水声对抗推演及效能评估系统设计与实现∗

齐正云 褚福照

（上海船舶电子设备研究所 上海 201108）

水声对抗推演及效能评估系统设计与实现∗

齐正云 褚福照

（上海船舶电子设备研究所 上海 201108）

通过对参战双方各种攻击及防御装备的运动和声学特性以及海洋环境参数进行数学建模，利用全数字计算机仿真技术建立一个水声对抗推演及效能评估系统，是当前条件下对水声对抗系统进行配置优化、效能评估以及对抗策略研究的有效手段。水声对抗推演及效能评估系统对参战双方（敌方包括敌潜艇和其发射的鱼雷，我方包括水面舰、鱼雷报警声纳和水声对抗器材）以及信道进行数学建模。该系统实现对参战实体参数初始化，实现虚拟舰艇武器配置可视化，可进行水声对抗系统作战全过程仿真，基于声纳方程的声学解算，鱼雷全弹道仿真，对抗双方信息及对抗态势的实时显示，典型对抗过程的记录及重演，采用蒙特卡罗分析方法对水声对抗作战的效能进行分析。

水声对抗；推演；效能评估

1 引言

随着新型舰艇的批量建造和装备部队，我海军已逐步发展成为一支舰种基本齐全、规模较大、具有多兵种能力的海上军事力量。如何按照二十一世纪海战的不同要求，根据各舰种的不同功能进行合理的作战装备配置，以最大限度地发挥作战效能和水平，形成强大的海上战斗力，是各型海上作战平台需要解决的问题［1～3］。

水面舰平台水下作战的使命任务一是要尽早发现敌方潜艇，对其实施攻击；二是要防御敌方潜艇发射的鱼雷攻击，提高平台的自身生存能力。对水面平台的水下作战过程进行仿真和效能评估的目的就是考察在典型战场态势下及不同装备配置方案下水面平台的水下防御作战能力和作战效果。水面舰水声对抗系统对抗器材和装备一般分为三类，一是探测与报警设备，对来袭鱼雷进行探测和报警；二是软杀伤对抗器材，按工作原理分为背景噪声干扰（压制和降低敌方声纳对水面舰的检测性能）和信号干扰（模拟目标信号诱骗敌探测系统）；三是硬杀伤装备直接毁伤鱼雷，使其丧失攻击能力［4～6］。

随着水下武器及防御系统技术的快速发展，影响水下作战效果的因素也越来越多，如水下武器及对抗装备的性能、攻击及对抗时机、对抗与反对抗策略、对抗中双方的机动情况、攻击武器的反对抗能力、水声环境的差异等等。要考察水下作战系统的效能，需要考虑上述各种因素，设计一系列不同条件下的水下作战对抗试验。但要想覆盖所有因素的各种组合情况，在经济上和时间上都是不允许的。因此，通过对参战双方各种攻击及防御装备的运动和声学特性以及海洋环境参数进行数学建模，利用全数字计算机仿真技术建立一个水声对抗推演及效能评估系统，是当前条件下最为经济可靠的研究手段［7～10］。

2 系统设计

2.1 系统功能

水声对抗推演及效能评估系统对水面舰水声对抗作战过程进行仿真，对作战效果进行评估，并可提供态势数据，对水声对抗作战推演过程产生的数据文件进行记录和回放，其主要功能有：

1）水声对抗推演

对水面舰水声对抗系统作战过程中对抗双方数据进行实时分析，进行战场态势实时解算，通过数据和态势图对当期对抗态势进行实时显示，并给出单次仿真结果。

2）数据记录功能

在水声对抗推演仿真过程中，对典型态势数据进行记录，在后续研究中通过回放进行数据分析及研究

3）效能仿真功能

采用Monte-Carlo分析方法对水声对抗作战的效能进行仿真，可对水面平台的水声对抗系统的装备配置、方案、技术指标的合理性进行仿真论证和演示，对系统进行初期效能仿真分析，为系统的研制提供参考依据［11～12］。

4）对抗效果评估功能

对水面平台的水声对抗系统作战性能及对抗效果进行评估分析，为系统的持续改进提供参考依据。

2.2 系统组成

根据水声对抗推演及效能评估系统的设计需求，将其划分为导演台模块、效能评估模块等6个模块。

1）导演台模块

负责整个仿真系统的管理工作，包括时序管理、进程管理、时间推进以及仿真初始化设置等；按照配置方案的参数输入对水声对抗系统进行配置，初始化相应装备性能参数。

2）水面舰模块

模拟水面舰的运动学特性，主要包括直航、加∕减速以及转弯等；按照水面舰的航速、吨位等参数计算当前水面舰的辐射噪声级大小，作为鱼雷被动声自导系统的目标声源；模拟在不同水文条件、不同鱼雷来袭角度时鱼雷报警声纳对来袭鱼雷进行探测报警的过程；模拟对抗器材发射、入水、工作以及结束工作的全过程。

