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      雙平臺(tái)魚雷報(bào)警聲吶對(duì)來(lái)襲魚雷快速定位仿真

      2015-12-07 05:21:06王奔波
      艦船科學(xué)技術(shù) 2015年5期
      關(guān)鍵詞:聲吶測(cè)量誤差魚雷

      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.

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      [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.

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