舰艇编队水声对抗模型仿真分析*

钱海民 夏志军 陆强强

(海军大连舰艇学院1) 大连 116018)(91991部队2) 舟山 316000)

1 引言

水面舰艇编队作战是现代海战的主要形式,在对抗鱼雷攻击时,编队通过合理组织编队内各舰的对抗措施、协调编队内各舰规避机动,以提高编队的生存概率。在对抗过程中,多种对抗器材的使用、多艘舰艇的规避,使得编队水声对抗组织比较复杂,协调比较困难[4]。通过建立合理、有效的编队水声对抗模型,使编队能够有效解决这些问题。论文通过对模型进行仿真实验,分析了某种典型编队条件下的编队水声对抗模型的有效性。

2 编队水声对抗仿真模型

2.1 仿真模型背景

仿真模型的编队队形由三艘具有水声对抗能力舰艇组成,呈正三角队形配置,各舰间距相同。主要的对抗方法有两种,一是编队各舰利用纯规避方法对抗鱼雷攻击,二是编队使用助飞式声诱饵对抗鱼雷攻击。模型仿真过程中,编队在鱼雷报警后,得到鱼雷报警舷角、鱼雷报警距离,而鱼雷实际位置为编队报警区域附近一个随机值。鱼雷以有利提前角法被引导向编队,并以被动工作方式探测、搜索,在捕捉到编队舰艇后,转为主、被动联合制导工作方式,攻击编队中距离鱼雷最近的舰艇。编队经过决策反应,产生对抗鱼雷攻击方案,经过决策实施时间后,编队开始规避、诱饵开始工作。

编队水声对抗模型包括对抗决策模型、编队舰艇的规避模型、海洋环境模型、声传播模型等。在仿真模型中,还包括目标模型、鱼雷自导逻辑、鱼雷水声探测模型等。仿真中,通过统计编队的生存概率评估编队水声对抗的效果。当鱼雷航程耗尽,仍未命中编队中任意舰艇,则编队单次对抗成功;若鱼雷命中编队中任意舰艇,则编队单次对抗失败。每种报警态势下进行1000次仿真实验,编队的生存概率为:

2.2 编队水声对抗的决策模型

编队水声对抗的决策依据是鱼雷报警信息:鱼雷报警方位、鱼雷报警距离。当编队可对鱼雷进行跟踪时,根据鱼雷的方位、距离信息,编队可估计出鱼雷的航向、航速;当编队不能跟踪鱼雷时,可认为鱼雷是根据有利提前角法被导引向编队舰艇,因此鱼雷航向可根据式(2)、(3)估计值代替[2]:

其中,φ为鱼雷攻击提前角;q为鱼雷报警距离,左舷为负,右舷为正为舰艇航向。然后根据鱼雷的报警位置,可预测鱼雷可能的航迹线,这是编队各舰进行对抗决策、规避机动的重要依据。

助飞式诱饵的作用是编队各舰进行规避机动时,引诱鱼雷攻击自身,吸引鱼雷注意力,掩护各舰艇规避。使用诱饵对抗鱼雷攻击时,诱饵必须被鱼雷捕捉才能起到对抗作用。根据诱饵的射程、回波延迟参数,可确定诱饵起对抗作用需满足的三个条件[2],如图1所示:Ⅰ为舰艇可发射范围,Ⅱ为诱饵时间诱骗区,Ⅲ为鱼雷搜索带。当诱饵处于三个区域的交集内时,即图中阴影部分,按照及早被发现的原则,选择诱饵落点。首枚诱饵的落点必须尽量靠近预测的鱼雷航迹上,以增加被鱼雷发现的概率。

图1 诱饵可发射区域示意图

后续诱饵的发射同样依据诱饵起作用的三个条件,不同的是,模型中假设鱼雷航速很快,后续诱饵的落点确定,是以假设鱼雷处于前一枚诱饵的位置上,处于丢失状态为前提的。这样的假设是合理的,因为舰艇转向时位移速率的确比直航的鱼雷低很多。这样依次产生后续各枚诱饵的落点,直到没有符合诱饵起作用的区域为止,即三个区域没有交集。

助飞式声诱饵工作过程[5]:诱饵经过飞行段、入水悬浮,加电后立即处于可靠的工作状态,即可进行噪声辐射,且一旦收到主动声纳信号可进行重发应答。它只能诱骗鱼雷攻击,不能引爆鱼雷或使鱼雷失效;而鱼雷也不能破坏诱饵的工作或毁伤它,只有在其超过工作寿命时间后才能失去诱骗、干扰能力。

2.3 编队舰艇规避模型[1]

编队舰艇的规避也是根据鱼雷报警信息产生决策的。根据编队各舰舰位,编队各舰可能位于预测鱼雷航迹的同一侧,也可能位于鱼雷预测航迹的异侧。鱼雷的搜索带是最具威胁的区域,编队内处于鱼雷搜索的舰艇,应尽快驶离搜索带,搜索带以外的舰艇应不要穿越搜索带进行转向规避,驶离鱼雷。舰艇规避鱼雷搜索的最佳航向,是将来袭鱼雷置于110°～130°舷角的航向。仿真中,各舰根据估计的鱼雷航向和自身所处鱼雷搜索带的位置,选择各自最佳规避航向进行规避。当各舰最佳规避航向相差不大时,舰艇编队可进行齐转规避。

2.4 鱼雷探测模型

鱼雷搜索扇面角为 70°左右,根据主、被动声纳方程来判断鱼雷对舰艇、诱饵的捕捉条件。

鱼雷主动声自导声纳方程[5]:

