水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究

孫振新, 顧天軍

水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究

孫振新, 顧天軍

(江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港, 222061)

隨著魚雷智能化水平不斷提高, 反魚雷魚雷(ATT)作為對抗來襲魚雷的硬殺傷武器已成為各國研究的重點, 而攔截策略直接影響ATT的攔截概率。對此, 文中首先建立了ATT概略位置攔截、迎面攔截、直接攔截和當前位置攔截4種模型, 將水面艦艇防御來襲魚雷過程分為遠距離段防御、中距離段防御、近距離段防御和近界段防御4個過程, 通過對不同態勢下ATT攔截概率的仿真計算得出不同距離段ATT最優攔截方式, 并提出水面艦艇防御來襲魚雷的最優攔截策略。文中研究可為改善水面艦艇的海上生存能力提供參考。

反魚雷魚雷; 攔截概率; 攔截策略

0 引言

隨著現代魚雷在水面、空中和水下的廣泛應用, 其對目標的隱蔽搜索、探測和攻擊能力大大提高, 迫使水面艦艇采用更多的方式對其進行防御[1]。同時, 在目標提取和判斷技術方面, 現代魚雷已經能夠有效識別假目標、聲誘餌和聲對抗器材等“軟對抗”器材。反魚雷魚雷(anti-torpedo tor- pedo, ATT)作為一種新型“硬殺傷”武器, 具有主動搜索和精確制導的特點, 相比于攔截彈、深彈等“硬殺傷”武器, 高毀傷概率使其成為各軍事強國研究的重點。

“綜合即創造”是現代科技創新發展的主要趨勢之一。水面艦艇綜合防御魚雷技術不僅要通過合理規劃軟殺傷、硬殺傷以及規避機動等多種對抗形式, 建立全方位、多層次、多手段的綜合防御魚雷一體化作戰機制, 而且要研究不同態勢下ATT最優攔截策略, 最大限度地縮短反應時間、提高打擊精度和防御效能[2]。

基于此, 文中探討了ATT 4種攔截方式的攔截彈道及適用態勢, 通過對不同態勢下ATT攔截概率的仿真計算, 得出不同距離段ATT最優攔截方式, 從而提出水面艦艇防御來襲魚雷的最優攔截策略。

1 模型建立

1.1 直接攔截模型

直接攔截是通過解算來襲魚雷的速度、航向及方位得到其攻擊彈道, 并在解算出來襲魚雷攻擊彈道后, 利用解三角形原理, 求解ATT諸元參數, 設定ATT攔截彈道, 使其出現在目標未來航路相遇點附近, 利用ATT自導搜索系統, 捕獲來襲魚雷[3], 攻擊過程如圖1所示。

圖1 ATT直接攔截攻擊過程示意圖

假定來襲魚雷報警位置在點, 以固定提前角方式朝本艦攻擊, 艦艇火控系統解算出射擊諸元后, ATT按照設定彈道直接攔截來襲目標, 有利提前角為, 通過一段直線航行, 在來襲魚雷未來航路點位置與目標相遇, 簡化的攔截彈道如圖2所示, ATT攔截來襲魚雷仿真如圖3所示。圖中:V為艦艇航速;V為來襲魚雷航速;V為ATT航速;為艦艇航速和來襲魚雷速度比;1為目標初始方位;2為相遇點目標方位;1為目標初始距離;2為相遇時雷艦距離。

圖2 ATT直接攔截彈道示意圖

圖3 ATT直接攔截來襲魚雷仿真示意圖

相應數學模型

1.2 迎面攔截模型

迎面攔截是在解算來襲魚雷攻擊彈道后, 得到ATT直航距離和轉角參數。ATT入水直航一段距離后, 通過轉向使其沿著來襲魚雷相反的方向航行, 進而實施攔截, 攻擊過程如圖4所示。簡化的攔截彈道如圖5所示, 攔截來襲魚雷仿真示意圖見圖6。相應數學模型如下。

1) ATT直航彈道

式中: Va為ATT航速; Ca為ATT的航向。

圖5 ATT迎面攔截彈道示意圖

圖6 ATT迎面攔截來襲魚雷仿真示意圖

2) ATT的旋回彈道模型[4-5]

