王奔波，吳 磊

(1.南海艦隊(duì)裝備部，廣東 湛江524001;2.中國(guó)人民解放軍91388 部隊(duì)，廣東 湛江524022)

0 引 言

魚雷是水面艦艇的主要威脅之一。隨著魚雷武器的發(fā)展，水面艦艇面臨的魚雷威脅越來(lái)越嚴(yán)重［1］。為了達(dá)成有效的水下防御，艦艇應(yīng)該有足夠的時(shí)間來(lái)實(shí)施對(duì)抗和機(jī)動(dòng)規(guī)避，因而需要對(duì)遠(yuǎn)距離來(lái)襲魚雷進(jìn)行早期報(bào)警［2］。要獲取魚雷信息必須依賴于魚雷報(bào)警聲吶，研制專用的水面艦魚雷報(bào)警聲吶也是各國(guó)海軍主要的發(fā)展方向，如法國(guó)的Albatros魚雷報(bào)警聲吶、俄羅斯的Vignette-em型魚雷報(bào)警聲吶［3］。魚雷報(bào)警應(yīng)具有3個(gè)要素，即魚雷來(lái)襲方位、魚雷識(shí)別和魚雷至被攻擊艦艇的距離。在魚雷報(bào)警距離較遠(yuǎn)的情況下，為了及時(shí)實(shí)施水聲對(duì)抗的準(zhǔn)備工作，首先應(yīng)該知道來(lái)襲魚雷的精確方位，將表征魚雷的多種信息相融合，迅速準(zhǔn)確的對(duì)魚雷實(shí)施報(bào)警，對(duì)魚雷定位是對(duì)魚雷實(shí)施水聲對(duì)抗的關(guān)鍵，而且是對(duì)魚雷報(bào)警跟蹤的最后環(huán)節(jié)［4］。對(duì)于來(lái)襲魚雷進(jìn)行定位距離越遠(yuǎn)，則水面艦實(shí)施水聲對(duì)抗的成功率越大。使用適于魚雷目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別的被動(dòng)拖線陣雖然可以解決遠(yuǎn)距離魚雷報(bào)警問(wèn)題，卻只能提供來(lái)襲魚雷的方位信息。有效防御魚雷攻擊迫切需要魚雷目標(biāo)的距離信息［5］。

本文針對(duì)水面艦進(jìn)行編隊(duì)反潛作戰(zhàn)，利用被動(dòng)工作方式的魚雷報(bào)警聲吶能夠?qū)^遠(yuǎn)距離來(lái)襲的魚雷進(jìn)行精確測(cè)向的優(yōu)勢(shì)，在2個(gè)水面艦平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱雙平臺(tái))魚雷報(bào)警聲吶同時(shí)探測(cè)到來(lái)襲魚雷的情況下，對(duì)魚雷快速定位方法進(jìn)行仿真分析，對(duì)艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)防御魚雷攻擊的方法研究具有一定的借鑒意義。

1 雙平臺(tái)魚雷報(bào)警聲吶對(duì)來(lái)襲魚雷快速定位原理

編隊(duì)反潛作戰(zhàn)時(shí)，2艘水面艦的魚雷報(bào)警聲吶對(duì)來(lái)襲魚雷探測(cè)示意圖如圖1所示，水面艦編隊(duì)由W1和W2組成，其航速分別為V1和V2，航向分別為H1和H2;來(lái)襲魚雷為M1，魚雷航速航向分別為V3和H3，魚雷M1在某一時(shí)刻與水面艦W1和W2的距離分別為D1和D2，水面艦W1和W2探測(cè)到魚雷的舷角分別為α1和α2，舷角設(shè)定左舷為正、右舷為負(fù)。一般情況下V1=V2，H1=H2。

由于魚雷報(bào)警聲吶多為拖曳線列陣聲吶，其位置中心與水面艦GPS 天線位置不同，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中需要進(jìn)行修正，為了描述方便，下面提到的水面艦W1和W2坐標(biāo)位置為魚雷報(bào)警聲吶位置中心。

如圖2所示，建立以W1的實(shí)時(shí)位置為原點(diǎn)、航向H1為x 軸正方向的直角坐標(biāo)系，W1坐標(biāo)為(x1，y1)= (0，0)，W2坐標(biāo)為(x2，y2)，M1坐標(biāo)為(x3，y3)。依據(jù)圖2 中幾何關(guān)系可知:

W1和M3的連線表達(dá)式為:

W2和M3的連線表達(dá)式為:

式(1)與式(2)聯(lián)立求得:

