中国指挥与控制学会会刊 
随着现代鱼雷的航速、航程和毁伤效能等性能的不断提高,智能化程度不断增强,各国海军积极研发一种新型主动防御的硬杀伤武器——反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)。反鱼雷鱼雷可直接摧毁鱼雷或使来袭鱼雷丧失战斗力,彻底消除对舰艇的威胁,提高舰艇的生存能力。将反鱼雷鱼雷与软杀伤武器相结合,进行多层次多手段的鱼雷防御,可大幅度提高舰艇的防御能力,是未来舰艇防御鱼雷的趋势。
根据报道,各海军强国的反鱼雷鱼雷都有初步发展。法国和意大利对联合研发的MU90轻型反潜鱼雷进行改进,研制出MU90HK反鱼雷鱼雷。仿真表明,MU90HK对非声自导鱼雷的命中概率很高,同时使用软、硬杀伤武器可对付各种重型鱼雷[1]。德国研制的“海蜘蛛”反鱼雷鱼雷,直径210mm,长2260mm,重115kg,采用主、被动声自导,既可装备于水面舰艇,也可装备于潜艇。俄罗斯在“小包”-E/NK反鱼雷鱼雷系统的研制方面也取得了很大进展[2]。
由于现代鱼雷普遍具有低噪声、高航速、远航程的特点,较低的噪声使其很难被舰艇发现,高航速确保其迅速接敌,远航程保证能够再搜索再攻击舰艇。这些特点都考验着舰艇的鱼雷防御系统。若要成功拦截来袭鱼雷,舰艇应及早发现来袭鱼雷,提高对来袭鱼雷的报警距离,用以在有限的对抗时间内进行快速解算和快速发射反鱼雷鱼雷。这就对舰艇的鱼雷报警性能提出了较高的要求。
本文首先从理论上分析了鱼雷报警声呐性能等对反鱼雷鱼雷拦截效率的影响,并给出了包括鱼雷报警在内的反鱼雷鱼雷作战流程,然后建立了反鱼雷鱼雷拦截弹道模型及捕获条件。最后运用蒙特卡洛法进行效能分析,通过仿真实验,研究鱼雷报警声呐性能对反鱼雷鱼雷拦截概率的影响。
1 鱼雷报警声呐性能分析
所有鱼雷防御系统都是以探测分类和定位(DCL)能力为基础的。在执行反鱼雷任务时,无论软杀伤还是硬杀伤都需要一个重要的前提:己方水面舰艇或潜艇必须及时探测到来袭鱼雷,并掌握反鱼雷时机。鱼雷报警声呐能够对来袭鱼雷特有的特征信息频段,运用合适的信息提取和处理方法,对来袭鱼雷的位置及弹道等进行探测。目前,大部分舰船都依赖专用的鱼雷报警声呐来获取来袭鱼雷的相关信息。专用的鱼雷报警声呐主要分为两种类型:主动式鱼雷报警声呐,被动式鱼雷报警声呐。
根据国外鱼雷报警声呐的相关资料,主动式鱼雷报警声呐可以定距探测来袭鱼雷,根据探测到的鱼雷方位和距离对来袭鱼雷进行准确的定位,例如意大利研发的第三代水面舰艇鱼雷防御系统C310中的STRATOS主动拖曳式声呐[3]。被动式鱼雷报警声呐通常只能提供来袭鱼雷的方位,来袭鱼雷的航速、航向、距离都是未知量。且由于来袭鱼雷目标小、航速高,与舰艇目标有一定差别,方位探测误差通常比较大。
鱼雷报警声呐对鱼雷的探测警戒距离以及指控系统的目标定位精度是决定鱼雷防御成功率的关键因素。
报警距离的影响:鱼雷报警距离的远近,决定着鱼雷报警系统能否在较远的距离范围内探测到来袭鱼雷。先期发现来袭鱼雷,是舰艇能否使用反鱼雷鱼雷有效防御来袭鱼雷的前提。越早发现来袭鱼雷,就能留给系统更多的反应时间,用于解算目标运动特性,计算反鱼雷鱼雷发射诸元,选择合适的射击策略。充分的反应时间可以提高解算的精度和发射时机的准确性,进而提高反鱼雷鱼雷拦截概率。
