鱼雷试验的航路均匀设计方法研究

李春风 刘波

（中国人民解放军91388部队91分队，广东湛江524022）

0 引言

鱼雷试验的目的是为了评价其是否达到研制总要求所规定的各项性能指标，为能否定型提供依据[1]。系统研制总要求规定的性能指标内容非常丰富，一般可分为战术性能指标、技术性能指标和使用性能指标。其检验方法也不尽相同，有的需根据试验结果进行定量分析，如作战深度、雷位误差等，有的需根据试验过程进行定性分析，如鱼雷的环境适应性、可靠性等。性能指标中最重要的是作战深度、雷位误差、航向误差、深度误差、转角误差和命中概率等战术性能指标，它们既是鱼雷作战能力的直接反映，又是分析其他指标的基础。本文以考核这些性能指标为目标，研究均匀设计法在鱼雷试验中的应用方法。

鱼雷试验需要设计载体和目标的试验航路，鱼雷海上试验的特点：参试单位多、动用兵力多、参试装备多，技术复杂，试验周期长。应用均匀设计法设计鱼雷性能指标考核的海上试验航路，以期达到全面考核，优化海上试验航路规划[2,3]。均匀设计方法是一种基于试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法，以尽可能少的试验次数揭示出指标与因素间的规律[4]。当所研究的因素和水平数目较多时，均匀设计试验法比其他试验设计方法（如全面试验设计、正交试验设计）所需的试验次数更少，在相同试验次数的条件下，由于均匀设计的水平数大量增加，其偏差明显好于正交设计。因此，本文主要运用均匀设计试验法进行鱼雷试验性能指标考核的试验航路的规划，同时基于最小二乘原理对试验航路的结果数据进行了回归分析以及应用均匀设计法应注意的事项。

1 鱼雷试验航路规划流程

现行试验方法对上述指标的考核采用成败型二项分布参数或正态分布参数进行鱼雷试验考核的评定[5,6]。很明显，这种方法存在以下几个问题：

1) 试验方案的设计缺乏科学性，所确定的因素不全面，因素水平的划分具有随意性。

2) 试验样本少，且由人为确定的几个典型攻击点得到的结论，不能推广为鱼雷武器系统在整个作战使用范围内的结论。

3) 研制方风险难以控制，未完全利用试验样本包含的信息量。

4) 试验次数的确定缺乏科学依据，影响试验鉴定结论的正确性和完整性。

因此，要得到鱼雷武器系统在整个作战使用范围内是否合格的结论，必须采用科学的试验设计方法，考虑影响试验结论的所有因素，合理划分因素水平，对试验数据进行综合处理和分析。而采用均匀设计方法设计的方案，在火控系统的作战使用范围内具有典型性、均匀性[7]，而且试验数据经过综合处理，建立系统精度的数学模型后，可以对鱼雷性能指标各因素采用不同水平做出预报，结合鱼雷性能指标的仿真试验结果，可达到全面鉴定系统精度的目的。

应用均匀设计法进行鱼雷试验航路规划流程如图1所示。

2 基于均匀设计鱼雷试验航路规划方案

2.1 鱼雷试验指标的确定

对鱼雷来说，性能指标考核试验的试验方案设计主要是运用均匀设计确定鱼雷试验航路的设计，通过鱼雷试验航路检验分析鱼雷终点时的航程、航速、作战深度、雷位误差、航向误差、深度误差、转角误差、攻击目标速度范围和命中概率，而其他试验项目如制导工作方式、鱼雷辐射噪声测量、海况使用、海水浸泡试验、发射深度范围、发射艇速、发射鱼雷时潜艇龙骨距海底深度和可靠性鉴定试验等可通过试验过程进行分析、评定。

图1 鱼雷试验航路规划流程图

2.2 鱼雷试验因素的确定

根据目前试验条件和火控系统的技术状态，可以确定试验可控因素有：目标距离、我舰（机）舷角、目标速度、我舰（机）速度、目标和载舰（机）相对航向角、深度设定、靶标类型（大小）等，不可控因素有海况和环境温度等。