式中:W1(x1，y1)和W2(x2，y2)由2個(gè)水面艦GPS 實(shí)時(shí)定位值和GPS 天線安裝位置與魚雷報(bào)警聲吶中心位置修正轉(zhuǎn)換得出［5］;α1和α2由2個(gè)水面艦的魚雷報(bào)警聲吶給出。在上面的處理過(guò)程中忽略了魚雷輻射噪聲到達(dá)2艘水面艦時(shí)的時(shí)間延遲差值，這是因?yàn)槁曀龠h(yuǎn)遠(yuǎn)大于魚雷的航速，因此當(dāng)精度要求不是很高時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以忽略它對(duì)定位精度的影響。

圖2 魚雷位置坐標(biāo)求解Fig.2 The solution for coordinates of torpedo

通過(guò)上述過(guò)程可知，采取該方法進(jìn)行遠(yuǎn)距離魚雷快速定位時(shí)，主要誤差來(lái)源是水面艦GPS 定位誤差、魚雷報(bào)警聲吶的舷角測(cè)量誤差以及時(shí)延帶來(lái)的誤差。通過(guò)仿真計(jì)算，分析各誤差源對(duì)定位精度的影響，找出主要的誤差來(lái)源，研究采取該方法進(jìn)行魚雷快速定位的可行性。

2 仿真分析

當(dāng)2個(gè)水面艦平臺(tái)同時(shí)探測(cè)到來(lái)襲魚雷時(shí)，通過(guò)上一節(jié)闡述的方法，可以很容易的得出魚雷的實(shí)時(shí)位置，下面采用仿真計(jì)算的方式分析各誤差因素對(duì)魚雷的定位精度的影響。

在仿真過(guò)程中，加入的隨機(jī)誤差為相互獨(dú)立、零均值、均方根值相等的隨機(jī)數(shù)組，其長(zhǎng)度為1 000，經(jīng)過(guò)1 000 次循環(huán)計(jì)算后，得到的1 000 組計(jì)算魚雷估計(jì)坐標(biāo)與魚雷真值坐標(biāo)相減，然后求解均方根即為所求誤差。

2.1 水面艦GPS 定位誤差對(duì)定位精度的影響

GPS 定位誤差直接影響水面艦坐標(biāo)準(zhǔn)確度。

仿真過(guò)程中，坐標(biāo)距離單位為m，水面艦W1真值坐標(biāo)為(x1，y1)= (0，0)，W2真值坐標(biāo)為(x2，y2)=(1 500，500)，魚雷真值坐標(biāo)(x3，y3)，仿真步驟如圖3所示。

圖3 仿真流程圖1Fig.3 The simulation flow chart 1

圖4(a)為GPS 存在誤差時(shí)，定位誤差隨著GPS誤差變化的曲線，此時(shí)(x3，y3)=(－1 500，－5 500);圖4(b)為GPS 誤差均方根值為2 m 時(shí)，定位誤差隨著x3變化的曲線，此時(shí)y3=－5 500;圖4(c)和(d)為GPS 誤差均方根值為2 m 時(shí)，定位誤差隨著y3變化的曲線，此時(shí)x3分別為－1 500，3 000。

圖4 定位誤差隨著GPS 誤差，x3，y3的變化曲線Fig.4 Variation curves of position error versus GPS error，x3，y3

仿真結(jié)果表明:隨著GPS 誤差的增大，魚雷的定位誤差增大;魚雷相對(duì)于2艘水面艦位置不同時(shí)，誤差也會(huì)有所不同，當(dāng)魚雷位置向兩艦連線垂線的方向靠近時(shí)，誤差會(huì)減小，而當(dāng)魚雷位置接近兩艦連線方向時(shí)，誤差會(huì)顯著增大。

2.2 魚雷報(bào)警聲吶舷角測(cè)量誤差對(duì)定位精度的影響

仿真條件同上，假定舷角測(cè)量誤差范圍為0.1°～1°。仿真步驟如圖5所示。

圖6 (a)為魚雷報(bào)警聲吶存在舷角測(cè)量誤差時(shí)，定位誤差隨著舷角測(cè)量誤差變化的曲線，此時(shí)(x3，y3)=(－1 500，－5 500);圖6 (b)為舷角測(cè)量誤差誤差均方根值為0.3°時(shí)，定位誤差隨著x3變化的曲線，此時(shí)y3=－5 500;圖6 (c)和圖6 (d)為舷角測(cè)量誤差誤差均方根值為0.3°時(shí)，定位誤差隨著y3變化的曲線，此時(shí)x3分別為－1 500和3 000。

圖5 仿真流程圖2Fig.5 The simulation flow chart 2

圖6 定位誤差隨著舷角測(cè)量誤差，x3，y3的變化曲線Fig.6 Variation curves of position error versus relative bearing error，x3，y3