3）潜艇模块

模拟潜艇简单运动学特性；模拟鱼雷对水面舰攻击的全过程。

4）信道模块

负责按照海洋信道参数，基于射线声学计算声在水下传播中的扩展和吸收损失。

5）效能评估模块

效能评估模块在单次仿真结束后，进行仿真初始数据重置，记录单次仿真结果，采用Monte-Carlo分析方法对水声对抗作战效果进行评估。

图1 内部接口示意图

6）推演模块

推演模块接收水面舰模块和潜艇模块的运动学、工作状态等数据，对数据进行实时分析，进行当前战场态势解算，依据对抗态势给出单次对抗结果。对推演过程的态势数据按照一定的格式进行存储；按照设定的仿真节拍，以一定的间隔读取记录的态势数据文件，进行推演过程回放。

3 系统实现

基于上述系统设计的基础上，本系统代码开发是在Windows操作系统、Microsoft Visual Studio开发平台下完成的。对水面舰及其水声对抗系统、敌方潜艇以及鱼雷等进行仿真模拟，考虑影响对抗效果的随机误差，并对作战原则进行合理约束，形成水声对抗推演及效能评估系统。

3.1 系统工作流程

基于系统实现功能，确定系统的基本工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程图

3.2 仿真案例分析

仿真计算之前，先确定仿真条件、初始态势参数、对抗策略和仿真类型。良好水文条件，假设报警声纳报警距离为D公里；敌潜艇距离水面舰初始距离为M公里，发射鱼雷对水面舰实施攻击；水面舰在声纳报警之前匀速直航，当声纳报警后水面舰发射水声对抗器材4枚并进行变速转弯规避；典型情况下运动态势如图3所示。

图3 运动态势图

图3为俯视图，没有体现目标运动过程中深度的变化。其中：1表示水面舰的运动轨迹线。图示的为某种规避策略下转弯规避的情况。2表示敌方鱼雷的攻击过程轨迹线。3表示潜艇的运动轨迹线。A、B、C、D表示投放的四个器材落点的位置。

水面舰所携带的鱼雷报警声纳报警后，投放了4枚水声对抗器材并进行转弯规避，当水面舰转到一定规避角度后开始加速直航。敌方线导系统受到对抗器材干扰后转由声自导控制鱼雷对目标进行跟踪，鱼雷受器材D诱骗，对其进行攻击，在丢失目标再搜索过程中被器材C诱骗，此时，鱼雷陷入器材C和器材D的诱骗之中。以上运动态势为典型水声对抗过程，符合海事试验的实验结果。

当仿真类型为效能评估时，统计仿真结果并给出当次对抗结果，对抗效果分析结果显示如下图所示。

图4 效能分析结果

4 结语

依据水面舰水声对抗系统推演及效能评估的任务、使命和功能，选择相应的评估指标，建立水声对抗推演及效能评估系统。本文所述的水声对抗推演及效能评估系统承担典型水下作战态势下，水面舰水声对抗作战过程推演和作战效能评估的任务，可提供作战过程中各对抗实体的实时态势数据供研究使用，并可记录典型推演过程数据实现典型推演过程的回放。

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Design and Implementation of Effectiveness Evaluation System for Underwater Acoustic Warfare

Qi Zhengyun CHU Fuzhao
（Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute，Shanghai 201108）

Mathematical modeling for the movement and acoustics characteristic of attack and defense equipment，which can build effectiveness evaluation system for underwater defense，this method is a valid measure for configuration optimization and strategies research in current condition to underwater defense.The evaluation system for underwater defense builds mathematical model of underwater acoustic channel and campaigns，including submarine and torpedo，surface ship，sonar and acoustic countermeasure equipments.The system can initialize parameter of the entities in each side，weapon scheme of the ship visual and simulate the whole process with the torpedo trajectory of underwater defense.Through typical state derivation，building state data and recording the data，which can be used to replay.Based on the sonar equation the information and state are displayed，combining the Monte-Carlo method，which can be used to effectiveness evaluation.

underwater acoustic warfare，deduction，effectiveness evaluation

TP391.9

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.023

Class Number TP391.9

2017年4月10日，

2017年5月30日

齐正云，女，硕士，工程师，研究方向：水声对抗系统仿真研究。褚福照，男，博士，高级工程师，研究方向：阵列信号处理及水声对抗系统仿真。