中国指挥与控制学会会刊 
随着鱼雷技术的发展,现代鱼雷智能化程度越来越高,无论是抗干扰能力还是作战样式都有大幅度的提升,因此战场态势越发得复杂和难以预测。传统的自航式声诱饵对抗弹道在发射之前都已设定好,一旦发射出去,就不能根据实时的战场态势做到“随机应变”,这也大大影响声诱饵的对抗效果。如果赋予声诱饵被动定位功能,就如同给了声诱饵一双“眼睛”,这样声诱饵就能根据所“看”到的实时战场信息,自主选择一条最优对抗弹道,进而大大提高对抗成功率。矢量水听器可同时测量声场中标量信息和矢量信息,即声压和质点振速,获得完整的声场信息,使得声诱饵被动定位成为可能。
在假设声诱饵具有被动定位功能的基础上,本文从声诱饵机动时机和机动角度等方面出发,提出了各对抗态势下的最优对抗弹道模型。
1 声诱饵导引原则
2 模型的建立
2.1 问题描述
2.2 声诱饵弹道模型
由于声诱饵本身声学模拟性能有限,所以对抗距离较短,在这种情况下,提高对抗成功率最好的办法就是诱使鱼雷偏离潜艇航向,并且尽量使潜艇的尾部朝向鱼雷,因为潜艇尾部的回波强度最弱。
当声诱饵发射后航行至B点,声诱饵发现疑似鱼雷目标在其右舷β处,于是声诱饵按上述分析驶向鱼雷自导扇面的边界点G,如图4 所示, 即为声诱饵机动后的相对运动方向。声诱饵在驶向B点的过程中不断对可疑目标的速度、航向等运动参数进行测定,这个过程需要3-5个矢量水听器工作周期。一旦测定,就与一般真实鱼雷的运动参数比较,若相符则确定可疑目标为鱼雷,若不符,声诱饵以相同的方法继续判别下一个可疑目标。
假设此可疑目标为鱼雷,并且测出鱼雷的速度 ,如图4 所示。
假设鱼雷不动,对B点进行速度分析,如图5 所示。
过点B作B点相对于鱼雷的速度VT,以P点为圆心,声诱饵最大速度VC为半径画圆,与BM、BG切于M、G两点,根据相对运动原理,假设鱼雷在T点不动,那么声诱饵相对鱼雷的运动,即 + ,只能在∠MBN所构成的区域内进行,该区域称为声诱饵相对于鱼雷的可行驶区域,要使声诱饵到达B点之后能到达G点,则应满足:
δ∈[X-ϕ,X+ϕ]
式中:δ为向量 与x轴正方向的夹角;X为鱼雷反向运动的航向角。
X=arccos
ϕ=arcsin
由几何关系,可得
∠TGB=π+δ- -X
∠TBG=arcsin
∠GTB=π-∠TGB-∠TBG
另外,
∠GTB= +X-α-β
式中,R为声诱饵对鱼雷的探测距离;r为鱼雷探测声诱饵的自导扇面半径,它大于鱼雷探测潜艇的搜索半径。
由式(1)~(7)可求得B点在以R为半径圆上的取值范围 ,如图6 、图7 所示,在此范围内声诱饵都可以达到G点,在此范围外还需分类讨论:
1)当π-X+ >π+ϕ-X,即 >ϕ时,如图6 所示,HI//B1G。因为在 段外,声诱饵已经不可能航行到G点了,声诱饵应该尽可能驶近G点,所以在 段,声诱饵仍按 方向行驶。在劣弧 段,声诱饵无法到达鱼雷自导扇面,声诱饵失效。H点的位置用∠GTH表示:
∠HIT=π+ϕ-
∠GTH= +ϕ+arcsin
2)当π-X+ <π+ϕ-X,即 <ϕ时,如图7 所示,HT//B1G。同样,在 段声诱饵按 方向行驶。H点的位置用∠GTH来表示:
∠GTH=ϕ+
假设声诱饵一旦进入鱼雷的自导搜索扇面就一定能被鱼雷捕获,那么,在声诱饵进入鱼雷自导搜索扇面之后,鱼雷便开始用尾追法追击鱼雷,声诱饵紧接着进行第二次机动,声诱饵使鱼雷最大限度地偏离原来航向。
借助Matlab软件来描述鱼雷和声诱饵在尾追过程中的运动状态十分便利。尾追法的基本程序如下:
while(r>D)//鱼雷声诱饵间距
x1=x0+vc*tx*cos(b);
y1=y0-vc*tx*sin(b);//声诱饵坐标
X1=X0+vt*tx*sin(a);
Y1=Y0+vt*tx*cos(a);//鱼雷坐标
r=sqrt((Y1-y1)^2+(X1-x1)^2);
a=atan(abs(x1-X1)/abs(y1-Y1));
x0=x1;y0=y1;
X0=X1;Y0=Y1;
t=t+0.1;
end
在此基础上,只要对声诱饵的机动角度从0°到360°进行遍历,然后计算尾追结束后鱼雷偏离原航向的角度。使鱼雷偏离原航向最大时的机动角度,即为第二次机动角度。
2.3 潜艇规避模型
为达到较好的对抗效果,还需要潜艇的规避配合。如图3 所示,潜艇在发射完第一枚声诱饵后在A点开始加速规避,规避路线的AE段为圆弧。根据对国内外一些潜艇实测机动数据的分析和有关潜艇水下旋回机动性能的理论计算,可得到下面的旋回机动参数随航速的变化关系[4]:
rx=10.8vs+150m
其中,vs的单位是节。
潜艇加速规避同时加大潜深,到达E点后,潜艇沿切线方向加速直航。对抗结束时要尽量使潜艇的尾部朝向鱼雷,因为潜艇尾部的目标强度最小,不易被鱼雷探测到。在无法预估声诱饵和鱼雷对抗弹道的情况下,潜艇在E点时的速度 应该与鱼雷的原航迹垂直。
3 模型分析
在仿真前对模型进行适当的简化:
1)鱼雷自导搜索半径会随着鱼雷和目标的相对态势而变化,本文将目标看成质点,不考虑这方面的影响;
2)因为声诱饵本身速度和体积都很小,所以声诱饵的转弯半径很小,可以忽略。
3)忽略声诱饵的定位误差;
4)实际情况中矢量水听器是有指向性的,但本文假设声诱饵在360°范围内的有效作用距离均为R,R的大小可以通过鱼雷噪声级和被动声纳方程估计。根据声纳方程[5],当水听器刚好能接收到水下目标噪声信号时有
TL=SL-(NL-DI+DT)
式(12)中,SL代表目标噪声源级。
假设鱼雷噪声级按135dB计算,NL按60dB计算,对于矢量水听器DI取3dB,DT为5dB,将以上数据代入上面声纳方程,得:
TL=135-(60-3+5)=73dB
如传播损失按球面扩展[6],此频段的吸收系数在1dB/km以下,按1dB/km计,则有
TL=20lgr+0.001r
联立式(13)、(14),可求得R=3000m。
潜艇报警距离8000m,鱼雷自导扇面开角100°,潜艇刚开始以6kn速度静默航行,转向规避后速度变为20kn,声诱饵速度15kn,准备时间10s,鱼雷速度45kn。
4 结束语
本文在假设声诱饵具有被动定位功能的基础上,提出了不同对抗态势下声诱饵的对抗弹道模型,并进行建模仿真。仿真结果表明,此对抗方法能有效对抗来袭鱼雷,提高对抗成功率。下一步将重点研究在考虑水听器指向性以及定位误差等因素的情况下,声诱饵的对抗弹道模型。