自導作用距離對輕型魚雷攻潛效能的影響

陳 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 賀

?

自導作用距離對輕型魚雷攻潛效能的影響

陳 菁, 何心怡, 雷 蕾, 高 賀

(海軍裝備研究院, 北京, 100161)

針對傳統的輕型魚雷攻潛效能評估中把自導作用距離指標值作為自導作用距離的恒定輸入參數, 從而影響作戰效能評估結果準確性的問題, 分析了自導作用距離隨照射角變化的規律, 采用多亮點模型和基于網格搜索法的魚雷自導作用距離預報模型, 通過仿真試驗對比分析了同一態勢下, 以自導作用距離指標值和在實際戰場環境下的自導作用距離預估值作為自導作用距離的輸入參數的2種不同情況下的目標發現概率。仿真結果表明, 為了更真實地反映實際戰況, 建議根據敵我態勢和水文條件, 將真實自導作用距離作為輕型魚雷效能評估的輸入參數。

輕型魚雷; 自導作用距離; 作戰效能; 輸入參數; 目標發現概率

0 引言

魚雷作戰效能評估是魚雷武器裝備論證的重要基礎, 是魚雷作戰使用研究的重要支持, 是反潛武器輔助決策的重要依據。輕型魚雷實際作戰有一定的復雜性、不確定性和非線性等特性[1], 自導作用距離是輕型魚雷作戰效能評估模型的輸入之一[2-3]。國內對魚雷作戰效能研究的熱度持續不減: 楊惠珍[4]探討了可組合的魚雷作戰效能評估仿真系統的體系結構和開發流程; 卜廣志[5]提出了使用分布式交互仿真技術實現魚雷作戰效能仿真的思路; 楊緒升[6]定量分析了射擊諸元誤差對聲自導魚雷作戰效能的影響。雖然國內對魚雷作戰效能評估的研究范圍廣, 但從未涉及自導作用距離這一重要輸入參數。目前, 魚雷攻潛效能評估模型一般將自導作用距離指標值作為自導作用距離的恒定輸入, 而實際潛艇目標為體目標, 不同部位的反射能力存在較大差異, 若忽略攻擊潛艇不同方位時自導作用距離變化帶來的影響, 將導致魚雷作戰效能評估結果與實際作戰效果不符。

有鑒于此, 針對自導作用距離對輕型魚雷攻潛效能評估的影響, 在當前魚雷作戰效能評估模型的基礎上引入多亮點目標回波模型和自導作用距離預報模型, 深入研究了輕型魚雷攻擊實際潛艇目標時, 不同攻擊方位對魚雷自導作用距離的影響, 使其更有效、真實地反映實際戰況。

1　傳統魚雷作戰效能評估模型基本情況

傳統魚雷作戰效能通常采用作戰模擬法來計算, 蒙特卡洛法是作戰模擬法的一種, 能夠較真實地模擬實戰條件下對抗條件和交戰對象及武器的協同, 并且快速、低成本地獲取裝備效能評估數據[2-3]。如表1所示, 傳統魚雷作戰效能模型將魚雷航速、航向、自導作用距離、自導搜索扇面、魚雷航程和目標航速、航向、方位、初始雷目距離等作為輸入參數, 其仿真結果輸出為魚雷的發現概率或命中概率[4-5]。

表1　輸入輸出參數表

傳統輕型魚雷作戰效能評估利用蒙特卡洛法在某一種態勢下進行多次迭代, 模擬魚雷和目標的運動軌跡、判斷目標是否落入魚雷自導搜索扇面, 并通過古典概率模型計算目標發現概率[6]

式中:為發現目標的次數;為模擬次數。

目前的輕型魚雷作戰效能評估模型都把魚雷自導作用距離指標值作為輸入參數, 而實際作戰使用中, 魚雷打擊的是具有一定尺度特征的體目標, 打擊目標潛艇不同部位時, 魚雷自導作用距離真實值不同于指標值, 這對魚雷作戰效能評估模型的影響不容小覷。基于此, 引入多亮點目標回波模型和自導作用距離預報模型, 對輕型魚雷攻潛效能評估模型做出一定的改進。