旋回搜索過程中ATT的航向

式中: 順時針取負, 逆時針取正;C(t)為ATT初始旋回航向;ω為ATT的旋回角速度。

3) ATT旋回后的彈道模型

式中,為轉角, 其與目標方位1、目標距離1及目標航向C有關。

1.3 當前位置攔截模型

當前位置攔截屬于應急攔截, 當目標距離較近, 來不及解算目標航速航向時, ATT可通過一次轉角后直接朝著目標的當前位置進行搜索, 攻擊過程如圖7所示。

圖7 ATT當前位置攔截攻擊過程示意圖

設水面艦艇在點, 以速度V和航向C運動, 目標當前位置在點, ATT旋回半徑為r, 聲吶探測到來襲魚雷方位1、雷艦距離為1。考慮到發射裝置與艦艇位置關系(夾角π/4), ATT發射入水后, 轉過角度, 朝來襲魚雷點位置沿著方向進行搜索, 攔截彈道如圖8所示。

相應數學模型

1.4 概略位置攔截模型

概略位置攔截彈道是在僅知道目標方位信息情況下, 利用四方位法[6]解算出來襲魚雷概略航向航速, 預估來襲魚雷的彈道, 進而實施概略攔截, 概略攔截彈道如圖9所示。

設水面艦艇在點, 以速度V、航向C運動。聲吶被動探測情況下, 在點發現來襲魚雷在點, 方位為, 概略航向C,連線與來襲魚雷方位線的夾角為。當聲吶探測到來襲魚雷目標時, 來襲魚雷可能發現本艦, 也可能沒有發現本艦。如果已經發現本艦, 則其航向通常是指向本艦的, 即方向; 如果沒有發現本艦, 則其航向是原正常的搜索航向, 即沿概略航向C方向搜索。因此來襲魚雷的實際航向可能分布在和C區間內的任意一個方向。

圖8 ATT當前位置攔截彈道示意圖

圖9 ATT概略位置攔截彈道示意圖

按照概略航向及概略速度可算出ATT的發射提前角

式中:為ATT的發射提前角;V為ATT的航速;V為來襲魚雷的概略速度。

因此, 在不能得到更多目標信息態勢下, ATT的攻擊航向可取連線與本艦航向C區間的中間值。依據以上攔截模型可得到4種攔截方式下的攔截方案。

1) 直接攔截方案

ATT采用直航搜索的攔截彈道, 利用解相遇原理, 減少了攻擊距離, 縮短了攔截時間。作為該方案具備高效能的重要前提, 其首先要解算出目標精確航路和運動要素, 因此該方案一般是在聲吶主動探測工況或者聲吶主被動聯合探測工況下使用, 屬于精確攔截。

2) 迎面攔截方案

該方案是在發射ATT以后, 通過ATT轉角使其旋回到來襲魚雷的攻擊航向上, 開啟自導, 沿目標彈道的逆航向上進行搜索。其適用于已知來襲目標距離、方位及航向信息, 也屬于精確攔截, 同樣對目標運動要素解算精度要求很高, 需要在聲吶的主動探測工況下使用。

3) 當前位置攔截方案

該方案屬于近界應急攔截, 由于系統沒有足夠的反應時間解算目標的運動參數, 攔截效能取決于ATT的自導性能, ATT入水后, 朝著目標當前位置攻擊, 依靠自身的搜索系統捕獲毀傷目標, 適應于近界應急防御態勢。

4) 概略位置攔截

該方案屬于遠距離攔截, 此時艦艇聲吶處于被動探測工況下, 不能獲取目標的速度、距離及航向等信息, 只能得到目標的方位信息, 由于獲得的目標信息少且精度不高, 因此該方案攔截效能不高, 往往配合艦艇機動規避來保證艦艇的安全。

2 攔截策略研究

現代魚雷武器攻擊速度更快、隱蔽性更強, 同時魚雷導引方式也趨于多樣化: 聲自導和線導相結合、尾流自導和線導相結合, 加之在目標識別、推進控制系統等技術領域的不斷深入, 在短時間內識別來襲魚雷的制導類型較為困難[7], 可將防御區段分為遠距離段、中距離段、近距離段及近界段, 由單一層次向遠中近多層次防御發展。

1) 遠距離區段

在距艦艇距離7~5 km的范圍內, 本艦聲吶采用被動探測方式, 且此時來襲魚雷還處于直航段, 未進入自導段, 此種態勢只能選擇概略位置方案, 并配合機動完成防御。

