自航水雷雷位散布模型及其仿真运用研究＊

2013-11-23陈建华

舰船电子工程 2013年9期

邓晋陈建华樊俊

（海军陆战学院广州 510430）

1 引言

自航水雷（SLMM）的雷位散布对于由自航水雷形成的水雷障碍内部结构有着直接影响，继而会影响水雷障碍的封锁效果［1］。因此，构建自航水雷雷位散布模型是研究自航水雷障碍的前提和基础，对提高自航水雷障碍的封锁效果有着重要意义。文献［1］对自航水雷的自航段散布模型进行了较为详细的研究，然而未对由流压误差引起的雷位散布建模。本文综合分析影响自航水雷雷位散布因素，进一步改进自航水雷雷位散布模型并通过仿真实例研究其各因素之间的相互关系。

潜布自航水雷发射出管后，由于受诸多随机因素的影响，往往不能按设定的航路航行，导致任一时刻水雷的实际位置点与期望位置点不相一致，这种位置偏差现象称为潜布自航水雷散布［2］。自航水雷按照预定航向航速自控航行的计划航迹称为理想航迹，某一时刻在理想航迹上的位置点称为理想位置点。

由于自航水雷需通过水下发射进行布设，与其他传统无动力水雷布设方式相比，其雷位散布不仅受到布雷平台定位误差的影响，更重要的是受到航行散布及流压的影响。因此需从影响自航水雷雷位散布因素着手，构建自航水雷雷位散布相关模型，为下一步仿真实验打下基础。

2 自航水雷雷位散布模型

2.1 自航水雷典型布设过程描述

在自航水雷的布设过程中，布雷潜艇按照布雷方案在安全海域实施一次精确定位，随后潜航至发射阵位隐蔽发射水雷。自航水雷出管后按设定航路机动，当到达预定航程时，自航水雷推进系统停车，惯性下沉至海底进入待机状态。

通过分析上述过程，可知影响自航水雷雷位散布的因素主要为布雷潜艇航行至发射阵位时的定位误差以及航向误差，自航水雷自航段的航向、航速误差以及末弹道漂移误差。同时，由于自航水雷需要在水中航行较长时间，海流对雷位散布亦会产生较大影响。下面对以上四个主要因素分别进行建模。

2.2 布雷潜艇定位误差散布模型

为便于研究，建立以雷区正面下边沿为x轴，中点为坐标原点的空间固定坐标系。

由于布雷潜艇在发射自航水雷前需进行一次精确定位，因此其定位误差分别由精确定位误差和推算定位误差决定，它导致自航水雷的初始位置产生误差。

设精确定位误差与推算舰位误差引起的纵向散布分别表示为ΔYOC、ΔYOF，根据实验数据，可认为ΔYOC～N（0，σYOC2），ΔYOF～N（0，σYOF2），σYOC、σYOF为精确定位纵向散布与推算舰位纵向散布的均方差，则布雷潜艇定位纵向散布ΔYO～N（0，σYOF2＋δYOF2）。

同理，设精确定位误差与推算舰位误差引起的横向散布分别表示为ΔXOC、ΔXOF，根据实验数据，可认为ΔXOC～N（0，σXOC2），ΔXOF～N（0，σXOF2），σXOC、σXOF为精确定位横向散布与推算舰位纵向散布的均方差，则布雷潜艇定位横向散布ΔX0～N（0，σXOC2＋σXOF2）。

σYOX、σXOC、σYOF、σXOF均由相应的导航仪器性能确定。

在实际布雷行动中，σYOF与σXOF在每个布雷点的值是不同的。但潜艇进入布雷航向后，航速航向保持稳定，布设水雷所需时间较短，此时推算设备产生的误差较小，因此可将布雷潜艇在第一布雷点的σYOF与σXOF近似看成布雷潜艇在整个布雷航向上的推算误差的均方差。2.2.1 自航水雷自航段位置散布模型

图1 由布雷潜艇航向误差引起的散布示意图

在不考虑流压的情况下，自航水雷自航段位置散布是由航向误差和速度误差所引起的。水雷方向仪的漂移量随着时间的增加而增大，从而导致自航水雷航向误差。速度误差是由于螺旋桨推力、航行阻力、减压器压力等因素在航行中的变化而产生的。