2　輕型魚雷攻潛作戰效能評估

由于目標各部位的聲學反射特性存在差異, 當魚雷從不同方位攻擊目標潛艇時目標強度不同, 自導作用距離也隨相遇角的變化而變化。傳統魚雷作戰效能評估模型把自導作用距離指標值視作恒定輸入參數, 未能真實有效地反映實際打擊效果。受限于潛艇目標強度的真實數據值涉密程度較高, 無法獲取, 故引入多亮點目標回波模型對潛艇目標強度進行仿真, 并采用自導作用距離預報模型分析魚雷攻擊體目標的作戰效能中自導作用距離變化的影響, 提出對輕型魚雷攻潛效能評估模型的改進方案。

2.1　多亮點目標回波模型

多亮點模型把目標回波視為多個亮點子回波的相干迭加之和, 是對體目標的合理簡化, 真實描述其聲學反射特性。對比單亮點模型而言, 多亮點模型真實反映了目標體積散布和各部位間隱蔽的特性, 更加逼真, 充分表征了體目標的回波脈沖寬度延伸與幅度效應, 與實際測量情況相符。

基于多亮點模型的潛艇回波時域表達式為[7]

基于多亮點模型的潛艇目標強度表達式為[7]

2.2　目標強度、自導作用距離與作戰效能模型的關系

被動聲自導系統通過檢測潛艇輻射噪聲來搜索、發現目標; 主動聲自導系統向外發射聲脈沖信號, 通過接收目標回波來發現目標。隨著潛艇隱身性的提高, 目前大多數反潛武器均采用主動聲自導方式作為反潛主要手段。

混響背景下的主動聲自導方程為

噪聲背景下的主動聲自導方程為

(5)

通常主動聲自導魚雷的主要干擾場為混響。聲自導魚雷在相同海洋水文條件下的和由其自身性能決定, 可視為恒定不變。

(6)

目標強度是具有方向性的參數, 通常目標強度與方位、深度、頻率、距離和脈沖持續時間有關[8]。由于目標各部位的聲學反射特性存在差異, 目標強度在潛艇的正橫方向較強、首尾方向較弱, 當魚雷從不同方位攻擊目標潛艇時,是不同的, 即隨的變化而變化; 而變化會引起變化, 所以自導作用距離與相遇角有關, 即隨的變化而變化[9]。

自導作用距離作為輕型魚雷作戰效能評估的重要輸入參數, 其準確性直接影響作戰效能評估模型的輸出結果。利用自導作用距離隨相遇角變化這一特點, 把自導作用距離作為變量輸入, 進一步優化輕型魚雷作戰效能評估模型。

為了更逼真地反映出自導作用距離對作戰效能的影響, 對輕型魚雷作戰效能模型進行如下改進: 首先, 由多亮點模型通過仿真確定目標強度分布, 再通過自導作用距離預報模型, 根據目標強度分布建立魚雷自導作用距離與照射角的對應關系; 然后合理選取步長, 將同一態勢下不同照射角的魚雷自導作用距離作為動態輸入作戰效能評估模型, 此時自導作用距離不再是常量, 而是隨角度變化的變量; 最后, 根據不同的實際情況, 選取當前態勢下對應的魚雷自導作用距離作為輸入, 進行作戰效能評估。從輸入參數的科學性角度對傳統作戰效能評估模型進行了優化, 使作戰效能評估結果更加有效, 能夠更大程度反映實際情況。

3　仿真試驗

3.1　仿真模型

首先, 根據多亮點模型[10](如圖2所示)將目標由6個剛性球體組成的多亮點模型表示, 包括艇首、前艇體、艦橋、艇舯、后艇體和艦艉。取表示艦橋的球體半徑為8 m, 其他球體均取半徑為7 m。以表示艇艉的球體球心為參考點, 球體球心到參考點的距離為球體間距, 各個球體間距和反射系數見表2[10]。

表2　球體間距和反射系數

利用多亮點模型對潛艇目標強度進行仿真, 目標強度隨潛艇照射角的變化如圖3所示。圖3中極坐標系中極點為潛艇聲學中心, 極軸0°為艇艏方向、180°為艇艉方向, 極角為照射角, 目標強度呈蝶形分布。結合采用網格搜索法的自導作用距離預報模型[11], 可以預估不同態勢下的目標強度和自導作用距離(見表3)。

