一种火箭助飞鱼雷攻潜末弹道被动定位方法

朱 峰, 刘松海, 苏 军



一种火箭助飞鱼雷攻潜末弹道被动定位方法

朱 峰, 刘松海, 苏 军

(中国人民解放军 91388部队, 广东 湛江, 524022)

为了有效测量火箭助飞鱼雷攻击潜艇的末弹道轨迹, 文中提出了一种基于艇载舷侧阵的被动定位方法, 介绍了测量系统的组成和功能, 提出了目标的被动定位算法, 并在测量区域内对误差进行仿真, 得到绝对误差和相对误差分布图。仿真结果表明, 在测角误差最大为0.3°的条件下, 采用该方法, 在艇正横±60°, 距离目标65 m区域内, 能达到1%斜距的测量精度。文中研究可为末弹道被动测量系统的总体设计及测量数据处理提供参考。

火箭助飞鱼雷; 末弹道; 被动定位

引言

在鱼雷定型试验中, 常常采用末弹道设备对鱼雷攻潜末端轨迹及命中角进行测量[1-2]。以往的末弹道设备为主动测量系统, 即在鱼雷上加装合作信标(即3D段)[3], 在潜艇两侧加装接收阵元,采用非线性解法[4]对目标进行测量。

随着鱼雷技术的发展, 鱼雷的发射方式除了传统的水面舰发射和直升机空投外, 还增加了火箭助飞方式[5]。火箭助飞发射方式对鱼雷的长度、质量和重心等都有严格的要求, 在鱼雷上加装3D段已不具备可操性。为考核该种发射方式下鱼雷攻击潜艇的性能, 需研究新的被动定位方式。文中主要研究利用鱼雷航行噪声测量鱼雷攻潜末弹道的方法, 给出艇载测量系统组成和定位算法, 以及定位精度的分析仿真。

1 艇载测量系统设计

在艇载被动测量系统中, 传统的方法是三元阵被动测距法(时差法)[6-7], 这种方法一般假定目标在远场, 且接收的声波近似为平面波。但在鱼雷攻击潜艇过程中, 鱼雷距离目标潜艇越来越近(百米量级), 此时鱼雷辐射噪声到达3个阵的相关性因蝴蝶形指向性已大大减弱, 不适合再采用宽带互相关进行时延差测量。近年来, 随着线列阵技术的发展, 可采用聚焦波束形成、分裂波束形成等方法实现目标近距离高精度测向[8-9]。测量系统通过线列阵测得目标方位的信息, 2个方位交汇即可得到目标的距离及相对轨迹[10]。

该系统在艇外需安装4个测量子阵和2个标校声源。4个测量子阵分别位于艇左右两舷, 间距50 m, 用于接收鱼雷辐射噪声。每个测量子阵内包含16个接收水听器, 每个水听器间隔0.05 m,子阵总长约1 m, 测量子阵内构造如图1所示, 黑色部分为接收水听器。2个标校声源位于舰桥前后5 m, 用于对子阵相对位置进行校对。安装示意图如图2所示。在考核鱼雷攻击潜艇性能试验中, 鱼雷和潜艇一般航行在不同的深度, 以确保试验安全。当鱼雷从潜艇下方通过时, 为减少测量系统的测量盲区, 基阵的安装位置可选择舷侧的排水孔等位置。

信号处理系统(见图3)分为舱外信号处理机和舱内信号处理机。舱外信号处理机通过光纤复合缆接收测量子阵测得的信号, 并对信号做滤波、放大、整合处理。信号经一条穿舱光纤复合缆传输到舱内信号处理机。舱内信号处理机完成常规波束形成、分裂波束形成、定位解算等信号处理算法, 并将处理结果传输到综合显控系统做实时分析。

2 定位算法

该系统采用方位法被动测距原理进行目标距离测量。方位法利用间距相当长的2个子阵进行距离测量, 子阵本身具有一定的指向性, 可获得好的空间处理增益。方位法被动测距原理示意图如图4所示。

求得目标距离后, 可进一步根据几何关系求出目标在潜艇坐标系下的坐标为

3 定位误差仿真分析

3.1 仿真模型建立

潜艇位于测量区域中心位置, 潜艇正横方向与=0直线重合, 艇首艇尾方向与=0直线重合, 目标位于以潜艇为中心±150 m的测量区域内。仿真态势如图5所示。辐射噪声满足远场条件时, 单个测量子阵通过波束形成算法直接得到目标的角度信息, 2个测量子阵通过式(2)和式(3)可以得到目标位置。

3.2 远场条件判断

在水声学中满足远场通常需满足2个条件: 1) 大于信号的10倍波长; 2) 大于声源尺寸的10倍。

该系统接收带宽为2~15 k, 取最大波长, 当满足远场条件时, 距离需大于7.5 m。目标螺旋桨尺寸约为0.5 m, 当满足远场条件时, 距离需大于5 m。综上所述, 当目标距测量子阵距离大于7.5 m时即满足远场条件, 不满足远场条件的测量点视为无效。

3.3 定位误差仿真

由式(2)和式(3)可以得出, 影响定位精度的主要因素包括姿态测量误差、方位角测量误差和子阵距离误差。考虑到鱼雷攻潜试验中, 潜艇一般采用定深且固定航向方式航行, 因此文中不讨论姿态测量误差带来的影响。

