鱼雷多目标威胁评估建模与仿真

杨向锋, 杨云川, 张 奎, 石 磊

鱼雷多目标威胁评估建模与仿真

杨向锋, 杨云川, 张 奎, 石 磊

(中国船舶重工集团公司 第 705 研究所, 陕西 西安, 710075)

使用水声对抗器材诱骗、干扰鱼雷是现代潜艇最重要的反鱼雷措施之一, 鱼雷攻击潜艇时会出现潜艇与各种对抗器材共存的现象, 在一定时间及空间范围表现为多目标。由于鱼雷必须对多目标的攻击价值进行评价,优选威胁度高的目标进行攻击, 以保证鱼雷作战效能。基于此, 分析了鱼雷多目标的威胁因素及其对威胁评估的影响, 提出了威胁因素的量化方法, 建立了鱼雷多目标威胁评估的模型, 为鱼雷多目标作战优选打击提供了一种方法, 具有一定的工程应用价值。

鱼雷; 多目标威胁评估; 目标威胁因素

0 引言

鱼雷是海军的主要反潜武器之一, 对潜艇构成很大的威胁, 因此现代潜艇一般都装备多种对抗鱼雷的反鱼雷装备[1]。声诱饵在水声对抗中具有良好的效果, 是潜艇装备的主要对抗器材之一, 其主要包括悬浮式声诱饵、自航式声诱饵、自航式尺度声诱饵等[2]。潜艇受到鱼雷攻击时, 在机动规避的同时会释放各种对抗器材诱骗、干扰鱼雷, 消耗鱼雷航程以达到逃生的目的。因此鱼雷攻击潜艇时会出现潜艇与各种对抗器材共存的现象, 并在一定时间及空间范围内表现为多目标。鱼雷若想提高作战效能就必须对多目标进行威胁度评价, 从而选择最具威胁的目标进行攻击。

多目标威胁评估一直以来是研究热点, 在飞机空战[3-4]、防空作战[5-6]及空对地作战[7]等领域取得了一些成果, 但鱼雷多目标威胁评估目前处于起步阶段, 研究成果不多[8]。本文主要研究鱼雷多目标威胁评估问题, 分析了鱼雷多目标的威胁因素及其对威胁评估的影响, 建立了鱼雷多目标威胁因素的量化模型及综合威胁度评估模型, 为鱼雷在多目标作战优选打击提供了一种方法。

1 影响威胁评估的因素

鱼雷多目标的威胁度是指鱼雷作战过程中目标的攻击价值。威胁度高, 表明目标可能是潜艇, 值得鱼雷攻击; 威胁度低, 表明目标可能是声诱饵, 攻击价值较低。

鱼雷多目标的威胁度主要由目标特性决定, 评估目标的威胁程度要考虑以下因素。

1) 尺度特征: 潜艇具有一定的空间尺寸, 鱼雷通过目标多亮点分析可以获得潜艇在水平方向的“长度”特征和垂直方向上的“高度”特征, 声诱饵难以模拟潜艇的空间几何特征, 特别是垂直尺度, 因此具有尺度特征的目标威胁度高。

2) 空间张角[9-10]: 潜艇的空间几何特征导致回波的相位在不同时刻具有一定的差别且服从一定的分布, 鱼雷对目标回波进行相位分析或者通过多亮点空间拟合可以获得目标空间张角, 声诱饵难以模拟目标回波的空间张角, 因此具有空间张角的目标威胁度高。

3) 航行速度: 目标航行速度是其重要的运动学参数之一, 鱼雷通过目标跟踪可以获得目标的航行速度, 潜艇航速可以达到35 kn, 悬浮式声诱饵基本静止, 自航式声诱饵一般航速低于10 kn, 因此航行速度高的目标威胁度高。

4) 多普勒速度(多普勒频移): 潜艇鱼雷报警系统发现鱼雷后, 潜艇一般会向远离鱼雷方向高速机动, 此时鱼雷追击目标, 多普勒速度较低, 鱼雷迎击目标时多普勒速度较高, 而迎击态势下的目标是声诱饵的可能性更大, 因此低多普勒速度目标威胁度高。

5) 多普勒速度匹配度: 鱼雷根据目标航行速度及鱼雷航行姿态可以估计出目标的多普勒速度, 同时鱼雷通过信号检测可以检测到目标的多普勒速度, 潜艇的2种多普勒速度来自相同的物理过程, 其值会比较接近, 而声诱饵的检测多普勒速度可能通过人工设定, 因此检测多普勒速度与估计多普勒速度匹配程度高的目标威胁度高。

