白東宇 劉 煌

(海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)

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海流對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引及作戰(zhàn)影響*

白東宇 劉 煌

(海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)

海流是常見(jiàn)的海洋環(huán)境要素之一,對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引及作戰(zhàn)產(chǎn)生的影響很大。論文利用Mtalab軟件結(jié)合線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引規(guī)律,研究海流對(duì)魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的影響。主要從改變初始射距、作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)和自導(dǎo)距離三種情況下,進(jìn)行海流對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷影響的仿真分析。最后得出了海流與線導(dǎo)魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的相關(guān)結(jié)論。

線導(dǎo)魚(yú)雷; 海流; 概率; 導(dǎo)引模型

Class Number TJ63

1 引言

魚(yú)雷是由平臺(tái)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后發(fā)射入水,用以攻擊摧毀目標(biāo)的水中武器,具有隱蔽性好、命中率高和破壞威力大等特點(diǎn)。魚(yú)雷在歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了大量使用,取得了顯著戰(zhàn)績(jī),在第二次世界大戰(zhàn)中,魚(yú)雷擊沉了大約1450萬(wàn)噸的運(yùn)輸船,占被擊沉運(yùn)輸船總噸位的68%;被魚(yú)雷擊沉的水面戰(zhàn)斗艦艇占到了總數(shù)的38%,達(dá)到了369艘。20世紀(jì)80年后,魚(yú)雷進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,成為融合精密機(jī)械、現(xiàn)代控制、微電子學(xué)、水聲學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品,按照制導(dǎo)方式不同,可以分為直航魚(yú)雷、自導(dǎo)魚(yú)雷和線導(dǎo)魚(yú)雷等。

1.1 線導(dǎo)魚(yú)雷

線導(dǎo)魚(yú)雷是由潛艇或水面艦艇等發(fā)射平臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線傳輸指令控制導(dǎo)向目標(biāo)的魚(yú)雷。魚(yú)雷發(fā)射后,導(dǎo)線向發(fā)射平臺(tái)傳回自身的狀態(tài)、位置和目標(biāo)的方位、距離等參數(shù)信息,發(fā)射平臺(tái)根據(jù)魚(yú)雷返回的信息發(fā)出遙控指令操縱魚(yú)雷攻擊目標(biāo)。線導(dǎo)魚(yú)雷由導(dǎo)線傳輸指令,因而擁有較好的抗干擾能力,航速一般為35節(jié)～60節(jié)。線導(dǎo)魚(yú)雷具有捕捉目標(biāo)概率高、發(fā)射迅速、抗干擾能力強(qiáng)、攻擊效果好和激動(dòng)靈活等特點(diǎn)。

1.2 海流對(duì)魚(yú)雷產(chǎn)生的影響

海流是海洋環(huán)境要素之一,其大小和方向是隨機(jī)的,但是全球海洋的海流分布整體趨勢(shì)是一定。海洋環(huán)境對(duì)不同類型魚(yú)雷產(chǎn)生的影響也不同。對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷,主要是海流對(duì)其位置坐標(biāo)的影響,魚(yú)雷位置坐標(biāo)是利用雷速、航向和深度等參數(shù)綜合解算獲得,這些參數(shù)直接影響到坐標(biāo)的精度[1]。主要表現(xiàn)在能使魚(yú)雷偏離預(yù)定航線,造成雷位偏差。在特定作戰(zhàn)情形下,如果無(wú)法提前獲得作戰(zhàn)海區(qū)海流的大小和方向,發(fā)射平臺(tái)解算的魚(yú)雷方位就會(huì)產(chǎn)生較大誤差,線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引位置就會(huì)偏離預(yù)期,導(dǎo)致魚(yú)雷在線導(dǎo)段結(jié)束后自導(dǎo)裝置難以捕獲目標(biāo),從而影響魚(yú)雷作戰(zhàn)性能。