假设子阵距离最大误差0.05 m, 测向精度0.3º。在潜艇中心±150 m的测量区域内, 每隔2 m取分析点, 以均匀分布仿真30 000次取平均。则距潜艇150 m以内的测距精度分布如图6和图7所示。图中以颜色的深浅表示误差大小, 颜色越深, 误差越大, 颜色越浅, 误差越小。

由图6可以看出, 在艇正横±60º、140 m区域内, 绝对误差小于3 m; 在艇正横±60º、85 m区域内, 绝对误差小于1 m。

由图7可以看出, 在艇正横±60º、150 m区域内, 能达到3%斜距的测量精度; 在艇正横±60º、65 m椭圆形区域内, 能达到1%斜距的测量精度。

4 结束语

文中介绍了艇载末弹道被动测量系统的组成及定位算法, 并对距艇±150 m的区域内进行误差仿真。由仿真的绝对误差、相对误差分布图可以看出, 在艇正横±60º、150 m区域内, 能达到3%斜距的测量精度; 在艇正横±60º、65 m区域内, 能达到1%斜距的测量精度。提高测向精度是提高该系统测量精度的研究方向。文中讨论的方法可为末弹道被动测量系统的总体设计及测量数据处理提供参考。

[1] 刘松海, 孙向前, 岳剑平. 智能鱼雷攻潜部位及攻击角测量方法与误差分析[J]. 舰船科学技术, 2012, 34(4): 79-88.

Liu Song-hai, Sun Xiang-qian, Yue Jian-ping.The Measuring Method and Error Analysis of Intelligent Torpedo¢s Attack Point and Attack Angle of Submarine Target[J].Ship Science and Technology, 2012, 34(4): 79-88.

[2] 聂卫东, 高智勇, 刘艳波. 轻型反潜鱼雷最优垂直命中末弹道设计[J]. 鱼雷技术, 2012, 20(1): 1-8.

Nie Wei-dong, Gao Zhi-yong, Liu Yan-bo. Optimization Design of Perpendicular Hit Terminal Trajectory for Lightweight Antisubmarine Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(1): 1-8.

[3] 徐宗利, 刘春跃, 辛延福, 等. 鱼雷三维测试操雷段通用规范: GJB1994-94[S]. 北京: 国际科学技术产业委员会, 1994.

[4] 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, 11(4): 34-38.

Yang Zhi-quan, Liu Song-hai, Wang Xue-wen. Terminal Trajectory-Measuring Algorithm and Error Simulation for Submarine Target of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(4): 34-38.

[5] 曹小娟, 王崇伟. 火箭助飞鱼雷关键技术研究[J]. 鱼雷技术, 2000, 8(4): 6-8.

Cao Xiao-juan, Wang Chong-wei.Research on Key Technologies of Rocket Assisted Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2000, 8(8): 6-8.

[6] 李启虎. 进入21世纪的声纳技术[J]. 物理, 2006, 35(5) : 402-403.

Li Qi-hu. Sonar Technology of 21st Century[J]. Physics, 2006, 35(5): 402-403.

[7] 周伟, 惠俊英, 梅继丹, 等. 三元阵被动测距浅海试验及后置处理[J]. 声学学报, 2009, 34(3): 217-222.

Zhou Wei, Hui Jun-ying, Mei Ji-dan, et al. Experiment of Passive Ranging for Three-sensor Array in Shallow Sea and Post Processing[J].Acta Acustica, 2009, 34(3): 217-222.

[8] 钱韬. 线阵分裂波束处理技术在水声探测中的应用[J]. 声学技术, 2015, 34(6): 551-555.

Qian Tao. Application of Split-beam Processing of Line Array in Underwater Acoustic Detection[J]. Technical Acoustics, 2015, 34(6): 551-555.

[9] 许江平. 宽带线列阵及数据处理方法研究[J]. 声学技术, 2011, 30(3): 119-121.

Xu Jiang-Ping.Research for Broad Band Line Array and Data Processing Method[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 119-121.

[10] 秦洪峰. 水下多目标定位关键技术研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2002.

(责任编辑: 许 妍)

A Passive Positioning Method of Attacking Submarine Terminal Trajectory of Rocket-assisted Torpedo

ZHU Feng, LIU Song-hai, SU Jun

(91388thUnit, the People¢s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To effectively measure the terminal trajectory of a rocket-assisted torpedo attacking submarine, a passive positioning method based on the broadside array of submarine is presented. The composition and function of the measurement system are introduced, the target passive positioning algorithm is proposed, and the error in the measurement area is simulate to obtain the absolute and relative errors distribution map. Simulation shows that under the maximum angle measurement error of 0.3°, the measuring accuracy reaches 1% oblique distance in the range of submarine transverse angle ± 60° and in the area of target distance 65 m. This method may provide a reference for the overall design and measurement data processing of the passive terminal trajectory measurement system.

rocket-assisted torpedo; terminal trajectory; passive positioning

TJ630.2; TB566

A

2096-3920(2018)01-0085-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.014

朱峰, 刘松海, 苏军. 一种火箭助飞鱼雷攻潜末弹道被动定位方法[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(1): 85-88.

2017-07-18;

2017-09-03.

朱 峰(1993-), 男, 助理工程师, 主要研究方向为水声测控.