛裝備，其使用效果直接影響到反潛巡邏機(jī)的對(duì)潛攻擊效果。論文通過(guò)對(duì)反潛巡邏機(jī)使用多枚聲納浮標(biāo)對(duì)潛定位誤差影響因素及其要素解算可行性的探討，提出了同一陣型不同布設(shè)方式對(duì)定位誤差的影響效果，可對(duì)反潛巡邏機(jī)精確使用聲納浮標(biāo)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞反潛巡邏機(jī), 聲納浮標(biāo), 定位誤差, 影響效果

Class NumberTJ 765

1引言

反潛巡邏機(jī)作為一型有效的應(yīng)召反潛和常態(tài)化巡邏反潛兵力，是各國(guó)常用的反潛兵力。作為反潛巡邏機(jī)反潛作戰(zhàn)重要一環(huán)的對(duì)潛攻擊，攻擊過(guò)程中反潛巡邏機(jī)對(duì)聲納浮標(biāo)的定位誤差、聲納浮標(biāo)對(duì)潛艇的定位誤差直接影響了反潛巡邏機(jī)使用空投魚(yú)雷的命中概率。本文將對(duì)上述第一部分誤差采用仿真分析法，就反潛巡邏機(jī)使用傳統(tǒng)的被動(dòng)非定向聲納浮標(biāo)對(duì)潛定位影響因素進(jìn)行研究。

2反潛巡邏機(jī)使用聲納浮標(biāo)對(duì)潛的定位誤差

反潛巡邏機(jī)對(duì)聲納浮標(biāo)的定位誤差主要與反潛機(jī)的俯仰角、方位角和高度誤差有關(guān)，同時(shí)還與反潛機(jī)的航向誤差有關(guān)。根據(jù)誤差原理，以反潛機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)身軸線為x軸，前進(jìn)方向?yàn)檎瑱C(jī)翼方向?yàn)閥軸，方向按右手法則，反潛機(jī)對(duì)聲納浮標(biāo)定位誤差為

σxFQJ_FB1=

(1)

σyFQJ_FB1=

(2)

同理，以反潛機(jī)為原點(diǎn)、y軸正向?yàn)檎毕颍瑇軸正向?yàn)檎龞|向(NOE)(這里不考慮飛機(jī)的俯仰角、橫滾角、偏航角誤差和地球曲率等條件的影響)坐標(biāo)系中的定位誤差為

(3)

(4)

其中：HFQJ為反潛機(jī)航向(°)。

進(jìn)一步可以得到反潛機(jī)對(duì)潛定位誤差為

(5)

(6)

其中：σxFB_QT、σyFB_QT為以浮標(biāo)為圓心，y軸正向?yàn)檎保瑇軸正向?yàn)檎龞|向條件下，浮標(biāo)對(duì)潛艇的定位誤差(m)。

圖1　浮標(biāo)定位散布示意圖

根據(jù)誤差散布原理[2～5]，認(rèn)為浮標(biāo)對(duì)潛艇的探測(cè)誤差在方位和距離上都呈正態(tài)分布，探測(cè)點(diǎn)的分布概率密度在方位和距離上綜合表現(xiàn)為一橢圓。

σx′=σDCPA

(7)

σy′=DCPAtgσF

(8)

其中：σDCPA為探測(cè)距離誤差均方差；σF為方位誤差均方差。

在NOE(這里不考慮地球曲率的影響)坐標(biāo)系中浮標(biāo)對(duì)潛艇的定位誤差為

(9)

(10)

(11)

其中：α為探測(cè)方位(°)。

綜合式(5)～式(6)、式(9)～式(11)可以得到反潛機(jī)對(duì)潛艇定位誤差。

由于σFB_QT與具體的定位方法相關(guān)，所以，下面結(jié)合具體的定位方法對(duì)浮標(biāo)對(duì)潛艇的定位誤差進(jìn)行分析。

3使用兩枚以上被動(dòng)非定向浮標(biāo)對(duì)

潛定位誤差影響效果

3.1方位-多普勒法

由誤差原理，反潛巡邏機(jī)最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)的誤差為

(12)

再由式(7)～式(8)可求得NOE坐標(biāo)系下的潛艇散布誤差。

假設(shè)潛艇以航速10Kn，航向90°航行，頻率誤差0.01-0.04Hz，最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)距離200-2000m，方位誤差13°，不考慮聲速誤差和速度誤差影響，定位誤差計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2　多普勒效應(yīng)定位誤差圖

從計(jì)算結(jié)果可知，最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)距離越大，頻率測(cè)量誤差越大，定位誤差越大。

