LM AUV遠程投送水雷雷位散布特性分析

洪咸東

（中國人民解放軍 92101部隊，福建 福州 350101）

0 引言

現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭條件下，戰(zhàn)場透明度越來越高，使用傳統(tǒng)布雷平臺難以完成作戰(zhàn)使命，為此，世界各國海軍致力研究使用遠程自主式布雷器（以下簡稱LM AUV）投送水雷，將水雷遠距離自主投送到預(yù)定區(qū)域[1]。然而，在使用LM AUV遠距離投送水雷時，由于其航行速度低、航渡時間長，受海區(qū)自然條件（海流、水深等）影響及AUV自身導(dǎo)航定位技術(shù)的制約，LM AUV往往難以精確按預(yù)先設(shè)定的航路航行，導(dǎo)致布設(shè)的水雷實際位置與期望位置不相一致，這種位置偏差現(xiàn)象稱為雷位散布[2]。

布雷作戰(zhàn)時，水雷的雷位散布概率是評價雷障封鎖效能的一項重要指標[3]，是不容忽視的。雷位散布問題不僅對水雷障礙內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著直接影響，而且也會影響水雷障礙的打擊效果。鑒于此，研究LM AUV遠距離投送水雷時雷位散布特性，分析流速、水深及航距對雷位散布的影響就顯得很有必要。

1 雷位散布產(chǎn)生機理

使用LM AUV進行遠距離投送水雷時，雷位散布主要由AUV航行至布雷陣位時的定位誤差、機動航行段的航行誤差以及投放水雷時水雷末彈道誤差造成。有關(guān)LM AUV遠程布雷誤差產(chǎn)生機理分析詳見參考文獻[4]，在此不再累述。

2 雷位散布模型

根據(jù)LM AUV使用特性，對各項誤差引起的雷位散布進行建模。為便于建模研究，建立以雷區(qū)正面下邊沿為X軸，縱向為Y軸，以AUV最后一次精確定位點為原點O的空間坐標系，預(yù)定水雷落點O′為雷位散布橢圓中心，設(shè)橢圓的長軸方向為航距散布，短軸方向為航向散布，則認為任意落點在雷線上投影點距離橢圓中心（預(yù)定落點）的距離σ服從正態(tài)分布[5]。

2.1 平臺定位散布概率函數(shù)

AUV通常采用 GPS定位方式獲得平臺當(dāng)前的GPS定位數(shù)據(jù)，對自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差進行校正。目前，GPS定位精度約為10 m左右，即AUV定位誤差1σ=10 m，則平臺定位散布概率密度函數(shù)為

2.2 平臺機動航行段散布概率函數(shù)

由圖1所示，自主導(dǎo)航系統(tǒng)精度 σ2= k1× D ，k1為導(dǎo)航誤差系數(shù)，D為校準后航行距離，即航程散布概率密度函數(shù)為

圖1 雷位散布坐標系Fig.1 Dispersion coordinates of mine location

橫向偏移ΔL=D×sinθ，通過水聲遙測系統(tǒng)對航向誤差進行校正后，平均橫向軌跡誤差σ3=k2×D，k2為橫向偏移誤差系數(shù)，即航向散布概率密度函數(shù)為

2.3 水雷末彈道散布概率函數(shù)

由圖2所示，水雷與AUV平臺分離時，受海流影響所引起的漂移為

圖2 水雷末彈道散布Fig.2 Terminal ballistic dispersion of mine

式中：v為海流平均流速；v0為水雷與平臺分離時刻初速度；t為水雷分離時間。

水雷下沉過程受海流影響所引起的位移誤差：

t′為水雷與平臺分離至沉底時間，與水深h、水雷平均下沉速度相關(guān)，即

由于在海洋中海流是空間和時間的動態(tài)復(fù)雜矢量函數(shù)，水雷在水中運動的過程中受到海流的影響詳見文獻[6]-[7]，在此不再累述。一般取最簡單的情形認為v0=0，即平臺為懸停狀態(tài)；短時間內(nèi)4σ、5σ位移的方向與海流流向一致，位移大小與平臺、水雷的形狀和海流流速、水深有關(guān)。則末彈道漂移散布概率密度函數(shù)：