魚(yú)雷在靜止流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),存在著平衡攻角α0、平衡舵角σ0,當(dāng)存在側(cè)向水平海流時(shí),會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑角β,產(chǎn)生新的誘導(dǎo)阻力系數(shù),增加魚(yú)雷速度的誤差。魚(yú)雷位置方程:

(1)

(2)

vx=VTcosβ

(3)

vz=VTsinβ

(4)

式(1)中不計(jì)魚(yú)雷滾動(dòng)且認(rèn)為側(cè)滑角β為小量,略去高階微量后,可以得到魚(yú)雷位置累計(jì)誤差方程:

(5)

(6)

從式(2)中可以看出,魚(yú)雷位置的累計(jì)誤差主要受到航向和雷速影響,其中魚(yú)雷的速度是依靠推進(jìn)器進(jìn)速系數(shù)推算而得,在沒(méi)有海流的情況下具有較高的精度。但是魚(yú)雷無(wú)法感知側(cè)向水流,就會(huì)造成速度誤差的加大,長(zhǎng)時(shí)間作用就會(huì)對(duì)作戰(zhàn)效果產(chǎn)生影響。

2 建立仿真模型

2.1 線導(dǎo)魚(yú)雷導(dǎo)引數(shù)學(xué)模型

線導(dǎo)魚(yú)雷的導(dǎo)引方法包括現(xiàn)在方位形心導(dǎo)引法、未來(lái)方位形心導(dǎo)引法、無(wú)干擾導(dǎo)引法等多種方法,本文仿真選用現(xiàn)在方位形心導(dǎo)引法,并且只考慮水平面內(nèi)線導(dǎo)魚(yú)雷的捕獲情況。

以潛艇發(fā)射魚(yú)雷處為原點(diǎn)建立大地坐標(biāo)系,X軸水平指向東,Y軸水平指向北,潛艇和目標(biāo)連線與Y軸的夾角定義為目標(biāo)方位角,順時(shí)針為正,角度為-180°～180°;潛艇和目標(biāo)連線與目標(biāo)速度方向的夾角定義為目標(biāo)舷角,左舷為正,右舷為負(fù),范圍-180°～180°。

在魚(yú)雷線導(dǎo)導(dǎo)引過(guò)程中,潛艇測(cè)出目標(biāo)方位βwm,接收魚(yú)雷發(fā)回的遙測(cè)參數(shù),解算出魚(yú)雷方位βT以及魚(yú)雷和潛艇之間的距離R,利用測(cè)出的目標(biāo)方位及遙測(cè)參數(shù)解算并給出遙控魚(yú)雷轉(zhuǎn)角指令,使魚(yú)雷導(dǎo)引點(diǎn)在某一確定時(shí)間周期之后,處于潛艇和目標(biāo)“現(xiàn)在”方位線上。在線導(dǎo)導(dǎo)引過(guò)程中,把魚(yú)雷自導(dǎo)扇面的形心作為導(dǎo)引點(diǎn),使魚(yú)雷自導(dǎo)扇面的形心與目標(biāo)相遇,提高發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率

2.2 導(dǎo)引公式

1) 初次導(dǎo)引公式

CT0=β0;XT0=0;YT0=0;XW0=0;YW0=0;Xm0=Dssinβ0;Ym0=Dscosβ0

初次導(dǎo)引公式是為潛艇、魚(yú)雷和目標(biāo)的航向以及坐標(biāo)賦予初始仿真數(shù)值。

2) 導(dǎo)引計(jì)算通式(i=1,2,3…)

魚(yú)雷在導(dǎo)引時(shí)間間隔內(nèi)的航程:

STi-1=VTΔt

(7)

魚(yú)雷瞬時(shí)坐標(biāo):

XTi=XTi-1+STi-1sinCTi-1、

YTi=YTi-1+STi-1cosCTi-1

(8)

潛艇在導(dǎo)引時(shí)間間隔內(nèi)的航程:

Swi-1=Vwi-1Δt

(9)

潛艇瞬時(shí)坐標(biāo):

Xwi=Xwi-1+Swi-1sinCwi-1

Ywi=Ywi-1+Swi-1cosCwi-1

(10)

