王改娣, 翁 璐, 呂艷慧, 劉孟秦

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魚雷攻擊體目標(biāo)命中效果仿真方法

王改娣1, 翁 璐2, 呂艷慧1, 劉孟秦1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 海軍裝備部, 北京, 100163)

魚雷的命中效果一般用命中參數(shù)來表征。用點(diǎn)源目標(biāo)評價魚雷命中效果只有單一脫靶量, 且實航試驗中為避免魚雷與聲靶或真實目標(biāo)相撞, 常采取規(guī)避措施, 難以得到實際命中參數(shù)。針對此, 文中提出一種用體目標(biāo)評價魚雷命中效果的仿真方法, 建立了魚雷跟蹤目標(biāo)過程的全彈道數(shù)學(xué)模型和描述體目標(biāo)幾何特性和命中參數(shù)的數(shù)學(xué)模型, 并進(jìn)行了魚雷攻擊體目標(biāo)效果的仿真計算和分析。仿真結(jié)果表明, 魚雷命中效果與目標(biāo)幾何特性、目標(biāo)速度、雷目相對態(tài)勢等因素有關(guān)。該方法為評價魚雷命中目標(biāo)效果提供了一種有效的手段, 可為魚雷彈道和導(dǎo)引規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

魚雷; 體目標(biāo); 命中效果; 全彈道

0 引言

魚雷是一種水下自主航行, 自動搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、攻擊并命中目標(biāo)的水中兵器, 為了提高對目標(biāo)的命中效果, 在魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計中[1], 往往采取相應(yīng)技術(shù)措施, 設(shè)法導(dǎo)引魚雷攻擊目標(biāo)的中心部位或要害部位, 以期達(dá)到最大毀傷效果。在水聲物理場中[2], 魚雷跟蹤目標(biāo)實際上是跟蹤由魚雷發(fā)射信號在目標(biāo)體上形成的聲反射點(diǎn)產(chǎn)生的目標(biāo)回波, 而聲反射點(diǎn)與目標(biāo)的幾何特性有關(guān), 不同的幾何位置會影響魚雷的命中效果。由于用實航驗證魚雷攻擊目標(biāo)效果代價很大, 通常采用數(shù)學(xué)仿真方法來評估魚雷攻擊命中目標(biāo)的效果。

近年來, 陸續(xù)有魚雷攻擊命中目標(biāo)效果相關(guān)研究的報道。武志東等[3]用射擊通式和目標(biāo)運(yùn)動要素, 采用解析方法對魚雷命中結(jié)果偏差進(jìn)行了研究; 陳道升等[4]研究了潛艇目標(biāo)運(yùn)動要素對魚雷命中概率的影響, 但沒有考慮目標(biāo)幾何特性; 文獻(xiàn)[5]~[7]雖然研究了體目標(biāo)下的攻擊效果, 但是把體目標(biāo)簡化為橢球體, 與真實目標(biāo)幾何特性相差較大。另外, 在這些研究中均沒有考慮魚雷跟蹤攻擊目標(biāo)過程中的制導(dǎo)性能和彈道特性, 命中參數(shù)也主要用單一脫靶量表征, 不能全面反映魚雷跟蹤命中目標(biāo)效果。

在魚雷彈道設(shè)計[8]和仿真中, 通常把目標(biāo)看作一個質(zhì)點(diǎn), 即用點(diǎn)源目標(biāo)來評價魚雷攻擊效果,這種方法只能得到魚雷距點(diǎn)源的距離, 即脫靶量。而在魚雷實航試驗中, 一般采用點(diǎn)源聲靶或由多個點(diǎn)源組成的體目標(biāo)聲靶來模擬體目標(biāo)聲學(xué)特性, 但在魚雷跟蹤并逐步接近目標(biāo)的過程中, 為了避免與聲靶相撞, 常采用規(guī)避措施, 因此, 實航試驗只能對魚雷自導(dǎo)作用距離、宏觀導(dǎo)引規(guī)律進(jìn)行評價, 無法對魚雷攻擊目標(biāo)效果進(jìn)行有效評價。

文中在建立體目標(biāo)幾何模型、魚雷動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上, 考慮魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)特性和全彈道邏輯, 對不同條件下的魚雷跟蹤攻擊目標(biāo)全彈道運(yùn)動過程進(jìn)行仿真, 在近程計算魚雷與目標(biāo)體最近點(diǎn)的變化軌跡和命中參數(shù), 并對命中效果進(jìn)行分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 魚雷模型

