智能鱼雷攻潜部位及攻击角测量方法与误差分析

刘松海，孙向前，岳剑平

(91388部队，广东 湛江 524022)

智能鱼雷攻潜部位及攻击角测量方法与误差分析

刘松海，孙向前，岳剑平

(91388部队，广东 湛江 524022)

研究了一种基于实艇靶舷侧阵的末弹道二维跟踪定位模型，给出了鱼雷攻潜过靶部位及水平攻击角的计算方法，分析了测量误差并进行仿真。分析及仿真表明，采用该定位模型，鱼雷攻艇部位的测量精度可达2 m，在艇正横方向大约±60°开角范围内，水平攻击角的测量精度可达2°。在引起攻击角测量误差的各因素中，同步误差和目标深度装订误差影响较大，声速装订误差和基阵变形引起的误差较小。

智能鱼雷;攻潜部位;攻击角;测量方法

0 引言

随着科学技术的进步，新型智能鱼雷能对潜艇目标的水平、垂直尺度进行分析、识别，辨别真假目标，对真目标进行攻击。在攻击过程中，通过最优化控制，采取最佳弹道，寻找潜艇要害部位，垂直命中，聚能定向爆炸，摧毁敌潜艇目标。

这些新研制的鱼雷产品在正式装备部队之前都必须经过严格细致的、接近实战使用条件的性能测试和考核［1］。而在考核鱼雷的诸多性能指标当中，鱼雷攻潜部位及水平攻击角无疑是衡量鱼雷性能的主要参数指标，实艇靶则是最好的测控靶标。本文研究一种基于实艇靶舷侧阵的末弹道二维跟踪定位模型，给出了鱼雷过靶攻击部位及水平攻击角的计算方法，并进行了误差分析仿真。

1 鱼雷过靶部位及水平攻击角计算方法

鱼雷攻潜末弹道轨迹可由安装于目标潜艇的4元水听器基阵测量获得。基阵安装方式为每舷侧2个阵元，其基线方向与潜艇首尾向保持一致，2个阵元间的距离为D。测量帧率使用0.1 s，通过测量鱼雷上安装的合作声信标，采用声同步测距方式对鱼雷末弹道实施二维弹道跟踪［1－2］。

鱼雷目标过靶时刻的示意图如图1所示，可通过测定鱼雷相对于阵元1#的水平投影距离L和相对深度h来描述鱼雷攻潜部位。图中，阵元的目标斜距表示为 r1和 r2。

图1 鱼雷过靶时刻示意图Fig.1 Schematic diagram of the time of torpedo over the target

由图示给出三角函数公式:

式中:r1=cτ1;r2=cτ2，c为传播声速;τ为传播时延。则:

为充分反映出智能鱼雷聚能爆炸的作战效果，攻击角的概念定义为:智能鱼雷命中目标艇时，末弹道轨迹切线与靶艇原型外壳曲面的夹角为攻击角。为叙述方便，本文讨论的攻击角为末弹道轨迹切线与潜艇首尾线的夹角。为方便计算鱼雷末弹道轨迹，将图1的目标外移一定距离，如图2所示。2个阵元的三维坐标分别定义为(x0，0，0)和(x0，－ D，0)(其中x0约为潜艇宽度的一半)。相对于水平测量基准面，目标投影的水平距离为r1'和r2'。

图2 定位模型示意图Fig.2 Schematic diagram of location model

根据几何关系，给出目标夹角的三角函数公式为

于是，目标的二维坐标计算为:

智能鱼雷末端攻击时为直航弹道，选取该弹道首尾2 个测量点，分别记作(x0，y0)和(xi，yi)。其间航程为l，水平攻击角β，表示为极坐标形式有:

则水平攻击角可以由式(7)得出:

2 鱼雷攻潜部位的测量误差分析

影响鱼雷攻潜部位测量误差主要包括测时误差、装订误差和阵元位置误差［3］。首先，针对时延测量分析末弹道测量的随机误差。不妨令στ1=στ2=στ，由式(2)不难推导:

由此得出结论:末弹道测量的随机误差与目标距离呈正比关系，而与测量基线孔径、目标相对深度呈反比关系。给出算例:令目标的最大距离rmax=50 m，相对深度h=20 m，测量孔径D=30 m，测时误差στ=100 μs，传播声速c=1 500 m/s，根据计算得σL≤0.35 m和σh≤1.07 m。事实上，目标在近程时由于信噪比较强，测时误差可控制在几十μs以内，过靶测量精度会进一步提高。

其次，考虑装订误差的影响。装订误差主要包括同步误差和声速误差。目前的高精度守时系统在3 h以内的时钟漂移小于100 μs，其对斜距的影响可忽略不计。此处仅考察声速装订误差的影响。根据式(2)不难推得:

最后，考虑基阵变形引起的误差。略去推导过程，直接给出过靶部位的误差影响:

给出式(12)的算例:令目标的最大距离rmax=50 m，相对深度h=20 m，测量孔径D=30 m，基线变

根据以上分析，该方法对鱼雷攻击潜艇部位的测量精确度，通常可以达到2 m以内。

3 鱼雷攻潜水平攻击角测量误差分析

由式(6)可以看出，攻击角的测量精度取决于模型的定位精度。定位模型的误差因素主要包括随机误差、装订误差和阵形误差，下面分别讨论。

3.1 随机误差影响分析

对式(4)取全微分，将距离测量的随机误差表示成σ形式，有:

根据式(3)，同理可得方位测量的随机误差。不妨令 στ1= στ2= στ，于是:

由式(5)进行坐标转换，忽略测距误差与方位误差的相关度，误差传递后综合为:

采用仿真方法对式(15)的正确性进行验证，如图3所示，艇首方向为0°。由图可以看出，测量的随机误差与目标距离、正横方位偏离度呈正比关系，潜艇正横方位大约±60°开角范围，末弹道测量在300 m以内的测量精度优于2%斜距。

图3 水平跟踪精度空间分布Fig.3 The spatial distribution of horizontal tracking accuracy

3.2 装订误差影响分析

末弹道测量的装订误差源主要包括声速装订误差、目标深度装订误差和同步误差。以声速装订误差为例，对式(4)取全微分，表示成Δ形式:

对式(3)同理得:

于是，根据式(5)有:目标处于正横方位远程条件下，则近似有:

观察第一式，当目标位于右舷时sgn(·)取+号，而左舷则取－号，且括号内第2项恒为负。观察第二式，目标偏向艇首与偏向艇尾互为正负，表明鱼雷斜角度攻击时，潜艇左右舷的两侧弹道将出现沿Y轴(潜艇航向)方向的反向平移。

声速装订误差一般控制在±5‰以内，图4考察了基阵间距30 m、目标深度30 m时的仿真效果。由图中可以看出，声速装订的影响可予忽略。

图4 声速装订误差仿真效果Fig.4 The simulation results of sound velocity binding error

目标深度装订误差和同步误差，具有与声速装订误差的类似影响。略去理论推导过程，直接给出同步误差和深度装订误差的仿真结果，如图5所示。由图可知，同步误差和目标深度装订误差影响较大。细致观察发现，3类误差源仅对近程测量有较大影响，利用中、远程测量数据仍能有效评估水平攻击角。

3 .3 基线变形影响分析

如前所述，略去推导过程，直接给出水平面二维测量的误差影响:

参照图2，乘积r'1·cosα实为水平斜距在基线方向上的投影，保守取值其长度一般不大于D的10倍。直接观察该式，尤其当鱼雷正横攻击时，基线变形的影响可忽略。

上述分析考察的是最大系统误差，即使阵元出现了快速抖动，引发的随机误差仍能有效控制。综合起

图5 同步误差和深度装订误差仿真效果Fig.5 The simulation results of synchronization error and depth binding error

来看，基线变形的影响为小量，可忽略测量误差。

4 结语

本文针对新型智能鱼雷高速和智能攻击的特点，提出了一种基于实艇靶舷侧阵的末弹道二维跟踪定位模型，给出了鱼雷攻潜过靶部位及水平攻击角的计算方法，分析了引起定位测量误差的各因素，并进行了仿真。分析表明，采用该二维跟踪定位模型对鱼雷末弹道进行定位，鱼雷攻艇部位的测量精度可达2 m，在艇正横方向大约±60°开角范围，水平命中角的测量精度可达2°。在引起攻击角测量精度的各误差因素中，同步误差和目标深度装订误差的影响较大，声速装订误差和基阵变形引起的误差较小。

［1］杨志权，刘松海，王文学.鱼雷实艇靶末弹道测量算法分析与误差仿真［J］.鱼雷技术，2003，(4):34－38.

YANG Zhi-quan，LIU Song-hai，WANG Wen-xue.Terminal trajectory-measuring algorithm and error simulation for submarine target of torpedo［J］.Torpedo Technique，2003，(4):34－38.

［2］刘松海，冼观福，廖述常.同步信标在水下机动小目标轨迹测量中的高精度时延估计方法［J］.声学技术，2008，(6):903－906.

LIU Song-hai，XIAN Guan － fu，LIAO Shu-chang.A method of high precision time delay estimation in underwater moving mini-target tracking with synchronous beacon［J］.Technical Acoustic，2008，(6):903 －906.

［3］田坦，刘国枝，孙大军.声呐技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2000.247－263.

TIAN Tan，LIU Guo-zhi，SUN Da － jun.Sonar Technology［M］.Harbin:Publishing of Harbin Engineering University，2000.247－263.

The measuring method and error analysis of intelligent torpedo's attack point and attack angle of submarine target

LIU Song-hai，SUN Xiang-qian，YUE Jian-ping
(No 91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

A two-dimensional underwater acoustic tracking and location model base on the terminal trajectory of broadside array at the submarine target is studied，and the method of measuring intelligent torpedo's attack point and attack angle of submarine target is presented.The result of simulation shows that the measurement accuracy of attack point would better than 2 m，and that of attack angle would better than 2°when the transverse angle less than ± 60°.In all measuring errors being discussed，the effect of the synchronization error and the depth of the target is high，while that of the sound velocity binding error and the deformation of the array is small.

intelligent torpedo;attack point of submarine target;attack angle;measuring method

TB566

A

1672－7649(2012)04－0079－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.018

2011－08－30

刘松海(1979－)，男，研究生，工程师，主要从事水下测控技术研究。