潛艇與魚(yú)雷之間距離:

(11)

方位角:

(12)

方位角之差:

ηi=βTi-βi

(13)

相對(duì)舷角:

Qwi=βi-Cwi

(14)

相對(duì)距離:

(15)

相對(duì)夾角按公式:

(16)

魚(yú)雷至自導(dǎo)扇面形心的距離:

(17)

魚(yú)雷的瞬時(shí)航向:

CTi=Cwi+wi

(18)

目標(biāo)瞬時(shí)坐標(biāo)(假設(shè)目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)):

Xmi=Xmi-1+Vmi-1Δtsin(Qm-β0)

(19)

Ymi=Ymi-1+Vmi-1Δtcos(Qm-β0)

(20)

其中Qm為目標(biāo)初始舷角

2.3 線導(dǎo)魚(yú)雷捕獲目標(biāo)的判斷標(biāo)準(zhǔn)

魚(yú)雷與目標(biāo)的相對(duì)距離按式(21)計(jì)算:

(21)

魚(yú)雷與目標(biāo)的相對(duì)傾角按式(22)計(jì)算:

(22)

線導(dǎo)魚(yú)雷自導(dǎo)捕獲目標(biāo)的判斷公式:

當(dāng)D(i)≤r且|β(i)|≤λ′且∑STi≤LT時(shí),捕獲目標(biāo);其他情況則未捕獲。

2.4 引入海流計(jì)算

2.4.1 計(jì)算方法

把魚(yú)雷當(dāng)作質(zhì)點(diǎn),不考慮魚(yú)雷回旋時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,也忽略掉控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,魚(yú)雷彈道為理論彈道。潛艇和目標(biāo)均等速運(yùn)動(dòng),不做規(guī)避機(jī)動(dòng)。

以目標(biāo)落在魚(yú)雷自導(dǎo)扇面內(nèi)為線導(dǎo)導(dǎo)引魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的判定依據(jù),采用蒙特卡洛法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)概率P。導(dǎo)引方法選擇“現(xiàn)在方位形心導(dǎo)引法”。在研究中,先不考慮海流的存在,只有潛艇測(cè)量目標(biāo)的方位誤差情況下,計(jì)算發(fā)現(xiàn)概率;按照不同情況加入海流的影響,計(jì)算線導(dǎo)魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)概率。

統(tǒng)計(jì)模擬法采用蒙特卡洛法,按照模擬精度要求給定模擬次數(shù),統(tǒng)計(jì)出線導(dǎo)魚(yú)雷自導(dǎo)捕獲目標(biāo)的次數(shù),計(jì)算線導(dǎo)魚(yú)雷自導(dǎo)捕獲概率。

2.4.2 海流影響的處理方法

假定海流速度為常量,大小和方向保持不變只考慮水平面上,同時(shí)不考慮海流對(duì)潛艇和目標(biāo)的影響。海流速度矢量和魚(yú)雷速度矢量之和即為影響后的魚(yú)雷實(shí)際速度,其大小和方向都會(huì)發(fā)生改變,進(jìn)而改變每一個(gè)周期的魚(yú)雷實(shí)際位置。

實(shí)際魚(yú)雷速度,計(jì)算公式如下:

(23)

式中:vs為海流的流速(kn);vt為魚(yú)雷的速度(kn);Vts為水平面海流速度和魚(yú)雷速度的矢量和(kn);α為水平面海流速度矢量和魚(yú)雷速度矢量的夾角(rad)。

2.5 仿真計(jì)算

2.5.1 設(shè)定仿真初始計(jì)算條件

1) 海流大小設(shè)定為0.5kn～2kn,海流方向設(shè)定為正北;

2) 潛艇速度設(shè)定為6kn;潛艇航向設(shè)定為90°;初始方位角設(shè)定為30°;

3) 目標(biāo)速度設(shè)定為18kn;目標(biāo)舷角分別選取30°、60°和90°;