研究魚雷攻擊命中體目標(biāo)效果是通過對魚雷全彈道運(yùn)動過程仿真來完成, 由于魚雷彈道是魚雷武器綜合性能的主要體現(xiàn), 彈道建模涉及到魚雷總體、動力、推進(jìn)、控制、自導(dǎo)、彈道邏輯等系統(tǒng)性能和參數(shù)[9-12], 受篇幅所限, 在此只列出對魚雷運(yùn)動建模的需求, 具體包括: 魚雷動力學(xué)方程、運(yùn)動學(xué)方程、控制系統(tǒng)模型、自導(dǎo)系統(tǒng)模型、導(dǎo)引算法模型、目標(biāo)回波模型、彈道邏輯模型以及控制指令模型等。

1.2 目標(biāo)模型

1.2.1 運(yùn)動特性

目標(biāo)運(yùn)動遠(yuǎn)距離時可把目標(biāo)看作為質(zhì)點(diǎn), 近距離時可把目標(biāo)看作具有一定形狀的運(yùn)動體即體目標(biāo)[4]。無論是點(diǎn)目標(biāo)還是體目標(biāo), 研究目標(biāo)運(yùn)動時均不考慮目標(biāo)動力學(xué)特性, 只研究目標(biāo)運(yùn)動規(guī)律。

目標(biāo)運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型

1.2.2 幾何特性

以潛艇目標(biāo)為例, 目標(biāo)幾何特性如圖1所示。

圖1 目標(biāo)幾何特性示意圖

圖中, 建立目標(biāo)坐標(biāo)系OXYZ, 原點(diǎn)O位于潛艇主體縱軸與艦橋?qū)ΨQ軸交點(diǎn)上,OX軸與潛艇縱軸重合且正方向朝艇艏,OY軸位于潛艇的徑向?qū)ΨQ平面內(nèi)且通過艦橋?qū)ΨQ軸, 方向朝上,OZ軸符合右手坐標(biāo)系定則。

將潛艇目標(biāo)體分為4部分, 其中: 第1和第3部分為橢圓旋轉(zhuǎn)體, 第2部分為圓柱體, 第4部分為橢圓柱體, 目標(biāo)尺度特性可以用1～4,1～4參數(shù)來描述。具體含義如下:1為前橢球體半長;2為前圓柱體長度;3為后圓柱體長度;4為后橢球體半長;1為圓柱體半徑;2為艦橋高度;3為艦橋橢圓頂半長軸;4為艦橋橢圓頂半短軸。

在目標(biāo)坐標(biāo)系中, 目標(biāo)體幾何特性的數(shù)學(xué)描述公式如下。

第1部分

第2部分

第3部分

第4部分

其中, 第4部分的艦橋高度2是確定魚雷與目標(biāo)體最近點(diǎn)位置的條件之一。

1.3 相對運(yùn)動模型

雷目距離

水平目標(biāo)角

垂直目標(biāo)角

魚雷在目標(biāo)坐標(biāo)系中的位置

1.4 命中參數(shù)模型

命中參數(shù)用于表征魚雷的命中效果, 反映了魚雷跟蹤導(dǎo)引彈道綜合性能。魚雷攻擊目標(biāo)體的命中參數(shù)包括命中部位、脫靶量和命中角, 其中, 脫靶量表征了魚雷命中精度, 命中部位和命中角直接影響目標(biāo)毀傷效果。

1.4.1 最近點(diǎn)位置

圖2 命中參數(shù)示意

1.4.2 脫靶量

脫靶量在此用魚雷與目標(biāo)體上最近點(diǎn)距離描述, 即

1.4.3 命中角

魚雷命中目標(biāo)的角度可用下述量描述

根據(jù)命中角的定義, 當(dāng)=180°時為垂直命中態(tài)勢進(jìn)入目標(biāo)體, 當(dāng)1=90°時為垂直于目標(biāo)縱平面進(jìn)入目標(biāo)體, 當(dāng)2=90°時為垂直于橫平面進(jìn)入目標(biāo)體。