3.2兩方位法

誤差產(chǎn)生的因素主要有：方位誤差、最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)前后準(zhǔn)確的時(shí)間間隔、迪發(fā)方位滯后。對(duì)于迪發(fā)方位滯后產(chǎn)生的誤差，指揮員可以通過(guò)將獲得方位與DL(Directional Listening)方位比對(duì)進(jìn)行修正，而最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)前后準(zhǔn)確的時(shí)間間隔主要有指揮員的操作能力決定，所以，這里主要計(jì)算方位誤差對(duì)定位誤差的影響，認(rèn)為兩次探測(cè)方位均方差相同，解得：

(13)

(14)

其中：V為潛艇速度(m/s)；T為兩方位間時(shí)間差(s)；F1、F2為兩次測(cè)得方位值(°)。

從式(13)、(14)中可以看出，航向誤差與方位誤差成正比，而最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)距離誤差與目標(biāo)的速度和兩方位時(shí)間差成正比。但該種算法需結(jié)合具體陣型進(jìn)行分析。

4楔形陣型使用被動(dòng)跟蹤算法對(duì)潛定位誤差因素影響效果分析

楔形陣型作為一種較常見(jiàn)的探測(cè)、跟蹤陣型，具有布陣迅速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。由此，利用上述已有解算結(jié)論，可分析如下。

圖3　楔形陣型

4.1定位誤差

建立坐標(biāo)系如圖3所示，假設(shè)浮標(biāo)陣正面寬度d=1389m，浮標(biāo)開(kāi)角a取值30°、45°、60°、75°、90°，潛艇位置點(diǎn)由中心浮標(biāo)沿y軸正向縱向變化，探測(cè)方位誤差13°，解得結(jié)果如圖4、圖5。

圖4　a值對(duì)定位誤差影響

從圖4、圖5可以看出：

1) 定位誤差最小值點(diǎn)距中心浮標(biāo)距離隨a取值不同而異，基本趨勢(shì)是：a值越大，定位誤差最小值點(diǎn)距中心浮標(biāo)的距離越大。

2) 在較近距離處，a值越大，即越接近直線陣，定位誤差越小。

3)a值為45°和60°條件下，定位誤差相對(duì)變化平穩(wěn)，特別是60°條件下，潛艇位于浮標(biāo)陣內(nèi)時(shí)，誤差變化平穩(wěn)。

4) 浮標(biāo)間距越小定位誤差越小。

圖5　浮標(biāo)間距對(duì)定位誤差影響

4.2運(yùn)動(dòng)要素解算可行性分析

設(shè)定潛艇航速5Kn，航向180°航行，初始位置點(diǎn)(0，2778m)，方位誤差13°，浮標(biāo)位置點(diǎn)同上。仿真計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7[6～7]。

圖6　解算目標(biāo)速度

圖7　解算目標(biāo)航向

從圖6、圖7中可以看出，解算速度和航向值是可以收斂的，此算法可行，且在初始位置點(diǎn)一定的條件下，a值越大，收斂速度越快，解算要素誤差越小，由仿真圖形可以看出，數(shù)分鐘內(nèi)要素即可收斂，因此，此種方法的解算時(shí)間完全可以滿足反潛巡邏機(jī)運(yùn)動(dòng)要素解算的時(shí)效性需求。

5結(jié)語(yǔ)

反潛巡邏機(jī)使用多枚聲納浮標(biāo)對(duì)潛定位時(shí)，最近進(jìn)場(chǎng)點(diǎn)距離越遠(yuǎn)、浮標(biāo)與潛艇間距離越大、頻率誤差越大，定位誤差越大。使用楔形陣型對(duì)潛跟蹤時(shí)，將一枚浮標(biāo)置于航向前，另外兩枚浮標(biāo)置于潛艇預(yù)測(cè)航向兩側(cè)60°，此種設(shè)置方法可以使?jié)撏挥诟?biāo)陣內(nèi)時(shí)的定位誤差達(dá)到最小值，且誤差變化平穩(wěn)，同時(shí)，浮標(biāo)間距離越小，定位誤差越小，可有效提升反潛巡邏機(jī)對(duì)潛探測(cè)、跟蹤精度。

參 考 文 獻(xiàn)

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ASW-aircraft Anti-submarine Orientating Error for Factor Effection with Buoy

CAI Yunxiang1CHU Lei1GONG Xu2

(1.Naval Submarine Academy, Qingdao266199)(2.Navy Headquarters Submarine Department, Beijing100000)

AbstractAs an important equiption for ASW-aircraft, the operation effection was connection with attacking submarine. Using several buoys to orientate submarine and TMA was brought out, and the effection of the same array with different deployments was analyzed. The paper could provide reference for ASW-aircraft using buoys to attacking submarine accurately.

Key WordsASW-aircraft, buoy, orientating error, factor effection

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月30日基金項(xiàng)目：國(guó)家社科基金(軍事學(xué)項(xiàng)目)(編號(hào)：15GJ004-212)資助。

作者簡(jiǎn)介：蔡云祥，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)。

中圖分類(lèi)號(hào)TJ 765

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.011