水面舰艇反鱼雷鱼雷拦截策略研究

孙振新, 顾天军

水面舰艇反鱼雷鱼雷拦截策略研究

孙振新, 顾天军

(江苏自动化研究所, 江苏 连云港, 222061)

随着鱼雷智能化水平不断提高, 反鱼雷鱼雷(ATT)作为对抗来袭鱼雷的硬杀伤武器已成为各国研究的重点, 而拦截策略直接影响ATT的拦截概率。对此, 文中首先建立了ATT概略位置拦截、迎面拦截、直接拦截和当前位置拦截4种模型, 将水面舰艇防御来袭鱼雷过程分为远距离段防御、中距离段防御、近距离段防御和近界段防御4个过程, 通过对不同态势下ATT拦截概率的仿真计算得出不同距离段ATT最优拦截方式, 并提出水面舰艇防御来袭鱼雷的最优拦截策略。文中研究可为改善水面舰艇的海上生存能力提供参考。

反鱼雷鱼雷; 拦截概率; 拦截策略

0 引言

随着现代鱼雷在水面、空中和水下的广泛应用, 其对目标的隐蔽搜索、探测和攻击能力大大提高, 迫使水面舰艇采用更多的方式对其进行防御[1]。同时, 在目标提取和判断技术方面, 现代鱼雷已经能够有效识别假目标、声诱饵和声对抗器材等“软对抗”器材。反鱼雷鱼雷(anti-torpedo tor- pedo, ATT)作为一种新型“硬杀伤”武器, 具有主动搜索和精确制导的特点, 相比于拦截弹、深弹等“硬杀伤”武器, 高毁伤概率使其成为各军事强国研究的重点。

“综合即创造”是现代科技创新发展的主要趋势之一。水面舰艇综合防御鱼雷技术不仅要通过合理规划软杀伤、硬杀伤以及规避机动等多种对抗形式, 建立全方位、多层次、多手段的综合防御鱼雷一体化作战机制, 而且要研究不同态势下ATT最优拦截策略, 最大限度地缩短反应时间、提高打击精度和防御效能[2]。

基于此, 文中探讨了ATT 4种拦截方式的拦截弹道及适用态势, 通过对不同态势下ATT拦截概率的仿真计算, 得出不同距离段ATT最优拦截方式, 从而提出水面舰艇防御来袭鱼雷的最优拦截策略。

1 模型建立

1.1 直接拦截模型

直接拦截是通过解算来袭鱼雷的速度、航向及方位得到其攻击弹道, 并在解算出来袭鱼雷攻击弹道后, 利用解三角形原理, 求解ATT诸元参数, 设定ATT拦截弹道, 使其出现在目标未来航路相遇点附近, 利用ATT自导搜索系统, 捕获来袭鱼雷[3], 攻击过程如图1所示。

图1 ATT直接拦截攻击过程示意图

假定来袭鱼雷报警位置在点, 以固定提前角方式朝本舰攻击, 舰艇火控系统解算出射击诸元后, ATT按照设定弹道直接拦截来袭目标, 有利提前角为, 通过一段直线航行, 在来袭鱼雷未来航路点位置与目标相遇, 简化的拦截弹道如图2所示, ATT拦截来袭鱼雷仿真如图3所示。图中:V为舰艇航速;V为来袭鱼雷航速;V为ATT航速;为舰艇航速和来袭鱼雷速度比;1为目标初始方位;2为相遇点目标方位;1为目标初始距离;2为相遇时雷舰距离。

图2 ATT直接拦截弹道示意图

图3 ATT直接拦截来袭鱼雷仿真示意图

相应数学模型

1.2 迎面拦截模型

迎面拦截是在解算来袭鱼雷攻击弹道后, 得到ATT直航距离和转角参数。ATT入水直航一段距离后, 通过转向使其沿着来袭鱼雷相反的方向航行, 进而实施拦截, 攻击过程如图4所示。简化的拦截弹道如图5所示, 拦截来袭鱼雷仿真示意图见图6。相应数学模型如下。

1) ATT直航弹道

式中: Va为ATT航速; Ca为ATT的航向。

图5 ATT迎面拦截弹道示意图

图6 ATT迎面拦截来袭鱼雷仿真示意图

2) ATT的旋回弹道模型[4-5]

旋回搜索过程中ATT的航向

式中: 顺时针取负, 逆时针取正;C(t)为ATT初始旋回航向;ω为ATT的旋回角速度。

3) ATT旋回后的弹道模型

式中,为转角, 其与目标方位1、目标距离1及目标航向C有关。

1.3 当前位置拦截模型

当前位置拦截属于应急拦截, 当目标距离较近, 来不及解算目标航速航向时, ATT可通过一次转角后直接朝着目标的当前位置进行搜索, 攻击过程如图7所示。

图7 ATT当前位置拦截攻击过程示意图

设水面舰艇在点, 以速度V和航向C运动, 目标当前位置在点, ATT旋回半径为r, 声呐探测到来袭鱼雷方位1、雷舰距离为1。考虑到发射装置与舰艇位置关系(夹角π/4), ATT发射入水后, 转过角度, 朝来袭鱼雷点位置沿着方向进行搜索, 拦截弹道如图8所示。