仿真結(jié)果表明:魚雷報(bào)警聲吶的舷角測(cè)量誤差對(duì)魚雷定位誤差的影響規(guī)律與GPS 誤差類似，不過(guò)魚雷報(bào)警聲吶測(cè)向誤差對(duì)魚雷定位精度影響更大，隨著測(cè)向誤差的變大，魚雷定位精度明顯降低。

2.3 時(shí)延對(duì)定位精度的影響

時(shí)延包括魚雷輻射噪聲到水面艦的傳播時(shí)間和雙平臺(tái)協(xié)同定位計(jì)算消耗的時(shí)間。魚雷是水下高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，時(shí)延越長(zhǎng)，定位誤差必然越大。下面對(duì)時(shí)延帶來(lái)的定位誤差進(jìn)行仿真分析，仿真過(guò)程中忽略時(shí)延差的影響，選擇魚雷攻擊彈道為目標(biāo)艦的現(xiàn)在方位［7］。

仿真過(guò)程中，水面艦航速為20 kn，魚雷航速為40 kn，水面艦航向?yàn)?0°，魚雷航向?yàn)轸~雷與水面艦W2連線方向，聲速為c=1 500 m/s，其他條件同上。假定A 時(shí)刻為魚雷輻射噪聲的時(shí)刻，B 時(shí)刻為水面艦接收到魚雷輻射噪聲的時(shí)刻，C 時(shí)刻為雙平臺(tái)協(xié)同計(jì)算得出魚雷位置的時(shí)刻，在C 時(shí)刻計(jì)算得出的魚雷坐標(biāo)是魚雷在A 時(shí)刻的坐標(biāo)位置，時(shí)延差為tC－tA。仿真步驟如圖7所示。

圖7 仿真流程圖3Fig.7 The simulation flow chart 3

圖8 定位誤差隨著x3，y3的變化曲線Fig.8 Variation curves of position error versus x3，y3

圖8(a)和圖8(b)為時(shí)延帶來(lái)的定位誤差隨著x3變化的曲線，此時(shí)y3分別為－5 500、2 500;圖8(c)和圖8(d)為時(shí)延帶來(lái)的定位誤差隨著x3變化的曲線，此時(shí)x3分別為－1 500，3 000。

仿真結(jié)果表明:魚雷與水面艦之間的距離越遠(yuǎn)，時(shí)延帶來(lái)的誤差越大;時(shí)延帶來(lái)的誤差與魚雷和水面艦(目標(biāo))的連線方向密切相關(guān)。當(dāng)然，時(shí)延帶來(lái)的誤差可以通過(guò)連續(xù)多次定位計(jì)算后進(jìn)行預(yù)估和修正。

3 結(jié) 語(yǔ)

在水聲對(duì)抗過(guò)程中，當(dāng)雙平臺(tái)都能夠?qū)?lái)襲魚雷進(jìn)行報(bào)警時(shí)，采用該方法可以快速的對(duì)遠(yuǎn)距離魚雷進(jìn)行定位。本文對(duì)魚雷定位的誤差進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，由于艦載GPS 定位精度一般較高，由GPS 定位誤差對(duì)魚雷定位精度影響不大;時(shí)延誤差與距離和方位有關(guān);魚雷報(bào)警聲吶對(duì)魚雷的舷角測(cè)量誤差是魚雷定位誤差的主要來(lái)源;當(dāng)舷角測(cè)量誤差較小時(shí)，采取該方法能夠快速獲取較精確魚雷位置，可為遠(yuǎn)距離實(shí)施水聲對(duì)抗提供參考。在后續(xù)的研究工作中，將繼續(xù)對(duì)舷角測(cè)量誤差對(duì)魚雷定位的影響進(jìn)行分析，以求進(jìn)一步提高該方法的定位精度。

［1］張寶華.國(guó)外艦用魚雷報(bào)警聲吶發(fā)展綜述［J］.聲學(xué)與電子工程，2013，110(2):47－49.

［2］閻福旺.水聲對(duì)抗技術(shù)［M］.北京:海洋出版社，2003.

［3］楊日杰，高學(xué)強(qiáng)，韓建輝.現(xiàn)代水聲對(duì)抗技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］李偉，汪洪升，田德海.基于艦艇水下先期防御的來(lái)襲魚雷報(bào)警系統(tǒng)［J］.魚雷技術(shù)，2011，19(1):260－262.

［5］陳敬軍.水面艦艇魚雷防御系統(tǒng)中魚雷報(bào)警縱覽［J］.聲學(xué)技術(shù)，2013，32(3):257－262.

［6］杜娟，朱華邦.基于GPS 技術(shù)的艦載探測(cè)系統(tǒng)標(biāo)校方法研究［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2013，42(1):17－20.

［7］孟慶玉，張靜遠(yuǎn)，宋保維.魚雷作戰(zhàn)效能分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.