2.3 鱼雷试验可控因素的水平数确定

可控因素水平确定应遵循下列一般原则[8]：

1) 应在火控系统作战使用范围内，在各因素最大值和最小值的闭区间内均匀取值；

2) 确定水平和水平数时，应充分考虑目标的横移率和距离率最大的情况；

3) 一般讲试验可控因素在作战使用范围内分成6-8个水平。

2.4 鱼雷试验航路确定

鱼雷试验考核试验航路规划应以均匀设计理论为基础进行。在因素和水平确定后，按相应的均匀设计表，便可得到每个航路的航路参数。根据试验条件和航区情况即可确定每个航路。

2.5 鱼雷试验实施要求

对试验实施有如下要求：

1) 载体与目标舰均按匀速直线航行；

2) 航路参数表中的值均为每个航路的中点值；

3) 每航次数据采集量应大于300点。

3 设计实例

将基于均匀设计鱼雷试验航路规划方案应用到具体实例中，在不考虑复杂海况和水温等因素影响下，确定某鱼雷试验指标考核的航路规划。

3.1 某鱼雷火控系统作战使用范围

1) 航程：50 km；

2) 舷角：25-155°；

3) 目标速度：0-40 kn；

4) 相对航向：0-360°；

5) 深度使用范围：30-450 m。

3.2 确定试验可控因素

1) 目标距离x1；

2) 我舰舷角x2；

3) 目标速度x3；

4) 相对航向x4；

5) 深度设定x5。

3.3 确定试验水平数

选择因素和水平关系到一个试验能否成功的关键。它以保证估计值有一定的精度；保证估计值的可靠性；保证试验实施的经济有效为前提。在划分因素和水平时，既要考虑到实际需要，又要照顾到在实践中是否能保证试验的误差比较小。均匀设计的核心思想，试验点在试验范围内的均匀散布，试验点选取（选择因素和水平），关系到一个试验能否成功的关键。根据确定原则，选取该试验水平数为 8，均匀划分各因素水平见表1。

3.4 利用均匀设计表进行航路规划

设计的基本思想：应用均匀设计理论，将航路参数量化分档，抽取试验点，建立数学模型。试验设计采用 Un*表，均匀设计通过均匀设计表进行试验设计，每一个均匀设计表有一个代号Un*（qs）或 Un（qs），其中“U”表示均匀设计，“n”表示要做n次试验，“q”表示每个因素有q个水平，“s”表示该表有 s 列。右上角加“*”和不加“*”代表两种不同类型的均匀设计表。在各试验因素水平数不等的情况下，可采用拟水平的方法进行试验设计，相应地，应该选用混合水平的均匀设计表。混合水平的均匀设计表在本质上也是使用基本的各因素水平数相等情况下的均匀设计表，只是将该表中的某些列进行了水平合并处理。每个均匀设计表都附有一个使用表，它指示如何从均匀设计表中选用适当的列，以及由这些列所组成的试验方案的均匀度。

表1 均匀划分各因素水平表

依据某鱼雷因素和水平数选用均匀设计表U8*(85)，建立试验航路规划表见表2。

表2 试验航路规划表

3.5 鱼雷试验航路规划结果

鱼雷试验航路规划结果如图2所示。注：右舷为正。

从试验航路参数均匀设计表中可以看出，试验航路设置能覆盖远、中、近距离，大、中、小舷角，高、中、低目标速度和深、中、浅深度的各种态势。试验范围应当尽可能大一些，则更能达到全面考核的目的。

4 均匀设计鱼雷试验航路注意事项

4.1 明确试验设计的目的

图2 基于均匀设计得到的航路规划

均匀设计在多因素、多水平的试验设计场合，要比正交试验设计具有更大的优势。数学家们提供了减少试验次数的一系列表格，使用好这些表格，需要了解它的应用条件。均匀设计变量的样本数、水平数、上下取限值等参数选择不当，都会给使用者带来一系列不必要的麻烦。做试验的目的，就是通过必要的若干次试验，寻找到最优的工艺路线。对于水中兵器试验与鉴定而言，则是优质高效地鉴定新武器装备质量的合格与否。如果规律简单，试验次数应该是自变量个数的 2倍左右；如果规律复杂，应该选择3倍左右为妥。追求最少的试验次数不是目的，仅仅是手段，手段必须服从目的，不能本末倒置。

4.2 因素水平的合理划分

影响试验指标的因素往往很多，但由于试验条件所限，不可能全面考察，所以应对实际问题进行具体分析，并根据试验目的，选出主要因素，略去次要因素，以减少要考察的因素。确定因素的水平数时，一般重要因素可多取一些水平；各水平的数值应适当拉开，以利于对试验结果的分析。水平数的选择与考核指标相关。例如，2水平只能描述变量变化的线性，若需要描述二次曲线关系，则必须用3水平以上的试验设计。如果曲线复杂，则需要设置更多的水平数。随着水平数的增加，均匀设计的优势更加明显，尤其到了9水平，就只有选择均匀设计了。那么水平数是否选择的越多越好呢？如果能够进行准确度量并控制住变量，可以选择多水平，但是，有些变量像温度水平分得太细，控制不方便，不宜选择水平数过多。

5 结束语

通过对鱼雷试验性能指标考核的航路规划流程研究，运用均匀设计法设计了试验航路，得到了鱼雷试验的航路规划。均匀设计法应用到鱼雷试验中，能以最小的试验点数获得试验域丰富的信息，使试验方案设计、试验航次确定、结果分析评定更为科学合理。本文不但提出了一个好的试验设计手段，还提出了一个好的试验数据处理手段。通过基于最小二乘原理对试验结果进行了回归分析，建立试验指标与因素的数学模型，达到全面鉴定系统精度的目的。对于鱼雷试验中的其他指标，很多都可以采用均匀设计方法进行试验方案设计，如抗干扰性能、攻击方式等指标的鉴定，需对不同的指标和因素一一进行研究，此方法具有一定的普遍应用性。

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