基于相遇区域的反鱼雷鱼雷拦截弹道

王新宏, 刘 庆, 刘建国



基于相遇区域的反鱼雷鱼雷拦截弹道

王新宏, 刘 庆, 刘建国

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

反鱼雷鱼雷(ATT)拦截弹道是影响其作战使用和拦截概率的重要因素之一。ATT拦截弹道的研究多假设来袭鱼雷的攻击弹道形式和运动参数已知, 而实战中有些参数是无法得到的。针对这一情况, 本文提出了基于相遇区域的ATT拦截弹道形式, 以及一种来袭鱼雷攻击弹道形式未知, 利用2个边界条件解算ATT发射角的方法。分析和仿真结果表明, 基于相遇区域的ATT拦截弹道及发射角解算方法能更好地适应来袭鱼雷特性未知的情况。

反鱼雷鱼雷; 拦截弹道; 相遇区域; 发射角

0 引言

反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)作为一种舰艇防御、鱼雷对抗的硬杀伤装备, 已经得到了许多国家的重视, 美国、俄罗斯、法国、德国等海军强国均开展了ATT的研制和试验[1-7]。

ATT的拦截弹道是影响其作战使用和拦截概率的重要因素之一[4, 8-9]。ATT的拦截弹道与舰艇、来袭鱼雷和ATT三者的诸多因素有关, 包括舰艇报警声纳的性能、舰艇的运动参数, 来袭鱼雷的攻击弹道形式和运动参数, 以及ATT的攻击弹道形式和运动参数等。来袭鱼雷的攻击弹道形式通常是未知的, 舰艇的报警声纳可以给出来袭鱼雷的某些参数, 如方位、距离和速度等。来袭鱼雷的未知特性为ATT拦截弹道的设计带来了难度。

传统的研究方法一般是, 假定已知来袭鱼雷的攻击弹道形式和运动参数, 建立舰艇、来袭鱼雷和ATT三者的运动方程, 然后通过大量的仿真计算ATT拦截弹道的拦截概率[8, 10-12]。采用这种方法设计的ATT拦截弹道实质上是一种基于相遇点的拦截弹道, 即舰艇、来袭鱼雷和ATT三者的运动参数已知, 按照已知的参数可以计算得到ATT与来袭鱼雷的一个相遇点。基于相遇点的ATT拦截弹道对于来袭鱼雷攻击弹道形式和运动参数未知、或信息不全的情况是有局限的。

本文针对来袭鱼雷弹道形式未知的情况, 提出基于相遇区域的ATT拦截弹道, 以提高ATT的拦截概率和作战效能。

1 ATT拦截弹道数学模型

1.1 数学模型

图1 基于相遇点的ATT拦截弹道

根据图1(a)和(b)可分别得出ATT直接拦截弹道和迎面拦截弹道的方程组[8, 13], 为

1.2 基于相遇点的ATT拦截弹道

然而在实战中, 舰艇的报警声纳通常可以给出来袭鱼雷的方位信息, 有些报警声纳还可以给出来袭鱼雷的距离和速度信息, 而来袭鱼雷的攻击弹道形式则是完全未知的, 来袭鱼雷可能采用尾追法、提前角法等多种攻击弹道形式。

虽然ATT可以通过自身的自导系统来探测鱼雷, 并导引ATT拦截来袭鱼雷。但是由于ATT自导作用距离较近, 而且与来袭鱼雷相向运动, 相对速度、距离和方位的变化率都较大。当假设的条件与实际情况相差较大时, 来袭鱼雷有可能不在ATT的自导作用范围内, 而无法发现并拦截来袭鱼雷; 也有可能在较近的距离上发现来袭鱼雷, 但受自身回旋角速度等运动特性的影响, 无法及时调整弹道, 而与来袭鱼雷错过。

总之, 基于相遇点的ATT拦截弹道受到初始假设条件的限制, 当来袭鱼雷的实际参数与假设相差较大时, 很可能导致拦截概率下降, 影响作战使用效果。

2 基于相遇区域的ATT拦截弹道

2.1 相遇区域

基于相遇点的ATT拦截弹道需要已知来袭鱼雷的攻击弹道形式和运动参数, 而实际上有些参数是无法得到的, 即使通过舰艇报警声纳得到了某些参数, 这些参数也是存在误差的。

由方程组(1)和(2)可知, 来袭鱼雷的攻击弹道形式和运动参数的每一种组合都会得到一个相遇点。由此, 将相遇点的概念进行拓展, 所有相遇点的集合构成一个相遇区域, 如图2所示。

图2 相遇区域示意图

2.2 ATT发射角

1) 以拦截概率最大的ATT拦截弹道确定ATT的发射角。这是最理想的情况, 但是需要将所有可能的情况都考虑进去, 进行大量的仿真计算, 才能得出拦截概率最大的ATT拦截弹道和发射角。实战中很难做到快速反应。

2) 以来袭鱼雷攻击弹道的最大可能概率来确定ATT的发射角。实战中如果掌握了对方鱼雷武器的种类和性能, 则可以采用这种方法, 根据对方鱼雷的性能参数进行有限的仿真计算, 确定ATT的拦截弹道和发射角。

3) 以相遇区域的几何关系确定ATT的拦截弹道和发射角。几何关系可以有多种情况, 如以几何中心对应的拦截弹道和发射角等, 这相当于认为各种情况下的相遇点在相遇区域中是均匀分布的。