6) 距离: 潜艇对抗鱼雷时会向远离鱼雷方向高速机动, 同时会在鱼雷航路上布放声诱饵, 或静止或向其他方向运动以达到干扰诱骗鱼雷的目的, 而声诱饵由于其航行速度低于潜艇, 一般情况下检测距离比潜艇的近, 因此检测距离远的目标威胁度高。

2 威胁评估模型

2.1 威胁因素量化模型

由于不同威胁因素的量纲和表达参数不同, 对威胁度的影响也不同, 为此需要对各种因素进行规范化量化处理。

1) 垂直尺度: 垂直尺度反映目标高度, 主要是指潜艇舰桥与艇身共同形成的约10~15 m的高度[11]。受到水声环境影响, 鱼雷估计得到的垂直尺度存在误差, 一般认为其服从高斯分布, 因此垂直尺度的量化模型

2) 水平尺度: 水平尺度反映目标长度, 主要指潜艇艇身约80~150 m的长度[11]。受到水声环境影响, 鱼雷估计得到的水平尺度存在误差, 一般认为其服从高斯分布, 故水平尺度的量化模型

3) 空间张角: 空间张角也反映了目标的水平尺度特征, 空间张角估计受潜艇弦角影响较大, 弦角在20º~ 70º范围时空间张角估计值较大[10-11], 弦角较大或较小时空间张角估计值较小, 因此空间张角的量化模型为

4) 航行速度: 航行速度反映了目标在大地坐标系下的运动特征, 目标航速的相对大小表征了目标的相对威胁程度, 航速越高目标威胁度越高, 因此多目标航行速度的量化模型

5) 多普勒速度: 多普勒速度反映了鱼雷与目标的相对运动关系, 多普勒速度的相对大小表征了目标的相对威胁程度, 多普勒速度越低目标威胁度越高, 因此多目标多普勒速度的量化模型

6) 多普勒速度匹配度: 多普勒速度匹配度反映了目标运动学参数估计多普勒速度与目标检测多普勒速度的匹配程度, 二者越匹配, 目标威胁度越高。这2种方法获得的多普勒速度都存在误差, 一般认为其服从高斯分布, 因此多目标多普勒速度的量化模型

7) 距离: 距离反映了鱼雷与目标的相对距离, 距离的相对远近表征了目标的相对威胁程度, 距离越远目标威胁度越高, 因此多目标距离的量化模型

2.2 综合威胁度评估模型

确定威胁加权系数后, 综合威胁度向量

3 仿真算例

仿真场景为鱼雷以20 m/s直行, 水平面内有3个目标, 1号为悬浮式声诱饵, 2号为潜艇, 3号为自航式尺度声诱饵, 如图1所示。

图1 鱼雷多目标示意图

表1 多目标信息参数

4 结束语

本文分析了影响鱼雷多目标威胁评估的因素, 建立了各种威胁因素的量化模型和综合威胁度评估模型, 采用威胁因素重要性加权因子来平衡各因素对综合威胁程度的影响, 提出了一种鱼雷多目标威胁评估的方法, 仿真算例证明该方法能实现鱼雷多目标威胁评估, 具有一定的工程参考价值。本文是对鱼雷多目标威胁评估的初步探讨, 威胁因素量化方法以及加权因子选择方法有待进一步研究和完善。

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(责任编辑: 杨力军)

Modeling and Simulation for Evaluation of Multiple-Target Threat Against Torpedo

YANG Xiang-fengYANG Yun-chuanZHANG KuiSHI Lei

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

One of the most important countermeasures taken by a submarine against a torpedo is using equipments of acoustic countermeasure to decoy or interfere with the torpedo. The submarine and the equipments of acoustic countermeasure coexist in special time and location, exhibiting multiple targets for the torpedo. So the torpedo must evaluate and choose the most threatening target to assure the operational efficiency. In this paper, the threat factors of the multiple targets and their effect on the threat evaluation are analyzed. A quantification method of the threat factors is proposed, and an evaluation model of multiple-target threat for torpedo is established for torpedo selective attack on multiple targets.

torpedo; multiple-target threat evaluation; target threat factor

TJ630.34

A

1673-1948(2014)05-0337-04

2014-07-10;

2014-08-14.

杨向锋(1978-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为水声信号与信息处理、水下目标识别、跟踪及水声反对抗.