相应数学模型

1.4 概略位置拦截模型

概略位置拦截弹道是在仅知道目标方位信息情况下, 利用四方位法[6]解算出来袭鱼雷概略航向航速, 预估来袭鱼雷的弹道, 进而实施概略拦截, 概略拦截弹道如图9所示。

设水面舰艇在点, 以速度V、航向C运动。声呐被动探测情况下, 在点发现来袭鱼雷在点, 方位为, 概略航向C,连线与来袭鱼雷方位线的夹角为。当声呐探测到来袭鱼雷目标时, 来袭鱼雷可能发现本舰, 也可能没有发现本舰。如果已经发现本舰, 则其航向通常是指向本舰的, 即方向; 如果没有发现本舰, 则其航向是原正常的搜索航向, 即沿概略航向C方向搜索。因此来袭鱼雷的实际航向可能分布在和C区间内的任意一个方向。

图8 ATT当前位置拦截弹道示意图

图9 ATT概略位置拦截弹道示意图

按照概略航向及概略速度可算出ATT的发射提前角

式中:为ATT的发射提前角;V为ATT的航速;V为来袭鱼雷的概略速度。

因此, 在不能得到更多目标信息态势下, ATT的攻击航向可取连线与本舰航向C区间的中间值。依据以上拦截模型可得到4种拦截方式下的拦截方案。

1) 直接拦截方案

ATT采用直航搜索的拦截弹道, 利用解相遇原理, 减少了攻击距离, 缩短了拦截时间。作为该方案具备高效能的重要前提, 其首先要解算出目标精确航路和运动要素, 因此该方案一般是在声呐主动探测工况或者声呐主被动联合探测工况下使用, 属于精确拦截。

2) 迎面拦截方案

该方案是在发射ATT以后, 通过ATT转角使其旋回到来袭鱼雷的攻击航向上, 开启自导, 沿目标弹道的逆航向上进行搜索。其适用于已知来袭目标距离、方位及航向信息, 也属于精确拦截, 同样对目标运动要素解算精度要求很高, 需要在声呐的主动探测工况下使用。

3) 当前位置拦截方案

该方案属于近界应急拦截, 由于系统没有足够的反应时间解算目标的运动参数, 拦截效能取决于ATT的自导性能, ATT入水后, 朝着目标当前位置攻击, 依靠自身的搜索系统捕获毁伤目标, 适应于近界应急防御态势。

4) 概略位置拦截

该方案属于远距离拦截, 此时舰艇声呐处于被动探测工况下, 不能获取目标的速度、距离及航向等信息, 只能得到目标的方位信息, 由于获得的目标信息少且精度不高, 因此该方案拦截效能不高, 往往配合舰艇机动规避来保证舰艇的安全。

2 拦截策略研究

现代鱼雷武器攻击速度更快、隐蔽性更强, 同时鱼雷导引方式也趋于多样化: 声自导和线导相结合、尾流自导和线导相结合, 加之在目标识别、推进控制系统等技术领域的不断深入, 在短时间内识别来袭鱼雷的制导类型较为困难[7], 可将防御区段分为远距离段、中距离段、近距离段及近界段, 由单一层次向远中近多层次防御发展。

1) 远距离区段

在距舰艇距离7~5 km的范围内, 本舰声呐采用被动探测方式, 且此时来袭鱼雷还处于直航段, 未进入自导段, 此种态势只能选择概略位置方案, 并配合机动完成防御。

2) 中距离段

在距舰艇距离5~3 km的范围内, 本舰声呐可以对来袭鱼雷进行报警和探测, 并获得目标的距离、方位、航速及航向, 但目标运动要素解算误差较大。此区段可采用迎面拦截方案, 该方案对速度的解算精度要求不高, 为获得较好的拦截效能, 可考虑双雷迎面齐射, 增大ATT自导搜索覆盖范围, 提高对目标的发现概率。

3) 近距离段

在距舰艇距离3~1 km的范围内, 来袭鱼雷已经进入自导搜索段, 本舰声呐采用主动探测方式, 可获得精确的目标速度、航向、方位和距离等信息, 目标运动要素解算精度较高。可选择直接拦截, 缩短攻击时间, 也可选择迎面拦截, 两者都有较高的拦截效能, 可实现对目标的精确拦截, 此区域段为ATT拦截目标的主要区段。

4) 近界段

在距舰艇距离1 km~500 m的范围内, 此时来袭鱼雷朝着本舰攻击, 由于报警距离较近, 靠本舰机动已无法摆脱目标的追踪, 且来不及解算目标的运动要素, 只能采用当前位置方案进行应急拦截, 依靠ATT自身的自导性能拦截目标, 同时可配合拖曳式声诱饵诱骗综合防御。