4) 魚(yú)雷速度設(shè)定為36kn;自導(dǎo)作用距離分別設(shè)定為800m和1200m;自導(dǎo)半扇面角設(shè)定為45°

5) 初始射距:30000m、35000m、40000m;方位測(cè)量均方差:0.4°、0.5°;

6) 魚(yú)類航程無(wú)限制;

7) 模擬共計(jì)次數(shù):1000次。

2.5.2 仿真結(jié)果

表1 改變射距條件下的發(fā)現(xiàn)概率

表1 給定海流大小,方向條件下的發(fā)現(xiàn)概率

表3 給定作用距離,海流大小條件下的發(fā)現(xiàn)概率

3 結(jié)論分析

表1是在初始目標(biāo)舷角為30°時(shí)得到的仿真結(jié)果,主要驗(yàn)證有無(wú)海流是否會(huì)對(duì)魚(yú)雷導(dǎo)引結(jié)果產(chǎn)生影響。從表中可以明顯看出,當(dāng)沒(méi)有海流影響時(shí),線導(dǎo)魚(yú)雷始終可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。當(dāng)存在側(cè)向海流時(shí),發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率隨射距增加顯著降低。海流的影響逐漸加大,這也和隨著魚(yú)雷航程的加大、雷位漂移也越來(lái)越大是一致的。

從表2中可以看出,盡管目標(biāo)方位測(cè)量誤差會(huì)對(duì)魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率產(chǎn)生一定影響,在不同作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)下即改變目標(biāo)舷角時(shí),海流影響程度也并不相同。當(dāng)初始射距為30000m,目標(biāo)舷角為60°,海流大小為1.5kn時(shí),線導(dǎo)導(dǎo)引彈道基本都發(fā)散了,即魚(yú)雷無(wú)法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。即使海流大小降低到0.8kn,在這種態(tài)勢(shì)下,發(fā)現(xiàn)概率也只有0.49,海流的影響是十分巨大的。從仿真結(jié)果來(lái)看,潛艇在與發(fā)射線導(dǎo)魚(yú)雷時(shí),應(yīng)與目標(biāo)舷角保持在30°范圍內(nèi)才能擁有較高的命中率。

從表3中魚(yú)雷自導(dǎo)作用距離的變化,分析發(fā)現(xiàn)概率的變化。選取測(cè)量方位誤差為0.4°、初始目標(biāo)舷角為30°、初始射距為30000m等情況分析,從表中可以看出,在自導(dǎo)作用距離增大到1200m時(shí),保證發(fā)現(xiàn)概率不小于0.95的海流可以達(dá)到1.8kn,完全可以適應(yīng)作戰(zhàn)海區(qū)的海洋環(huán)境條件。自導(dǎo)作用距離為800m,即使海流大小降低為0.4kn時(shí),發(fā)現(xiàn)概率為0.79,難以滿足要求。所以當(dāng)潛艇發(fā)射線導(dǎo)魚(yú)雷時(shí),應(yīng)選擇海流速度較小的作戰(zhàn)海區(qū)和與目標(biāo)舷角較小的作戰(zhàn)時(shí)機(jī),同時(shí)要進(jìn)一步提高魚(yú)雷的自導(dǎo)搜索能力,才能擁有較高的命中率。

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Influence of Ocean Currents on Wire-guided Torpedo Guidance and Battle Performance

BAI Dongyu LIU Huang

(Department of Graduate Management, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

Ocean currents is one of the common factors of marine environment, and causes serious influence on wire-guided torpedo. In this paper, the software Mtalab and Guidance law are used to find out the relationship between ocean currents and wire-guided torpedo. The simulation and analysis are conducted from three kinds of cases including changing the initial target distance, combat situation and action range of torpedo, finally the conclusion about the relationship between the current and detection probability is made.

wire-guided torpedo, ocean currents, probability, guidance methods

2015年2月7日,

2015年3月26日

白東宇,男,碩士研究生,研究方向:海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障。劉煌,男,碩士研究生,研究方向:海洋空間環(huán)境遙感。

TJ63

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.037