其次, 分別建立魚雷、目標、火控和聲吶模型, 各仿真參數如表4所示。其中, 魚雷航速誤差為最大誤差, 目標側向、測距誤差為2階原點矩, 目標航向、航速解算誤差為均方差。目標以航速4或8等速直航。

表3　不同照射角時目標強度和自導作用距離

表4　仿真參數

由于目標強度在潛艇中軸線左右兩側具有對稱性, 仿真試驗只需考慮單側目標特性即可。對每個攻擊態勢進行1000次作戰仿真。

3.2　仿真結果與分析

假設目標航速8 kn, 目標距離5 500 m, 選取步長45°, 分別對照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°時, 自導作用距離作為定量和變量輸入2種情況的目標潛艇進行作戰效能評估。自導作用距離作為定量輸入(自導作用距離指標為: 在良好水文條件下, 目標強度為12 dB時, 自導作用距離為900 m), 照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°時目標的發現概率如表5所示。自導作用距離作為變量輸入時, 照射角為0°, 45°, 90°, 135°, 180°的目標強度分別為5 dB, 14 dB, 25 dB, 13 dB, 4 dB, 自導作用距離分別為560 m, 1200 m, 2500 m, 1000 m, 500 m, 其作戰效能評估結果見表5。

表5　2種情況下不同照射角的發現概率

圖4是2種情況下的目標發現概率對比圖。當自導作用距離作為定量輸入時, 不論照射角(即魚雷的攻擊方位)如何變化, 目標的發現概率都在87%左右; 而當自導作用距離作為變量輸入時, 目標的發現概率受自導作用距離的影響變化較大。例如, 魚雷從正橫方向攻擊目標潛艇時, 目標強度最強, 此時自導作用距離為2500, 目標的發現概率為99.9%; 當魚雷尾追攻擊目標時, 目標強度最弱, 自導作用距離只有500, 發現概率僅為54.9%, 幾乎是正橫方向攻擊時最大發現概率的一半。由此可知, 魚雷自導作用距離作為輕型魚雷作戰效能評估的重要輸入參數, 會對評估結果產生重大影響。

表6　目標航速4 kn時2種情況下不同照射角發現概率

表7　目標距離4 500 m時2種情況下不同照射角發現概率

表8　目標距離6500 m時2種情況下不同照射角發現概率

由表5~表8可知, 不同態勢下的魚雷作戰效能評估結果均受自導作用距離變化的影響, 可見自導作用距離若作為恒定值輸入, 魚雷作戰效能評估結果的真實性較低。

綜上所述, 在進行魚雷作戰效能評估時考慮不同態勢下自導作用距離變化對發現概率的影響是很有必要的。在今后的魚雷作戰效能評估模型中, 為加強參數的合理化和科學化輸入, 應將真實的魚雷自導作用距離作為輕型魚雷作戰效能評估的參數輸入, 使其為魚雷武器裝備論證、魚雷作戰使用研究和反潛武器輔助決策提供更有力的支持。

4　結束語

文中針對輕型魚雷作戰效能評估存在的輸入參數科學性較低的問題, 深入分析了傳統輕型魚雷攻擊實際目標作戰效能評估模型把自導作用距離這一隨態勢變化的參數作為定量輸入的不足, 利用多亮點模型和魚雷自導作用距離預報模型對自導作用距離真實值進行預估, 通過仿真試驗對比分析了同一態勢下, 魚雷自導作用距離作為定量和變量輸入2種情況下目標的發現概率, 提出了對輕型魚雷作戰效能評估模型輸入參數的改進建議, 為今后輕型魚雷作戰效能評估的優化和完善提供思路, 為實戰條件下魚雷作戰能力的提高打下良好基礎。

[1] 周德善. 魚雷自導技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009: 1-3.