设O′为自航水雷发射点，A点为自航水雷在此航向上的期望雷位，B为实际雷位。如图1所示。

θs为布雷潜艇航向，Δθ0为布雷潜艇航向误差，设布雷时刻t＝0，则在t0时刻：

式中：V为自航水雷的标称速度（m／s）；ΔV为自航水雷的速度误差（m／s）；Δθ0为自航水雷的航向误差（°）。

Δθ0以预定航向为参考，向左偏移为“-”，向右偏移为“＋”。

自航水雷出管后，会根据战术需要进行转向。设第一次转向角度为θ1，航向误差为Δθ1，C为在此航向上的预期雷位，D为在此航向上的实际雷位。规定左转向θ1为“-”，向右转向为“＋”。如图2所示。

图2 由自航水雷速度误差、航向误差引起的散布示意图

则自航水雷第一次转向后由速度误差、航向误差引起的散布：

以上公式可推广至第n次转向产生的雷位散布，设自航水雷第n次转向角为θn，航向误差为Δθn，则

Δθ0～N（0，），σPO由布雷潜艇测向设备性能确定。Δθ1，Δθ2，…，Δθ0～N（0），σPD由自航水雷测向设备性能确定。从以上公式可看出第n次转向产生的散布，与前面n-1次转向密切相关。自航段的总误差散布如下

式中：ΔYP为自航水雷自航段纵向散布（m）；ΔXP为自航水雷自航段横向散布（m）。

2.2.2 自航水雷流压误差散布模型

图3 由流压误差引起的散布示意图

由于自航水雷在水中航行时间较长，流压问题是布雷行动必须考虑的问题。通常在自航水雷发射前，由布雷潜艇实测流压，对发射参数进行修正，当实测流压数值与实际流压数据不一致时，采用的修正参数与理想修正参数会存在偏差，由此引起流压误差散布。如图3所示。

式中：ΔYF为流压误差引起的纵向散布（m）；ΔXF为流压误差引起的横向散布（m）；tFA为自航水雷在水中航行时间（s）。

2.2.3 末弹道漂移误差散布模型

定距器到达设定距离后控制推进器停车，水雷依惯性下沉的同时受到海流的影响，从而形成末弹道漂移阶段的误差散布。其中，σEA、σEB由水雷自身技术性能确定。

2.2.4 自航水雷雷位散布综合模型

在建立的统一坐标系下，根据影响自航水雷雷位散布的因素，可知自航水雷雷位散布为以上各部分散布的线性相加

式中：ΔY为自航水雷纵向散布（m）；ΔX为自航水雷横向散布（m）。

3 自航水雷雷位散布模型仿真运用

建立自航水雷雷位散布模型后，可实现对单枚自航水雷以及由自航水雷形成的水雷障碍的仿真。限于篇幅，下文主要以自航水雷航向误差为例，研究其对雷位散布和水雷障碍性能的影响。

3.1 基本假设

雷区宽500m，纵深1000m，雷线位于雷区中央且与布雷航向平行，布雷间隙100m，布雷点5个，自航水雷危险半径为50m。潜艇航向090.0°当潜艇航行至预定雷位在X 轴的投影时发射自航水雷，自航水雷出管后向左转向90.0°驶向预定雷位点。假设自航水雷在水中航行时速度误差不变且服从正态分布。利用VC＋＋6.0建立仿真界面，设置初始参数如图4所示。

图4 自航水雷雷位散布仿真界面

3.2 航向误差均方差对雷位散布的影响

利用上文模型，改变航向误差均方差，得到自航水雷雷位散布与航向误差均方差的关系曲线。如图5所示。

图5 雷位散布与航向误差均方差关系图

从图5中可看出由于随机因素的存在，自航水雷的横向散布与航向误差均方差的关系并未表现出严格的规律性，但随着航向误差均方差的增大自航水雷的横向散布近似呈现出偏荡增大的趋势。当航向误差均方差增大到5°左右后，自航水雷的横向散布急剧增大。

纵向散布随着航向误差均方差的增大而迅速减小（即实际雷位位于期望雷位的下方），当航向误差达到10°时，纵向误差散布已达到1200m 左右。当随机速度误差均方差为正数时（即比标称速度快），弥补了部分因航向误差而减少的纵向航程，导致曲线并非是光滑的，而是有少量向上突出点，速度误差均方差越大，突出程度越大。