几何中心对应的ATT拦截弹道可以使ATT的自导系统作用范围覆盖绝大部分的相遇区域, 使自导系统探测到来袭鱼雷的概率最大, 然后利用自导系统的探测来调整ATT的拦截弹道。

即取2种边缘情况发射角的算数平均为ATT的发射角, 用该发射角近似相遇区域的几何中心对应的拦截弹道的发射角。

可以看到, 由式(3)确定ATT发射角, 只需要进行2次仿真计算, 可以快速确定ATT的发射角。实战中可以实现快速反应。

3 仿真结果与分析

ATT弹道仿真涉及的因素很多, 仿真中进行了必要的简化和假设, 主要包括以下几个方面。

1) 来袭鱼雷已经进入自导导引阶段, 以追踪法、固定提前角法或平行接近法攻击舰艇。

2)ATT发射后先直航一段时间, 然后按预定的弹道航行, 同时自导系统工作, 搜索来袭鱼雷。即, 对于直接拦截弹道, ATT直航搜索; 而对于迎面拦截弹道, ATT回旋搜索(向雷转), 回旋90°后若自导还未捕获到来袭鱼雷, 则ATT直航搜索。

4) 由于ATT自导系统的被动自导作用距离比主动自导作用距离远[14], 一般是被动自导先捕获到来袭鱼雷; 当进入主动自导作用距离后, 转入主动自导。ATT自导导引时采用提前角法。

5) 假设ATT采用全方位非触发引信, 引信作用距离20 m, 即ATT与来袭鱼雷距离≤20 m时视为拦截成功。

设ATT主被动自导作用距离分别为250 m和800 m, 主被动自导搜索扇面角都是120°。ATT发射时的初始视线角为110°, 来袭鱼雷速度为50 kn,舰艇速度为20 kn, ATT与鱼雷的速度比为0.8。来袭鱼雷分别以追踪法、固定提前角5°、固定提前角10°和平行接近法导引攻击舰艇。图3给出了初始距离为1 000 m, ATT采用基于相遇区域的直接拦截弹道, 来袭鱼雷采用不同攻击弹道形式的仿真结果。图4则给出了初始距离为2 000 m, ATT采用基于相遇区域的迎面拦截弹道, 来袭鱼雷采用不同攻击弹道形式的仿真结果。

由图3~图4可以看出, 当来袭鱼雷的攻击弹道形式未知时, 采用基于相遇区域的ATT拦截弹道和式(3)解算ATT的发射角, 可以适应大多数情况。来袭鱼雷的攻击弹道形式越接近解算出的发射角对应的ATT拦截弹道, 则ATT拦截弹道越平滑, 如图3(c)和图4(b)。即使来袭鱼雷的攻击弹道形式与解算出的发射角对应的ATT拦截弹道有较大偏差, ATT的拦截弹道也可以由自导系统修正, 成功拦截来袭鱼雷。但是当偏差较大时, 虽然ATT的自导系统也能捕获到来袭鱼雷, 但是受到ATT自身机动性能的限制, 会导致ATT错过来袭鱼雷, 拦截失败, 如图4(d)。

图3 来袭鱼雷不同导引方式下的ATT直接拦截弹道仿真结果

图4 来袭鱼雷不同导引方式下的ATT迎面拦截弹道仿真结果

仿真中, 迎面拦截弹道的初始距离比直接拦截弹道的初始距离远得多, 这使得迎面拦截弹道的相遇区域比直接拦截弹道的相遇区域大得多, 致使ATT拦截弹道与来袭鱼雷采用平行接近法时攻击弹道的偏差较大, 导致拦截失败。实际上, 在初始距离足够使ATT迎面拦截弹道完成回旋运动的情况下, 相同条件下的迎面拦截弹道拦截概率要高于直接拦截弹道[8]。而在初始距离很近的情况下, 直接拦截弹道更有效。

4 结束语

针对来袭鱼雷攻击弹道形式和运动参数未知的情况, 本文提出了基于相遇区域的ATT拦截弹道, 定性分析了3种确定ATT发射角的方法, 并提出了一种在来袭鱼雷攻击弹道形式未知, 而运动参数已知的情况下, 利用2个边界条件解算ATT发射角的方法。本文提出的基于相遇区域的ATT拦截弹道以及发射角解算方法与实际更为接近, 更能适应来袭鱼雷特性未知的情况。

由于ATT的拦截概率涉及的因素众多, 包括舰艇、来袭鱼雷和ATT三者的初始情况, 运动参数, 以及测量精度、误差分布等等。本文仅提出基于相遇区域的ATT拦截弹道的概念, 对其拦截概率将另文讨论。

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Intercept Trajectory of Anti-Torpedo Torpedo Based on Meeting Area

WANG Xin-hong, LIU Qing, LIU Jian-guo

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Intercept trajectory of anti-torpedo torpedo(ATT) is an importance factor influencing its operational application and intercept probability. In the study of the intercept trajectory of an ATT, it is usually supposed that guiding mode and motion parameters of an incoming torpedo are known. However, it is impossible in actual combat. Aiming at this situation, we propose the intercept trajectory of an ATT based on meeting area, and give a method to solve the ATT launching angle using two boundary conditions. Simulation results indicate that the intercept trajectory based on meeting area and the method of solving launching angle have higher adaptability for the situation that the guiding mode of an incoming torpedo is unknown.

anti-torpedo torpedo(ATT); intercept trajectory; meeting area; launching angle

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0241-05

2012-09-13;

2012-11-15.

船舶工业国防科技基金资助(09J4.1.1).

王新宏(1971-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为信号与信息处理、自导引信.

(责任编辑: 陈 曦)