2 命中效果仿真及與分析

2.1 瞄準(zhǔn)點(diǎn)選取

魚雷在跟蹤攻擊目標(biāo)時, 為了達(dá)到最大毀傷效果, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)一般選在目標(biāo)要害部位, 如潛艇目標(biāo)頭部。魚雷尾追態(tài)勢下, 收到的目標(biāo)回波前沿對應(yīng)潛艇尾部, 后沿對應(yīng)潛艇頭部, 遠(yuǎn)距離時, 目標(biāo)的頭和尾反射回來的目標(biāo)角差別不大, 可以按照點(diǎn)目標(biāo)處理, 并采用前沿(尾部)操舵, 以保證魚雷對準(zhǔn)目標(biāo); 而近距離時, 頭和尾的目標(biāo)角差別較大, 明顯帶有目標(biāo)尺度信息, 為增大魚雷命中效果, 通常采用后沿(頭部)操舵。因此, 尾追狀態(tài)仿真中, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艏相當(dāng)于后沿操舵, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艉相當(dāng)于前沿操舵。相反地, 迎擊狀態(tài)目標(biāo)回波前沿對應(yīng)艇艏, 后沿對應(yīng)艇艉。假設(shè)魚雷瞄準(zhǔn)點(diǎn)就是目標(biāo)體上的聲學(xué)反射點(diǎn), 則不同瞄準(zhǔn)點(diǎn)會影響魚雷命中效果, 仿真選取若干特征瞄準(zhǔn)點(diǎn), 分別對魚雷跟蹤靜目標(biāo)和動目標(biāo)的命中效果進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)潛艇體目標(biāo)尺度參數(shù):1=18 m,2=21 m,3=32 m,4=38 m,1=5 m,2=5.1 m,3=8 m,4=3.4 m。

2.2 跟蹤靜止目標(biāo)

仿真條件: 目標(biāo)位置(570,–30,0) m, 設(shè)定魚雷搜索深度30 m, 主航向0°。

仿真中, 魚雷蛇行搜索, 發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 跟蹤攻擊直至命中目標(biāo)。針對目標(biāo)體上不同瞄準(zhǔn)點(diǎn), 得到的魚雷命中時刻(D=0)參數(shù)見表1。

表1 靜止目標(biāo)下不同瞄準(zhǔn)點(diǎn)命中參數(shù)仿真結(jié)果

由表1可以看出:

1) 不同瞄準(zhǔn)點(diǎn), 命中目標(biāo)的時間不同, 從艇艉到艇艏, 時間延長, 符合魚雷跟蹤導(dǎo)引規(guī)律;

2) 不同瞄準(zhǔn)點(diǎn), 命中目標(biāo)的部位不同, 從艇艉到艇艏, 命中部位靠前, 命中參數(shù)中的命中角、1、2變小, 則命中效果變差;

3) 當(dāng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)位于潛艇尾部或艦橋上時,≈180o, 命中效果接近垂直命中。

2.3 跟蹤運(yùn)動目標(biāo)

魚雷運(yùn)動條件不變, 目標(biāo)勻速直航, 速度5 m/s, 模擬魚雷與目標(biāo)不同跟蹤態(tài)勢, 得到目標(biāo)體上不同瞄準(zhǔn)點(diǎn)下的魚雷命中參數(shù)仿真結(jié)果, 見表2, 其中尾追和迎擊瞄準(zhǔn)艇艏的仿真曲線見圖3。

圖3 不同態(tài)勢下瞄準(zhǔn)艇艏的水平彈道仿真曲線

根據(jù)表2和圖3可以看出:

1) 尾追態(tài)勢下, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艏時, 魚雷從目標(biāo)左后下方穿入命中; 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艉時, 魚雷從目標(biāo)尾部正中穿入命中;

2) 尾追態(tài)勢下, 只要魚雷速度大于目標(biāo)速度且魚雷有足夠的航程, 都能命中目標(biāo);

3) 迎擊態(tài)勢下, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艏時, 魚雷從目標(biāo)右前下方穿入命中; 瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艇艉時, 魚雷從目標(biāo)左后下方穿入;

4) 迎擊態(tài)勢下, 命中效果與目標(biāo)速度關(guān)系很大, 目標(biāo)速度越大, 越容易脫靶。

上述結(jié)果說明, 在魚雷速度和制導(dǎo)體制一定的前提下, 魚雷命中目標(biāo)的效果除了與目標(biāo)幾何特性有關(guān)外, 還與目標(biāo)速度、相對態(tài)勢等因素有關(guān), 同時也驗證了仿真方法的正確性和可行性。

4 結(jié)束語

為了彌補(bǔ)用點(diǎn)目標(biāo)和實航試驗方法評價魚雷命中目標(biāo)效果的不足, 提出了一種魚雷攻擊體目標(biāo)命中效果的仿真方法。建立了包含雷目相對運(yùn)動、潛艇目標(biāo)幾何特性和魚雷命中參數(shù)在內(nèi)的魚雷全彈道數(shù)學(xué)模型, 對影響魚雷命中效果的瞄準(zhǔn)點(diǎn)、目標(biāo)速度和相對態(tài)勢等進(jìn)行了導(dǎo)引跟蹤彈道仿真, 得到了不同仿真條件下的魚雷命中參數(shù), 驗證了仿真方法的正確性和可行性。該方法為評價魚雷命中效果提供了一種有效的手段, 可為魚雷彈道和導(dǎo)引規(guī)律的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

[1] 周德善, 李志舜. 魚雷自導(dǎo)技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[2] 尤立克R J. 水聲原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社, 1990.

