LM AUV遠(yuǎn)程投送水雷雷位散布特性分析

洪咸?hào)|

（中國人民解放軍 92101部隊(duì)，福建 福州 350101）

0 引言

現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭條件下，戰(zhàn)場透明度越來越高，使用傳統(tǒng)布雷平臺(tái)難以完成作戰(zhàn)使命，為此，世界各國海軍致力研究使用遠(yuǎn)程自主式布雷器（以下簡稱LM AUV）投送水雷，將水雷遠(yuǎn)距離自主投送到預(yù)定區(qū)域[1]。然而，在使用LM AUV遠(yuǎn)距離投送水雷時(shí)，由于其航行速度低、航渡時(shí)間長，受海區(qū)自然條件（海流、水深等）影響及AUV自身導(dǎo)航定位技術(shù)的制約，LM AUV往往難以精確按預(yù)先設(shè)定的航路航行，導(dǎo)致布設(shè)的水雷實(shí)際位置與期望位置不相一致，這種位置偏差現(xiàn)象稱為雷位散布[2]。

布雷作戰(zhàn)時(shí)，水雷的雷位散布概率是評(píng)價(jià)雷障封鎖效能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[3]，是不容忽視的。雷位散布問題不僅對(duì)水雷障礙內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著直接影響，而且也會(huì)影響水雷障礙的打擊效果。鑒于此，研究LM AUV遠(yuǎn)距離投送水雷時(shí)雷位散布特性，分析流速、水深及航距對(duì)雷位散布的影響就顯得很有必要。

1 雷位散布產(chǎn)生機(jī)理

使用LM AUV進(jìn)行遠(yuǎn)距離投送水雷時(shí)，雷位散布主要由AUV航行至布雷陣位時(shí)的定位誤差、機(jī)動(dòng)航行段的航行誤差以及投放水雷時(shí)水雷末彈道誤差造成。有關(guān)LM AUV遠(yuǎn)程布雷誤差產(chǎn)生機(jī)理分析詳見參考文獻(xiàn)[4]，在此不再累述。

2 雷位散布模型

根據(jù)LM AUV使用特性，對(duì)各項(xiàng)誤差引起的雷位散布進(jìn)行建模。為便于建模研究，建立以雷區(qū)正面下邊沿為X軸，縱向?yàn)閅軸，以AUV最后一次精確定位點(diǎn)為原點(diǎn)O的空間坐標(biāo)系，預(yù)定水雷落點(diǎn)O′為雷位散布橢圓中心，設(shè)橢圓的長軸方向?yàn)楹骄嗌⒉迹梯S方向?yàn)楹较蛏⒉迹瑒t認(rèn)為任意落點(diǎn)在雷線上投影點(diǎn)距離橢圓中心（預(yù)定落點(diǎn)）的距離σ服從正態(tài)分布[5]。

2.1 平臺(tái)定位散布概率函數(shù)

AUV通常采用 GPS定位方式獲得平臺(tái)當(dāng)前的GPS定位數(shù)據(jù)，對(duì)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差進(jìn)行校正。目前，GPS定位精度約為10 m左右，即AUV定位誤差1σ=10 m，則平臺(tái)定位散布概率密度函數(shù)為

2.2 平臺(tái)機(jī)動(dòng)航行段散布概率函數(shù)

由圖1所示，自主導(dǎo)航系統(tǒng)精度 σ2= k1× D ，k1為導(dǎo)航誤差系數(shù)，D為校準(zhǔn)后航行距離，即航程散布概率密度函數(shù)為

圖1 雷位散布坐標(biāo)系Fig.1 Dispersion coordinates of mine location

橫向偏移ΔL=D×sinθ，通過水聲遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)航向誤差進(jìn)行校正后，平均橫向軌跡誤差σ3=k2×D，k2為橫向偏移誤差系數(shù)，即航向散布概率密度函數(shù)為

2.3 水雷末彈道散布概率函數(shù)

由圖2所示，水雷與AUV平臺(tái)分離時(shí)，受海流影響所引起的漂移為

圖2 水雷末彈道散布Fig.2 Terminal ballistic dispersion of mine

式中：v為海流平均流速；v0為水雷與平臺(tái)分離時(shí)刻初速度；t為水雷分離時(shí)間。

水雷下沉過程受海流影響所引起的位移誤差：

t′為水雷與平臺(tái)分離至沉底時(shí)間，與水深h、水雷平均下沉速度相關(guān)，即

由于在海洋中海流是空間和時(shí)間的動(dòng)態(tài)復(fù)雜矢量函數(shù)，水雷在水中運(yùn)動(dòng)的過程中受到海流的影響詳見文獻(xiàn)[6]-[7]，在此不再累述。一般取最簡單的情形認(rèn)為v0=0，即平臺(tái)為懸停狀態(tài)；短時(shí)間內(nèi)4σ、5σ位移的方向與海流流向一致，位移大小與平臺(tái)、水雷的形狀和海流流速、水深有關(guān)。則末彈道漂移散布概率密度函數(shù)：