报警舷角的影响:影响鱼雷报警舷角或方位精度的是鱼雷报警舷角误差。鱼雷报警声呐能否精确地探测出来袭鱼雷的方位或舷角,直接影响到反鱼雷鱼雷射击策略的选择以及发控诸元的解算。若探测舷角误差较大,则容易影响下一步反鱼雷鱼雷发控诸元的解算精度,导致反鱼雷鱼雷拦截失败。因此,高精度的报警舷角信息和报警后稳定的测量方位信息可给反鱼雷鱼雷的解算提供良好基础,提高反鱼雷鱼雷拦截目标的成功概率。
距离探测精度的影响:反鱼雷鱼雷是一种需要对水下高速目标进行精确打击的硬杀伤武器,在反鱼雷鱼雷的作战使用中,位置信息的不精确会给反鱼雷鱼雷的目标解算增加难度和误差,反鱼雷鱼雷将难以发挥其应有的作用。舰艇仅使用被动式报警声呐,很难在较短的作战过程中通过指控解算获得精确的来袭鱼雷距离信息,而主动式鱼雷报警声呐则可以直接提供较准确的来袭鱼雷的距离信息,结合鱼雷报警舷角,最终获得来袭鱼雷较精确的位置信息,供反鱼雷鱼雷作战使用。与鱼雷报警舷角误差一样距离探测误差,同样对反鱼雷鱼雷拦截概率产生一定的影响。
2 反鱼雷鱼雷作战流程
反鱼雷鱼雷的作战流程如图1 所示。
舰艇利用反鱼雷鱼雷进行鱼雷防御的整体过程如下:首先,来袭鱼雷产生的噪声信息被舰艇的鱼雷报警声呐捕获,鱼雷报警声呐运用适当的信号处理方法对噪声进行分析处理。由于反鱼雷鱼雷在作战中主要的目标是来袭鱼雷,来袭鱼雷所产生的噪声信号与普通舰艇不同。所以鱼雷报警声呐还要进行目标识别的步骤,用以输出置信度较高的鱼雷报警数据。
预报警是凭借高灵敏度的声呐和先进的信号处理技术,通过分析鱼雷初始发射时的瞬态噪声,识别出该信号来源为鱼雷而非海洋中其他物体[4]。之后进行目标识别报警,通过鱼雷航行时辐射噪声的频谱特征和声自导鱼雷主动寻的的信号来进一步分类并定位。报警完成后,发出报警信号。指控系统结合报警信息和反鱼雷鱼雷性能,进一步完成对来袭鱼雷的定位,计算相关参数,为反鱼雷鱼雷制定射击策略,随后下达发射命令。反鱼雷鱼雷接到命令后,快速进入发射准备过程。准备完成后,发射入水。反鱼雷鱼雷发射入水后的主要动作包括:1)水下动力系统启动;2)达到设定的航向、搜索深度后自导开机;3)自动导引搜索目标;4)拦截、攻击来袭鱼雷目标;5)引爆战斗部,对目标进行毁伤[5]。
3 模型建立
3.1 反鱼雷鱼雷拦截弹道模型
1)直接拦截方案:借鉴鱼雷攻击相关理论,采用解相遇的方法,反鱼雷鱼雷发射后一直直航,直至命中鱼雷。该方案适用已知来袭鱼雷攻击弹道和运动参数,对来袭鱼雷运动参数解算精度要求较高。直接拦截方案采用直航搜索的方式满足了攻击时间短的需要,但对要素的精度要求较高,而实际作战中来袭鱼雷要素的误差一般都较大,直接拦截的效果相对较差。
2)迎面拦截方案:采用迎面拦截鱼雷的方法,反鱼雷鱼雷发射后即旋回至来袭鱼雷航向,对来袭鱼雷进行拦截。该方案适用已知来袭鱼雷攻击弹道和来袭鱼雷航向、距离,对来袭鱼雷速度估算要求不高。迎面拦截方案使反鱼雷鱼雷旋回到来袭鱼雷航向上,这样可尽量减少来袭鱼雷距离误差对反鱼雷鱼雷使用效果的影响,还可利用自导扇面遮盖来袭鱼雷方位的误差,因此拦截效果相对较好。
3)基于相遇区域的拦截方案:根据来袭鱼雷可能的攻击弹道,确定反鱼雷鱼雷拦截相遇区域,反鱼雷鱼雷以相遇区域的几何中心作为瞄准点,直接或迎面拦截来袭鱼雷。该方案适用不确定来袭鱼雷攻击弹道,但概略已知来袭鱼雷运动参数的情况。来袭鱼雷的每一种可能攻击弹道形式对应一个相遇点,所有相遇点的集合构成了一个相遇区域,取两种边缘情况,进而得到反鱼雷鱼雷的发射角范围(β1,β2),然后取反鱼雷鱼雷的发射角为β=0.5(β1+β2),用该发射角近似相遇区域几何中心对应的拦截弹道的发射角。基于相遇区域的拦截方案考虑了来袭鱼雷不同弹道的影响,比较贴近实际,但是没有考虑舰艇、来袭鱼雷与反鱼雷鱼雷三者的初始情况、运动参数以及测量精度、误差分布等对反鱼雷鱼雷拦截效果有影响的因素。