当目标回波信号到达鱼雷自导头部时的强度大于鱼雷检测域,且位于鱼雷的搜索扇面角内时,即判断鱼雷主动捕获目标。

鱼雷被动声自导声纳方程[5]:

当目标声源级到达鱼雷自导头处的强度大于鱼雷检测域时,且位于鱼雷的搜索扇面角内时,即判断鱼雷被动捕获目标。

鱼雷具有强目标信号选择特性,诱饵能有效诱骗鱼雷。在理想命中点未发现目标,或捕捉目标后又丢失时,会进行旋回搜索,在搜索未发现目标时,恢复原航向,进行直航搜索。当鱼雷捕获目标后,用尾追法追击,在接近到一定距离内后,如果目标是舰艇,则判断鱼雷命中舰艇。鱼雷航程超过最大续航能力时鱼雷失效,表示未命中目标。

3 编队水声对抗模型的仿真检验

3.1 仿真参数

鱼雷航速 50kn,航程 20km,转向角速度6.7°/s,自导扇面角 70°,主动声源级 182dB,指向性增益30dB,检测阈0.5dB,3级海况;编队初始航向0°,航速 18kn,规避机动航速 30kn,转向角速度1.5°/s,加速机动时为 1.7°/s;诱饵模拟辐射噪声级133dB,模拟主动回波声源级≥182dB。

3.2 仿真过程

图2为编队水声对抗模型的仿真流程图,仿真步长为1s,即各对象状态量每刷新一次,代表各对象运动1s。每次仿真实验中,若任意舰艇被鱼雷命中,则对抗失败;若鱼雷航程耗尽仍未捕捉到舰艇,则单次对抗成功。单次仿真结束后,各对象重新进行初始化,根据具体的报警态势,进入下一轮仿真实验,直到所有态势下各个仿真实验结束,统计出编队在各个态势下进行对抗的成功率为止。

图2 编队对抗模型仿真流程图

4 仿真结果分析

由于编队队形的对称性,只对编队右舷的仿真结果进行分析。为了分析编队水声对抗模型的有效性,分别对编队纯规避对抗鱼雷攻击、编队使用声诱饵对抗鱼雷攻击两种情况进行1000次统计模拟实验。表1、表2分别为编队利用纯规避机动和使用助飞式声诱饵两种方法对抗声自导鱼雷攻击的仿真结果。仿真区域是编队中某条舰右舷70°～180°每隔 10°选取一个报警舷角,距离10～40cab每隔5cab选取一个报警距离。

图3～图5是表1和表2中,报警距离分别为20cab、25cab、30cab,各舷角上编队水声对抗仿真结果的变化曲线。很明显,在仿真对抗中,编队里同一艘舰艇,相同的报警距离上,使用诱饵进行对抗的对抗成功率都高于编队纯规避进行对抗的成功率。图3是鱼雷报警距离为20cab时,两种对抗方法的对抗成功率,因为鱼雷的报警距离很近,导致编队利用纯规避进行对抗的成功率几乎为零,而使用诱饵进行对抗时,随着报警舷角的增大,编队的对抗成功率显著提高;当鱼雷报警距离增加到25cab时,编队两种对抗方法的成功率都有不同程度的提高,但使用诱饵对抗的成功率仍然明显高于纯规避对抗;当鱼雷报警距离达到30cab时,编队两种对抗方法的成功率都很高,使用声诱饵对抗的成功率与纯规避对抗的成功率之间的差值变得很小。这说明,尽管编队使用诱饵进行水声对抗的对抗成功率在相同报警距离上高于纯规避对抗方法,但随着鱼雷报警距离的增大,使用诱饵对抗的优势慢慢消失。

表1 编队纯规避对抗鱼雷攻击舰艇生存概率(某舰右舷 70°～ 180°、距离 15～ 40cab报警)

表2 编队使用声诱饵对抗舰艇生存概率(某舰右舷 70°～ 180°、距离 15～ 40cab报警)

由于编队队形的原因,舰艇70°～80°舷角报警时的对抗结果受到交叉仿真区域的影响,不能正常反应该舷角上的对抗效果。

图6显示了鱼雷的报警距离从15cab增加至30cab时,编队使用诱饵进行对抗时所有报警舷角上的平均生存概率高于利用纯规避方法对抗的平均生存概率。当鱼雷报警距离大于30cab时,两种方法的对抗效果几乎一样。这是符合一般的水声对抗规律,声诱饵只是在某一段鱼雷报警距离内能显著提高编队的生存概率。

图6 编队两种对抗方法对抗的平均成功率

5 结语

针对典型编队的水声对抗模型,运用VC++作为仿真平台,对不同编队对抗方法的对抗结果进行了仿真分析。得知编队使用声诱饵进行对抗时的对抗成功率,在一定的鱼雷报警距离范围内,高于编队纯规避方法对抗鱼雷攻击。

随着鱼雷报警距离的增大,声诱饵的对抗优势变得不明显。舰艇对抗鱼雷攻击的成功率主要取决于鱼雷的报警距离大小,舰艇越早发现鱼雷、越早进行对抗,对抗的成功率就越高,反之就越小。

[1]章新华,刘德才,鄂群.水声对抗中舰艇规避声自导鱼雷的航速问题[J].兵工学报,2002(23)

[2]钱海民,章新华,夏志军,等.单舰水声对抗诱饵使用模型研究[J].声学技术,2009(2)

[3]董阳泽.声诱饵仿真评估系统的研究和实现[D].博士毕业论文

[4]夏志军,章新华,肖继刚,等.舰艇编队水声对抗系统需求分析[J].舰船科学技术,2007(12)

[5]陈春玉.反鱼雷技术[M].北京:国防工业出版社,2006,5