2.4 雷位散布模型

根據(jù)上述分析，AUV布設(shè)水雷時(shí)存在隨機(jī)散布現(xiàn)象，雷位總誤差不能簡單的線性相加，一般以均方差表示為

3 仿真分析

由式（9）可知，雷位散布主要與校準(zhǔn)后自主航行距離D、導(dǎo)航精度k、海流流速v、平臺(tái)懸停時(shí)間t及布雷水深h等密切相關(guān)。

圖3 20 m水深時(shí)雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.3 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 20 meters

3.1 航距對(duì)雷位散布影響

由圖3-5可見，雷位散布誤差與AUV自主航行距離、海流流速成正比關(guān)系；同時(shí)，也驗(yàn)證了AUV航位推算的定位誤差是隨著時(shí)間發(fā)散的[8]，航距越遠(yuǎn)、航時(shí)越長，其布雷就位點(diǎn)的精度越低，定位誤差就越大。據(jù)此，為了提高布雷精度，在戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用上，AUV最后校準(zhǔn)點(diǎn)選擇盡可能地靠近布雷投放點(diǎn)，以縮短最后一次校準(zhǔn)與水雷投放點(diǎn)之間的距離；然而，在實(shí)際使用時(shí)還要綜合敵方威脅因素，從安全角度考慮，最后校準(zhǔn)點(diǎn)選擇應(yīng)設(shè)置在敵嚴(yán)密防區(qū)或有效干擾區(qū)以外。如圖4所示：若在50 m水深、海流流速v=2.5 m/s時(shí)布雷，需雷位散布誤差不大于200 m，則選擇最后校準(zhǔn)點(diǎn)與水雷投放點(diǎn)之間的距離不大于15 km條件下，可滿足雷位散布要求。

圖4 50 m水深時(shí)雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.4 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 50 meters

圖5 100 m水深時(shí)雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.5 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 100 meters

3.2 流速對(duì)雷位散布影響

通過模型仿真變化曲線可以看出，AUV位移大小與海流流速和水深有關(guān)：

1）整個(gè)布雷過程，AUV散布偏移量受到海流的影響較大，流速越大，位移誤差就越大；

2）在自主航行距離確定情況下，不同布雷水深A(yù)UV散布偏移量與海流流速變化不明顯。

如圖3所示：若在20 m水深，AUV自主航距10 km進(jìn)行布雷，要求雷位散布誤差不大于150 m，則需在海流流速v≤2.5 m/s條件下才滿足雷位散布要求。

3.3 水深對(duì)雷位散布影響

由式（6）可以看出：布雷水深主要對(duì)水雷末彈道漂移散布有影響，在水雷平均下沉速度不變前提下，隨著水深的增大，水雷分離后至沉底間隔時(shí)間越長，漂移距離就越大。

如圖6所示：若 AUV在自主航距 15 km，v=2 m/s條件下布雷，需雷位散布誤差不大于250 m，則要求布雷水深在100 m以淺進(jìn)行才能滿足。

圖6 雷位散布與航行距離、布雷水深關(guān)系Fig.6 Mine position dispersion in relation to navigation distance and minelaying depth

3.4 工程實(shí)踐應(yīng)用

若某次布雷作戰(zhàn)時(shí)，要求雷位散布誤差不大于200 m，則可對(duì)應(yīng)不同布雷水深、海流流速下選擇自主航行距離，并設(shè)置懸停時(shí)間；如圖4所示，在50 m水深、海流流速v≤2.5 m/s，AUV自主航距不大于15 km條件下布雷，均可滿足雷位散布要求。

4 結(jié)束語

LM AUV遠(yuǎn)程投送水雷雷位散布特性反應(yīng)了其在不同自主航行距離、流速、水深情況下，布設(shè)水雷雷位散布的規(guī)律，對(duì)于科學(xué)確定雷障區(qū)域、選擇布雷樣式和水雷類型有一定指導(dǎo)意義，可為布雷作戰(zhàn)方案的擬制完善、水雷障礙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置提供理論參考。