鱼雷攻击体目标命中效果仿真方法

王改娣, 翁 璐, 吕艳慧, 刘孟秦



鱼雷攻击体目标命中效果仿真方法

王改娣1, 翁 璐2, 吕艳慧1, 刘孟秦1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 海军装备部, 北京, 100163)

鱼雷的命中效果一般用命中参数来表征。用点源目标评价鱼雷命中效果只有单一脱靶量, 且实航试验中为避免鱼雷与声靶或真实目标相撞, 常采取规避措施, 难以得到实际命中参数。针对此, 文中提出一种用体目标评价鱼雷命中效果的仿真方法, 建立了鱼雷跟踪目标过程的全弹道数学模型和描述体目标几何特性和命中参数的数学模型, 并进行了鱼雷攻击体目标效果的仿真计算和分析。仿真结果表明, 鱼雷命中效果与目标几何特性、目标速度、雷目相对态势等因素有关。该方法为评价鱼雷命中目标效果提供了一种有效的手段, 可为鱼雷弹道和导引规律的优化设计提供参考。

鱼雷; 体目标; 命中效果; 全弹道

0 引言

鱼雷是一种水下自主航行, 自动搜索、发现、跟踪、攻击并命中目标的水中兵器, 为了提高对目标的命中效果, 在鱼雷制导系统设计中[1], 往往采取相应技术措施, 设法导引鱼雷攻击目标的中心部位或要害部位, 以期达到最大毁伤效果。在水声物理场中[2], 鱼雷跟踪目标实际上是跟踪由鱼雷发射信号在目标体上形成的声反射点产生的目标回波, 而声反射点与目标的几何特性有关, 不同的几何位置会影响鱼雷的命中效果。由于用实航验证鱼雷攻击目标效果代价很大, 通常采用数学仿真方法来评估鱼雷攻击命中目标的效果。

近年来, 陆续有鱼雷攻击命中目标效果相关研究的报道。武志东等[3]用射击通式和目标运动要素, 采用解析方法对鱼雷命中结果偏差进行了研究; 陈道升等[4]研究了潜艇目标运动要素对鱼雷命中概率的影响, 但没有考虑目标几何特性; 文献[5]~[7]虽然研究了体目标下的攻击效果, 但是把体目标简化为椭球体, 与真实目标几何特性相差较大。另外, 在这些研究中均没有考虑鱼雷跟踪攻击目标过程中的制导性能和弹道特性, 命中参数也主要用单一脱靶量表征, 不能全面反映鱼雷跟踪命中目标效果。

在鱼雷弹道设计[8]和仿真中, 通常把目标看作一个质点, 即用点源目标来评价鱼雷攻击效果,这种方法只能得到鱼雷距点源的距离, 即脱靶量。而在鱼雷实航试验中, 一般采用点源声靶或由多个点源组成的体目标声靶来模拟体目标声学特性, 但在鱼雷跟踪并逐步接近目标的过程中, 为了避免与声靶相撞, 常采用规避措施, 因此, 实航试验只能对鱼雷自导作用距离、宏观导引规律进行评价, 无法对鱼雷攻击目标效果进行有效评价。

文中在建立体目标几何模型、鱼雷动力学和运动学模型的基础上, 考虑鱼雷制导系统特性和全弹道逻辑, 对不同条件下的鱼雷跟踪攻击目标全弹道运动过程进行仿真, 在近程计算鱼雷与目标体最近点的变化轨迹和命中参数, 并对命中效果进行分析。

1 数学模型

1.1 鱼雷模型

研究鱼雷攻击命中体目标效果是通过对鱼雷全弹道运动过程仿真来完成, 由于鱼雷弹道是鱼雷武器综合性能的主要体现, 弹道建模涉及到鱼雷总体、动力、推进、控制、自导、弹道逻辑等系统性能和参数[9-12], 受篇幅所限, 在此只列出对鱼雷运动建模的需求, 具体包括: 鱼雷动力学方程、运动学方程、控制系统模型、自导系统模型、导引算法模型、目标回波模型、弹道逻辑模型以及控制指令模型等。