在这三种拦截方案的基础上,考虑到各种影响因素设计出的直航+迎面拦截弹道[8],主要分为三个部分,即搜索初期的直线航行段、旋回段、迎面拦截直航段。该拦截方案既能尽早拦截来袭鱼雷,又能尽量减少来袭鱼雷距离和航向误差的影响。
设来袭鱼雷速度为Vt,本舰航速为Vs,来袭鱼雷固定提前角为η,以舰艇发射反鱼雷鱼雷时的位置为坐标原点,本舰航向为x轴建立直角坐标系,R0为来袭鱼雷同本舰之间的距离。q0为来袭鱼雷视线角,θ0为舰艇对鱼雷的观测方位角,β为反鱼雷鱼雷的发射角,t为反鱼雷鱼雷从发射到命中所经历的时间,VA为反鱼雷鱼雷航速,rA为反鱼雷鱼雷的旋回半径。反鱼雷鱼雷发射时来袭鱼雷位于T点,发射后于A点处命中鱼雷,S为舰艇在反鱼雷鱼雷命中来袭鱼雷时的位置。
迎面拦截直航段距离Dy的确定依据主要是考虑能消除来袭鱼雷距离误差的影响,考虑到鱼雷追踪时,提前角一般较小,因此,可近似取Dy等于反鱼雷鱼雷发射时刻来袭鱼雷的距离误差大小ΔR0,即
Dy=ΔR0
对发射角β,由于考虑了鱼雷距离误差,设定了Dy,只要求出∠BOA的大小,用直接拦截法计算出的发射角β'减去即可,即
β=β'-∠BOA
旋回角度α为
α=β'+q-η-∠BOA
直航段距离Dz为
Dz=VAt/sin(α)·sin(∠OAB)
3.2 反鱼雷鱼雷捕获目标条件
反鱼雷鱼雷以固定提前角发射,按照特定的弹道逐渐接近目标,要使反鱼雷鱼雷的自导装置捕获目标,必须要求目标进入自导装置有效作用范围之内,即落入自导扇面中,需要满足以下约束条件:1)反鱼雷鱼雷到来袭鱼雷间的距离小于反鱼雷鱼雷的自导作用距离;2) 反鱼雷鱼雷的航向与反鱼雷鱼雷和目标之间连线的夹角小于自导扇面半角。可以用以下数学公式表达:
设反鱼雷鱼雷和鱼雷连线与反鱼雷鱼雷航向的夹角QAT,来袭鱼雷与反鱼雷鱼雷的距离DAT,反鱼雷鱼雷的自导扇面λatt,自导作用距离Ratt,若满足下式:
则认为反鱼雷鱼雷自导捕获到来袭鱼雷,当来袭鱼雷和反鱼雷鱼雷呈现迎击态势且两者之间的距离越来越小,能够满足引信作用距离时,反鱼雷鱼雷成功拦截来袭鱼雷。
4 仿真结果与分析
设定参数:本舰航速18kn,航向90°,以反鱼雷鱼雷MU90HK为参考,给定反鱼雷鱼雷航速为50kn,航程为10km,最大旋回角速度40°/s,给定主动声自导作用距离100m、自导作用扇面120°和反鱼雷鱼雷引信作用距离20m。导引方法选定为固定提前角法,默认固定提前角为10°。
4.1 鱼雷报警距离对拦截概率的影响
假定鱼雷报警声呐方位量测均方误差为1°,设定适当的距离量测均方误差为5%和安全距离500m。当鱼雷报警舷角,即探测到的来袭鱼雷相对于本舰的初始舷角默认为-45°时,将鱼雷报警距离分别取1km、2km、3km、4km、5km、6km、7km、8km、9km,不同解算反应时间反鱼雷鱼雷的拦截概率变化如图3 所示。
其中报警距离1km时,反应时间设定为12s,其余报警距离在安全距离范围内将反应时间设定为30s、60s。从仿真结果图可看出:在反应时间确定的情况下,反鱼雷鱼雷的拦截成功概率随着鱼雷报警距离的增大而减小。这是因为随着距离的增大,反鱼雷鱼雷发射后与来袭鱼雷的迎击相遇时间延长,解算误差也随时间累积,使得反鱼雷鱼雷自导扇面覆盖来袭鱼雷的概率降低。因此,在考虑安全距离的基础上,随着报警距离的增大,应给出充足的反应时间以获得精确的目标要素,有效提高反鱼雷鱼雷拦截成功概率。