2.4 雷位散布模型

根據(jù)上述分析，AUV布設(shè)水雷時存在隨機散布現(xiàn)象，雷位總誤差不能簡單的線性相加，一般以均方差表示為

3 仿真分析

由式（9）可知，雷位散布主要與校準后自主航行距離D、導(dǎo)航精度k、海流流速v、平臺懸停時間t及布雷水深h等密切相關(guān)。

圖3 20 m水深時雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.3 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 20 meters

3.1 航距對雷位散布影響

由圖3-5可見，雷位散布誤差與AUV自主航行距離、海流流速成正比關(guān)系；同時，也驗證了AUV航位推算的定位誤差是隨著時間發(fā)散的[8]，航距越遠、航時越長，其布雷就位點的精度越低，定位誤差就越大。據(jù)此，為了提高布雷精度，在戰(zhàn)術(shù)運用上，AUV最后校準點選擇盡可能地靠近布雷投放點，以縮短最后一次校準與水雷投放點之間的距離；然而，在實際使用時還要綜合敵方威脅因素，從安全角度考慮，最后校準點選擇應(yīng)設(shè)置在敵嚴密防區(qū)或有效干擾區(qū)以外。如圖4所示：若在50 m水深、海流流速v=2.5 m/s時布雷，需雷位散布誤差不大于200 m，則選擇最后校準點與水雷投放點之間的距離不大于15 km條件下，可滿足雷位散布要求。

圖4 50 m水深時雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.4 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 50 meters

圖5 100 m水深時雷位散布與航行距離、海流流速關(guān)系Fig.5 Mine position dispersion in relation to navigation distance and current velocity at depth of 100 meters

3.2 流速對雷位散布影響

通過模型仿真變化曲線可以看出，AUV位移大小與海流流速和水深有關(guān)：

1）整個布雷過程，AUV散布偏移量受到海流的影響較大，流速越大，位移誤差就越大；

2）在自主航行距離確定情況下，不同布雷水深A(yù)UV散布偏移量與海流流速變化不明顯。

如圖3所示：若在20 m水深，AUV自主航距10 km進行布雷，要求雷位散布誤差不大于150 m，則需在海流流速v≤2.5 m/s條件下才滿足雷位散布要求。

3.3 水深對雷位散布影響

由式（6）可以看出：布雷水深主要對水雷末彈道漂移散布有影響，在水雷平均下沉速度不變前提下，隨著水深的增大，水雷分離后至沉底間隔時間越長，漂移距離就越大。

如圖6所示：若 AUV在自主航距 15 km，v=2 m/s條件下布雷，需雷位散布誤差不大于250 m，則要求布雷水深在100 m以淺進行才能滿足。

圖6 雷位散布與航行距離、布雷水深關(guān)系Fig.6 Mine position dispersion in relation to navigation distance and minelaying depth

3.4 工程實踐應(yīng)用

若某次布雷作戰(zhàn)時，要求雷位散布誤差不大于200 m，則可對應(yīng)不同布雷水深、海流流速下選擇自主航行距離，并設(shè)置懸停時間；如圖4所示，在50 m水深、海流流速v≤2.5 m/s，AUV自主航距不大于15 km條件下布雷，均可滿足雷位散布要求。

4 結(jié)束語

LM AUV遠程投送水雷雷位散布特性反應(yīng)了其在不同自主航行距離、流速、水深情況下，布設(shè)水雷雷位散布的規(guī)律，對于科學(xué)確定雷障區(qū)域、選擇布雷樣式和水雷類型有一定指導(dǎo)意義，可為布雷作戰(zhàn)方案的擬制完善、水雷障礙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置提供理論參考。