2) 中距離段

在距艦艇距離5~3 km的范圍內, 本艦聲吶可以對來襲魚雷進行報警和探測, 并獲得目標的距離、方位、航速及航向, 但目標運動要素解算誤差較大。此區段可采用迎面攔截方案, 該方案對速度的解算精度要求不高, 為獲得較好的攔截效能, 可考慮雙雷迎面齊射, 增大ATT自導搜索覆蓋范圍, 提高對目標的發現概率。

3) 近距離段

在距艦艇距離3~1 km的范圍內, 來襲魚雷已經進入自導搜索段, 本艦聲吶采用主動探測方式, 可獲得精確的目標速度、航向、方位和距離等信息, 目標運動要素解算精度較高。可選擇直接攔截, 縮短攻擊時間, 也可選擇迎面攔截, 兩者都有較高的攔截效能, 可實現對目標的精確攔截, 此區域段為ATT攔截目標的主要區段。

4) 近界段

在距艦艇距離1 km~500 m的范圍內, 此時來襲魚雷朝著本艦攻擊, 由于報警距離較近, 靠本艦機動已無法擺脫目標的追蹤, 且來不及解算目標的運動要素, 只能采用當前位置方案進行應急攔截, 依靠ATT自身的自導性能攔截目標, 同時可配合拖曳式聲誘餌誘騙綜合防御。

3 仿真驗證與分析

3.1 捕獲魚雷條件

ATT采用扇面檢測法進行主動搜索, 即在ATT搜索過程中, 只有目標進入了ATT的自導搜索扇面內, 才能發現目標, 進而去捕獲目標。因此, 目標和ATT之間的相對距離和相對方位必須滿足一定的約束條件。

ATT與來襲魚雷的相對距離

來襲魚雷的相對方位[8]

式中:為ATT的橫坐標;為ATT的縱坐標;為來襲魚雷的橫坐標;為來襲魚雷的縱坐標。

ATT最大搜索航距為, 搜索扇面半徑為, 自導扇面角為時, 需同時滿足[9]

當同時滿足上述3個條件時, 可判定來襲魚雷進入了ATT的搜索范圍, ATT開啟自導, 直至捕獲目標。

3.2 仿真驗證

仿真條件如下:

1) 系統反應時間: 非應急攔截(遠距離段、中距離段、近距離段)反應時間取18 s(聲吶穩定跟蹤6個點, 周期3 s), 應急攔截(近界段)反應時間取3 s;

2) 來襲魚雷制導類型: 聲自導魚雷;

3) 來襲魚雷攻擊方式: 固定提前角10°;

4) 誤差水平: 設為目標距離, 聲吶主動工況下, 測向誤差2°, 測距誤差2%+50 m, 測速誤差1 kn; 聲吶被動工況下, 測向誤差10°, 測距誤差20+100 m, 測速誤差2 kn;

5) ATT運動參數: 自導作用距離800 m, 自導搜索扇面角90°, 轉角角速度50°/s, ATT轉角延遲500 ms。

仿真結果如圖10~圖14所示。

遠距離段采用概略位置攔截, 從仿真結果來看, 發現概率不高, 主要因為聲吶探測精度較低, 能獲取的目標信息較少, 當然此區域段來襲魚雷一般處于直航段, 這時本艦還未進入來襲魚雷的自導搜索范圍, 可利用概略位置攔截進行初步防御, 同時也為艦艇向安全區域機動規避提供參考。

中距離段聲吶探測處于被動工況下, 選擇迎面攔截, 通過仿真結果可得, 單射/齊射迎面攔截情況下, 發現概率隨著報警距離增加不斷提高, 報警距離在3500 m時, 迎面齊射攔截對目標的發現概率達80%左右, 整個區域齊射條件下, 對目標的發現概率比單射攔截時提高15%左右; 另外, 該區域系統有充足的反應時間實施防御攔截, 因此該距離段優先選擇迎面齊射攔截。