1.2 目标模型

1.2.1 运动特性

目标运动远距离时可把目标看作为质点, 近距离时可把目标看作具有一定形状的运动体即体目标[4]。无论是点目标还是体目标, 研究目标运动时均不考虑目标动力学特性, 只研究目标运动规律。

目标运动的数学模型

1.2.2 几何特性

以潜艇目标为例, 目标几何特性如图1所示。

图1 目标几何特性示意图

图中, 建立目标坐标系OXYZ, 原点O位于潜艇主体纵轴与舰桥对称轴交点上,OX轴与潜艇纵轴重合且正方向朝艇艏,OY轴位于潜艇的径向对称平面内且通过舰桥对称轴, 方向朝上,OZ轴符合右手坐标系定则。

将潜艇目标体分为4部分, 其中: 第1和第3部分为椭圆旋转体, 第2部分为圆柱体, 第4部分为椭圆柱体, 目标尺度特性可以用1～4,1～4参数来描述。具体含义如下:1为前椭球体半长;2为前圆柱体长度;3为后圆柱体长度;4为后椭球体半长;1为圆柱体半径;2为舰桥高度;3为舰桥椭圆顶半长轴;4为舰桥椭圆顶半短轴。

在目标坐标系中, 目标体几何特性的数学描述公式如下。

第1部分

第2部分

第3部分

第4部分

其中, 第4部分的舰桥高度2是确定鱼雷与目标体最近点位置的条件之一。

1.3 相对运动模型

雷目距离

水平目标角

垂直目标角

鱼雷在目标坐标系中的位置

1.4 命中参数模型

命中参数用于表征鱼雷的命中效果, 反映了鱼雷跟踪导引弹道综合性能。鱼雷攻击目标体的命中参数包括命中部位、脱靶量和命中角, 其中, 脱靶量表征了鱼雷命中精度, 命中部位和命中角直接影响目标毁伤效果。

1.4.1 最近点位置

图2 命中参数示意

1.4.2 脱靶量

脱靶量在此用鱼雷与目标体上最近点距离描述, 即

1.4.3 命中角

鱼雷命中目标的角度可用下述量描述

根据命中角的定义, 当=180°时为垂直命中态势进入目标体, 当1=90°时为垂直于目标纵平面进入目标体, 当2=90°时为垂直于横平面进入目标体。

2 命中效果仿真及与分析

2.1 瞄准点选取

鱼雷在跟踪攻击目标时, 为了达到最大毁伤效果, 瞄准点一般选在目标要害部位, 如潜艇目标头部。鱼雷尾追态势下, 收到的目标回波前沿对应潜艇尾部, 后沿对应潜艇头部, 远距离时, 目标的头和尾反射回来的目标角差别不大, 可以按照点目标处理, 并采用前沿(尾部)操舵, 以保证鱼雷对准目标; 而近距离时, 头和尾的目标角差别较大, 明显带有目标尺度信息, 为增大鱼雷命中效果, 通常采用后沿(头部)操舵。因此, 尾追状态仿真中, 瞄准点为艇艏相当于后沿操舵, 瞄准点为艇艉相当于前沿操舵。相反地, 迎击状态目标回波前沿对应艇艏, 后沿对应艇艉。假设鱼雷瞄准点就是目标体上的声学反射点, 则不同瞄准点会影响鱼雷命中效果, 仿真选取若干特征瞄准点, 分别对鱼雷跟踪静目标和动目标的命中效果进行仿真分析。

假设潜艇体目标尺度参数:1=18 m,2=21 m,3=32 m,4=38 m,1=5 m,2=5.1 m,3=8 m,4=3.4 m。

2.2 跟踪静止目标

仿真条件: 目标位置(570,–30,0) m, 设定鱼雷搜索深度30 m, 主航向0°。

仿真中, 鱼雷蛇行搜索, 发现目标, 跟踪攻击直至命中目标。针对目标体上不同瞄准点, 得到的鱼雷命中时刻(D=0)参数见表1。

表1 静止目标下不同瞄准点命中参数仿真结果

由表1可以看出:

1) 不同瞄准点, 命中目标的时间不同, 从艇艉到艇艏, 时间延长, 符合鱼雷跟踪导引规律;

2) 不同瞄准点, 命中目标的部位不同, 从艇艉到艇艏, 命中部位靠前, 命中参数中的命中角、1、2变小, 则命中效果变差;

3) 当瞄准点位于潜艇尾部或舰桥上时,≈180º, 命中效果接近垂直命中。

2.3 跟踪运动目标

鱼雷运动条件不变, 目标匀速直航, 速度5 m/s, 模拟鱼雷与目标不同跟踪态势, 得到目标体上不同瞄准点下的鱼雷命中参数仿真结果, 见表2, 其中尾追和迎击瞄准艇艏的仿真曲线见图3。

图3 不同态势下瞄准艇艏的水平弹道仿真曲线

根据表2和图3可以看出:

1) 尾追态势下, 瞄准点为艇艏时, 鱼雷从目标左后下方穿入命中; 瞄准点为艇艉时, 鱼雷从目标尾部正中穿入命中;

2) 尾追态势下, 只要鱼雷速度大于目标速度且鱼雷有足够的航程, 都能命中目标;

3) 迎击态势下, 瞄准点为艇艏时, 鱼雷从目标右前下方穿入命中; 瞄准点为艇艉时, 鱼雷从目标左后下方穿入;

4) 迎击态势下, 命中效果与目标速度关系很大, 目标速度越大, 越容易脱靶。

上述结果说明, 在鱼雷速度和制导体制一定的前提下, 鱼雷命中目标的效果除了与目标几何特性有关外, 还与目标速度、相对态势等因素有关, 同时也验证了仿真方法的正确性和可行性。

4 结束语

为了弥补用点目标和实航试验方法评价鱼雷命中目标效果的不足, 提出了一种鱼雷攻击体目标命中效果的仿真方法。建立了包含雷目相对运动、潜艇目标几何特性和鱼雷命中参数在内的鱼雷全弹道数学模型, 对影响鱼雷命中效果的瞄准点、目标速度和相对态势等进行了导引跟踪弹道仿真, 得到了不同仿真条件下的鱼雷命中参数, 验证了仿真方法的正确性和可行性。该方法为评价鱼雷命中效果提供了一种有效的手段, 可为鱼雷弹道和导引规律的优化设计提供参考。

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Simulation Method for Hitting Effect of Torpedo Attacking Body Target

WANG Gai-di1, WENG Lu2, LÜ Yan-hui1, LIU Meng-qin1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Ordnance Equipment Bureau of Naval Equipment Department, Beijing 100163, China)

The hitting effect of a torpedo is usually represented by the hitting parameters. However, evaluating hitting effect via point target can only get the miss distance, and eluding measures are often taken to prevent a torpedo colliding with an acoustic target or a real target in sea trial, the actual hitting parameters are difficult to be obtained. In this paper, a simulation method for evaluating torpedo hitting effect with body target is presented. A whole trajectory’s mathematical model of torpedo tracking target process and a mathematical model describing the geometric characteristics and hitting parameters of the body target are established. Simulation calculation and analysis on the hitting effect of a torpedo attacking body target are carried out. Simulation results show that the torpedo hitting effect is related to the geometric characteristics of the target, the target velocity, the relative situation between the torpedo and the target, and so on. This method may provide an effective means for evaluating torpedo hitting effect, and may provide a reference for optimization designs of torpedo trajectory and guidance law.

torpedo; body-target; hitting effect; whole trajectory

王改娣, 翁璐, 吕艳慧, 等. 鱼雷攻击体目标命中效果仿真方法[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 78-82.

TJ631

A

2096-3920(2019)01-0078-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.013

2018-07-26;

2018-09-20.

王改娣(1964-), 女, 研究员, 主要研究方向为鱼雷总体性能和弹道仿真建模.

(责任编辑: 杨力军)