4.2 鱼雷报警精度对拦截概率的影响
假定报警距离4km,鱼雷在末弹道以固定提前角10°攻击舰艇,鱼雷报警舷角均方误差分别设定为σB=2.0°、3.0°、4.0°。反应时间设定为15s,则典型航路不同解算反应时间、不同探测误差对拦截概率的影响见下表。
表1 不同探测误差对拦截概率的影响 |
| 误差/° | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|
| 拦截概率/% | 89.90 | 67.54 | 54.12 |
从表1 仿真结果可看出:反鱼雷鱼雷的拦截概率随报警舷角误差的增加呈线性降低。在报警距离4km、反应时间设定为15s的情况下,报警舷角误差增加1°,反鱼雷鱼雷拦截成功概率下降约10%。因为报警舷角误差增大时,探测到目标相对我舰艇的方位误差增大,系统求解射击诸元的误差相应增大。因此,在系统反应时间确定的情况下,提高鱼雷报警舷角的精度可有效提高反鱼雷鱼雷拦截成功概率。经初步估算,要使反鱼雷鱼雷有效拦截来袭鱼雷概率达到90%,报警舷角误差不大于2°。
4.3 反应时间对拦截概率的影响
假定报警距离分别为3km、5km,反鱼雷鱼雷拦截成功概率和目标位置解算误差随反应时间的变化如下图4 -7所示。
从仿真结果可以看出:在反鱼雷鱼雷安全距离条件下,考虑到要素解算误差与反应时间的关系及反鱼雷鱼雷一次性攻击的特点,反应时间确定为一个固定值不是所有态势都能适用的。对于报警距离不大于3km的态势,为保证迎击态势的有效性,反应时间越小越好,最好是报警即发射,而对于报警距离大于3km的态势,则要对反鱼雷鱼雷发射时机进行优化,给出充足的反应时间,以确保反鱼雷鱼雷有效使用。
4.4 鱼雷报警舷角对拦截概率的影响
当设定鱼雷报警距离为3km时,鱼雷报警的初始舷角在100°~160°范围内间隔5°取平均,取定鱼雷报警舷角均方差2°和报警距离均方差为5%,不同报警舷角对拦截概率的影响如图8 所示。
因在仿真测试过程中,对反鱼雷鱼雷发射时机进行了优化,使得同一报警距离不同报警舷角反鱼雷鱼雷拦截概率保持在稳定状态,不随着舷角的变化而出现大的波动。
4.5 结果分析
分析以上结果,可得出几条结论:
1)舰艇的鱼雷报警声呐性能对反鱼雷鱼雷的拦截概率影响较大,是影响其作战效能的敏感指标。
2)在考虑安全距离的基础上,随着鱼雷报警距离的增大,若能够给出充足的反应时间,则能有效提高反鱼雷鱼雷拦截成功概率。
3)反鱼雷鱼雷拦截成功概率随鱼雷报警舷角误差的增加呈线性降低。因此可通过提高报警舷角的精度来提高反鱼雷鱼雷的作战效能。
4)在考虑安全距离的条件下,考虑到要素解算误差与反应时间的关系及反鱼雷鱼雷一次性攻击的特点,在能够获得报警距离条件下,应对反鱼雷鱼雷发射时机进行优化,以确保反鱼雷鱼雷有效使用。
5 结束语
本文给出了反鱼雷鱼雷的作战流程,对已有反鱼雷鱼雷拦截弹道方案进行了分析,在考虑各种因素基础上,设计了直航+迎面拦截弹道,给出反鱼雷鱼雷捕获目标条件。在鱼雷报警声呐性能分析基础上,仿真分析了鱼雷报警距离、报警舷角误差、反应时间等因素对反鱼雷鱼雷拦截概率的影响。在对反鱼雷鱼雷发射时机优化的条件下,鱼雷报警距离越大,反鱼雷鱼雷拦截概率越高。未来提高反鱼雷鱼雷的作战效能,可以通过增大鱼雷报警距离,提高鱼雷报警舷角的精度等途径来实现,可平衡对反鱼雷鱼雷性能要求过高的状况。