圖10 遠距離段概略位置攔截仿真結果

圖11 中距離段單/齊射迎面攔截仿真結果

圖12 近距離段單/齊射攔截仿真結果

圖13 近界段當前位置攔截仿真結果

圖14 發現概率隨報警距離變化曲線

近距離聲吶探測處于主動工況下, 能獲取全面的目標信息且目標運動要素解算精度較高, 攔截方式可選擇單/齊射迎面攔截、單/齊射直接攔截, 通過仿真結果可得, 2種攔截方式單射情況下對目標的發現概率都可達85%以上, 目標報警距離小于2 km時, 對目標發現概率達90%以上, 且齊射對目標的發現概率提高不明顯, 因此該距離段優先選擇單射。考慮到該區域本艦很可能已經在來襲魚雷自導搜索扇面內, 攻擊時間窗口進一步縮短, 相比迎面攔截, 直接攔截方式具有更短攻擊時間, 因此目標處在3~2 km范圍內優先選擇迎面單射攔截; 目標處在2~1 km范圍內, 優先選擇單射直接攔截方式。

近界段本艦已經落入來襲魚雷自導搜索范圍內, 且目標朝著本艦攻擊, 距離在1 km以內, 本艦既不能通過機動擺脫目標的攻擊, 又來不及解算目標運動要素, 因此該區域適合采用當前位置攔截, 屬于應急攔截方式。考慮到ATT自導性能, 在ATT入水開啟自導后, 目標基本上都落在ATT的自導搜索范圍內, 對目標的發現概率可達98%左右, 從艦艇的安全角度考慮, 毀傷來襲魚雷也會影響到本艦安全, 因此應可能在1 km以外范圍內攔截來襲魚雷。

通過仿真結果可得如下結論。

1) 遠距離(7~5 km): 采用概略位置攔截ATT對來襲魚雷發現概率不高, 但此態勢下, 目標對艦艇的威脅還不大, 配合艦艇機動, 降低艦艇進入來襲魚雷自導搜索范圍的概率。

2) 中距離(5~3 km): 應優先選擇齊射迎面攔截方式, 相比于單射, 齊射方式對目標的平均發現概率可提高15%左右。

3) 近距離段(3~1 km): 可選擇直接攔截或迎面攔截單射方式, 對目標發現概率可達90%以上, 齊射方式下對目標發現概率改善不明顯。

4) 近界段(1 km~500 m): 采用當前位置攔截方式, 目標幾乎都落在自導搜索扇面內, 平均發現概率可達98%左右。

對魚雷目標不同距離段下, 對應的優先攔截策略如圖15所示。

圖15 不同距離段對應的最優攔截策略

4 結束語

文中基于ATT作戰效能對水面艦艇多層次防御策略進行了研究, 根據來襲魚雷的報警距離, 在遠距離段、中距離段、近距離段及近界段4個區域中, 結合每個區域的作戰態勢和4種方案的適用條件, 通過仿真驗證及定性分析, 得出各區域段的最優攔截策略; 并對ATT常用的4種攔截方式進行了歸納總結, 建立了系統作戰使用模型。文中的仿真是建立在來襲魚雷采用固定提前角攻擊水面艦艇的基礎上進行, 同時沒有考慮來襲魚雷的制導類型(不同制導類型的來襲魚雷對應的攔截策略也會不同), 在今后的作戰研究中應結合來襲魚雷的制導類型, 制定更加精確有效的攔截策略。

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Research on Anti-Torpedo Torpedo Interception Strategy of Surface Ship

SUN Zhen-xin, GU Tian-jun

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061,China)

As the capability of torpedo intelligence continues to improve, anti-torpedo torpedoes (ATTs) have become a major research focus in many countries, where the interception strategy directly affects ATT interception probabilities. In this study, four ATT models of rough-position, head-on, direct and current-location interception are established to defend against incoming torpedoes. The defense strategy is divided into four processes: long-range, medium-range, close-range, and near-boundary. Based on a simulation of the ATT interception probability under different situations, an optimal interception method of the ATT at different ranges is then obtained, and an optimal interception strategy for surface ships to defend against incoming torpedoes is proposed, thus providing a significant means of improving survivability of surface ships.

anti-torpedo torpedo; interception probability; interception strategy

TJ630.2; E833

A

2096-3920(2020)06-0699-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.016

2020-06-17;

2020-07-15.

孫振新(1965-), 碩士, 研究員, 主要研究方向為水面艦艇火控系統.

孫振新, 顧天軍. 水面艦艇反魚雷魚雷攔截策略研究[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(6): 699-705.

(責任編輯: 楊力軍)