[2] 宋保維, 宋曉茹, 毛昭勇. 魚雷作戰效能評估方法分析[J]. 火力與指揮控制, 2012, 37(1): 1-7. Song Bao-wei, Song Xiao-ru, Mao Zhao-yong. Analysis of Evaluation Model for Torpedo Weapon System[J]. Fire Control & Command Control, 2012, 37(1): 1-7.

[3] 李明輝, 閔紹榮, 謝紅勝. 基于蒙特卡洛法的艦艇規避魚雷效能推演評估[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(2): 136- 140.Li Ming-hui, Min Shao-rong, Xie Hong-sheng. Simulation of Vessel Evading Efficiency to Acoustic Homing Torpedo Based on Monte Carlo Method[J]. Ship Electronic Engi- neering, 2014, 34(2):136-140.

[4] 楊惠珍, 朱遠軍, 張建春, 等. 可組合的魚雷作戰效能評估仿真系統研究[J]. 魚雷技術, 2013, 21(2): 146-152.Yang Hui-zhen, Zhu Yuan-jun, Zhang Jian-chun, et al. Study on Composable Simulation System for Evaluation of Torpedo Operational Effectiveness[J]. Torpedo Techno- logy, 2013, 21(2): 146-152.

[5] 卜廣志, 張宇文. 魚雷武器系統作戰效能的仿真方法研究[J]. 魚雷技術, 2002, 10(2): 32-35. Bu Guang-zhi, Zhang Yu-wen. A Study of Simulation Method of Operational Effectiveness for Torpedo Weapon System[J]. Torpedo Technology, 2002, 10(2):32-35.

[6] 楊緒升, 劉建兵, 周慶飛. 聲自導魚雷射擊諸元及誤差對其捕獲概率的影響[J]. 指揮控制與仿真, 2009, 31(5): 93-97. Yang Xu-sheng, Liu Jian-bing, Zhou Qing-fei. Effect on Acoustic Homing Torpedo Capture Probability of Fire Elements and Errors[J]. Command Control & Simulation, 2009, 31(5): 93-97.

[7] 何心怡, 蔣興舟, 林建域. 基于亮點模型的潛艇回波仿真[J]. 魚雷技術, 2001, 9(3): 15-18.

[8] 潘冠華. 艦艇綜合指揮控制系統原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2010: 250-251.

[9] 李國付. 魚雷自導作用距離估算方法研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2007: 61-62.

[10] 何心怡, 張鵬, 王光宇, 等. 大俯仰角時的潛艇目標強度研究[J]. 艦船科學技術, 2007, 29(3): 37-39. He Xin-yi, Zhang Peng, Wang Guang-yu, et al. Target Strength Research of Submarine under Large Pitching Angle[J]. Ship Science and Technology, 2007, 29(3): 37-39.

[11] 何心怡, 錢東, 肖昌美, 等. 水文條件對魚雷聲自導作用距離的影響[J]. 魚雷技術, 2007, 15(5): 33-36. He Xin-yi, Qian Dong, Xiao Chang-mei, et al. Influence of Water Conditions on Torpedo Acoustic Homing Range [J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 33-36.

(責任編輯: 陳 曦)

Effect of Homing Range on Lightweight Torpedo?s Anti-submarine Operation Efficiency

CHEN JingHE Xin-yiLEI LeiGAO He

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

In conventional evaluation of lightweight torpedo′s anti-submarine operation efficiency, the homing range is taken as the constant input parameter, which influences the evaluation accuracy. Therefore, this paper analyzes the relation between homing range and irradiation angle. Adopting the multi-highlight model and the torpedo homing range prediction model based on the grid search method, this paper contrastively analyses the target detection probability via simulation experiment for two different situations: 1) taking the homing range as input parameter, and 2) taking the estimated value of homing range in actual battlefield environment as input parameter. The results suggest that in order to more really reflect battlefield situation, the real homing range be taken as the input parameter for evaluation of the torpedo?s anti-submarine operation efficiency according to situations of ourselves and the enemy and hydrological condition.

lightweight torpedo; homing range; operation efficiency; input parameter; target detection probability

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.013

TJ630.3; E925.23

A

1673-1948(2016)06-0469-06

2016-09-26;

2016-10-31.

陳 菁(1992-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向為武器系統與運用工程.