[3] 武志東, 李斌, 夏佩倫. 潛射魚雷命中結(jié)果的解析計算方法[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與應(yīng)用, 2016, 46(17): 149-153. Wu Zhi-dong, Li Bin, Xia Pei-lun. An Analytic Computational Method of Hitting Result for Submarine-Launched Torpedo[J]. Mathematics in Practice and Theory, 2016, 46(17): 149-153.

[4]陳道升, 鄭曉慶, 梁朝陽, 等. 潛艇規(guī)避對聲自導(dǎo)魚雷命中概率的影響[J]. 測試技術(shù)學(xué)報, 2014, 28(5): 443- 448.Chen Dao-sheng, Zheng Xiao-qing, Liang Chao-yang, et al. Effect of Hit Probability of Submarine Evasion to Ac- oustic Homing Torpedo[J]. Journal of Test and Measur-ement Technology, 2014, 28(5): 443-448.

[5] 王小寧, 康鳳舉, 吳宇, 等. 體目標(biāo)條件下的魚雷攻擊效果評估仿真方法研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2006, 26(1): 401-404, 411.Wang Xiao-ning, Kang Feng-ju, Wu Yu, et al. Investigative Methods Torpedo Attacking Performance Evaluation of Based on Target-body[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2006, 26(1): 401-404, 411.

[6] 謝勇, 張靜遠(yuǎn), 諶劍, 等. 體目標(biāo)條件下反潛魚雷命中目標(biāo)模型[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2011, 23(1): 88-93.Xie Yong, Zhang Jing-yuan, Chen Jian, et al. Target Hit Model of Anti-submarine Torpedos Based on Target- body [J]. Journal of Naval University of Engine-ering, 2011, 23 (1): 88-93.

[7] 聶衛(wèi)東, 康鳳舉, 蘇穎, 等. 魚雷彈道仿真中潛艇體目標(biāo)建模與應(yīng)用研究[J]. 計算機(jī)仿真, 2004, 21(8): 10-12.Nie Wei-dong, Kang Feng-ju, Su Ying, et al. Submarine Acoustic Modeling and Application in Torpedo Trajectory Simulation[J]. Computer Simulation, 2004, 21(8): 10-12.

[8] 詹致祥. 魚雷航行力學(xué)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1990.

[9] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設(shè)計[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

[10] 蔣繼軍, 王改娣. 魚雷仿真技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.

[11] 王改娣. 魚雷制導(dǎo)全彈道仿真建模與軟件實現(xiàn)[C]// 2013年中國系統(tǒng)仿真學(xué)會論文集. 西安: 中國系統(tǒng)仿真學(xué)會, 2003.

[12] 王改娣. 魚雷跟蹤目標(biāo)深度起伏機(jī)理分析及全彈道數(shù)學(xué)仿真研究[J]. 艦船電子工程, 2004, 24(2): 66-68.

Wang Gai-di. Analysis of the Torpedo Depth Fluctuation in Tracking and Research on Whole Trajectory Simulation [J]. Ship Electronic Engineering, 2004, 24(2): 66-68.

Simulation Method for Hitting Effect of Torpedo Attacking Body Target

WANG Gai-di1, WENG Lu2, Lü Yan-hui1, LIU Meng-qin1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Ordnance Equipment Bureau of Naval Equipment Department, Beijing 100163, China)

The hitting effect of a torpedo is usually represented by the hitting parameters. However, evaluating hitting effect via point target can only get the miss distance, and eluding measures are often taken to prevent a torpedo colliding with an acoustic target or a real target in sea trial, the actual hitting parameters are difficult to be obtained. In this paper, a simulation method for evaluating torpedo hitting effect with body target is presented. A whole trajectory’s mathematical model of torpedo tracking target process and a mathematical model describing the geometric characteristics and hitting parameters of the body target are established. Simulation calculation and analysis on the hitting effect of a torpedo attacking body target are carried out. Simulation results show that the torpedo hitting effect is related to the geometric characteristics of the target, the target velocity, the relative situation between the torpedo and the target, and so on. This method may provide an effective means for evaluating torpedo hitting effect, and may provide a reference for optimization designs of torpedo trajectory and guidance law.

torpedo; body-target; hitting effect; whole trajectory

王改娣, 翁璐, 呂艷慧, 等. 魚雷攻擊體目標(biāo)命中效果仿真方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(1): 78-82.

TJ631

A

2096-3920(2019)01-0078-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.013

2018-07-26;

2018-09-20.

王改娣(1964-), 女, 研究員, 主要研究方向為魚雷總體性能和彈道仿真建模.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)