3 仿真验证与分析

3.1 捕获鱼雷条件

ATT采用扇面检测法进行主动搜索, 即在ATT搜索过程中, 只有目标进入了ATT的自导搜索扇面内, 才能发现目标, 进而去捕获目标。因此, 目标和ATT之间的相对距离和相对方位必须满足一定的约束条件。

ATT与来袭鱼雷的相对距离

来袭鱼雷的相对方位[8]

式中:为ATT的横坐标;为ATT的纵坐标;为来袭鱼雷的横坐标;为来袭鱼雷的纵坐标。

ATT最大搜索航距为, 搜索扇面半径为, 自导扇面角为时, 需同时满足[9]

当同时满足上述3个条件时, 可判定来袭鱼雷进入了ATT的搜索范围, ATT开启自导, 直至捕获目标。

3.2 仿真验证

仿真条件如下:

1) 系统反应时间: 非应急拦截(远距离段、中距离段、近距离段)反应时间取18 s(声呐稳定跟踪6个点, 周期3 s), 应急拦截(近界段)反应时间取3 s;

2) 来袭鱼雷制导类型: 声自导鱼雷;

3) 来袭鱼雷攻击方式: 固定提前角10°;

4) 误差水平: 设为目标距离, 声呐主动工况下, 测向误差2°, 测距误差2%+50 m, 测速误差1 kn; 声呐被动工况下, 测向误差10°, 测距误差20+100 m, 测速误差2 kn;

5) ATT运动参数: 自导作用距离800 m, 自导搜索扇面角90°, 转角角速度50°/s, ATT转角延迟500 ms。

仿真结果如图10~图14所示。

远距离段采用概略位置拦截, 从仿真结果来看, 发现概率不高, 主要因为声呐探测精度较低, 能获取的目标信息较少, 当然此区域段来袭鱼雷一般处于直航段, 这时本舰还未进入来袭鱼雷的自导搜索范围, 可利用概略位置拦截进行初步防御, 同时也为舰艇向安全区域机动规避提供参考。

中距离段声呐探测处于被动工况下, 选择迎面拦截, 通过仿真结果可得, 单射/齐射迎面拦截情况下, 发现概率随着报警距离增加不断提高, 报警距离在3500 m时, 迎面齐射拦截对目标的发现概率达80%左右, 整个区域齐射条件下, 对目标的发现概率比单射拦截时提高15%左右; 另外, 该区域系统有充足的反应时间实施防御拦截, 因此该距离段优先选择迎面齐射拦截。

图10 远距离段概略位置拦截仿真结果

图11 中距离段单/齐射迎面拦截仿真结果

图12 近距离段单/齐射拦截仿真结果

图13 近界段当前位置拦截仿真结果

图14 发现概率随报警距离变化曲线

近距离声呐探测处于主动工况下, 能获取全面的目标信息且目标运动要素解算精度较高, 拦截方式可选择单/齐射迎面拦截、单/齐射直接拦截, 通过仿真结果可得, 2种拦截方式单射情况下对目标的发现概率都可达85%以上, 目标报警距离小于2 km时, 对目标发现概率达90%以上, 且齐射对目标的发现概率提高不明显, 因此该距离段优先选择单射。考虑到该区域本舰很可能已经在来袭鱼雷自导搜索扇面内, 攻击时间窗口进一步缩短, 相比迎面拦截, 直接拦截方式具有更短攻击时间, 因此目标处在3~2 km范围内优先选择迎面单射拦截; 目标处在2~1 km范围内, 优先选择单射直接拦截方式。

近界段本舰已经落入来袭鱼雷自导搜索范围内, 且目标朝着本舰攻击, 距离在1 km以内, 本舰既不能通过机动摆脱目标的攻击, 又来不及解算目标运动要素, 因此该区域适合采用当前位置拦截, 属于应急拦截方式。考虑到ATT自导性能, 在ATT入水开启自导后, 目标基本上都落在ATT的自导搜索范围内, 对目标的发现概率可达98%左右, 从舰艇的安全角度考虑, 毁伤来袭鱼雷也会影响到本舰安全, 因此应可能在1 km以外范围内拦截来袭鱼雷。

通过仿真结果可得如下结论。

1) 远距离(7~5 km): 采用概略位置拦截ATT对来袭鱼雷发现概率不高, 但此态势下, 目标对舰艇的威胁还不大, 配合舰艇机动, 降低舰艇进入来袭鱼雷自导搜索范围的概率。

2) 中距离(5~3 km): 应优先选择齐射迎面拦截方式, 相比于单射, 齐射方式对目标的平均发现概率可提高15%左右。

3) 近距离段(3~1 km): 可选择直接拦截或迎面拦截单射方式, 对目标发现概率可达90%以上, 齐射方式下对目标发现概率改善不明显。

4) 近界段(1 km~500 m): 采用当前位置拦截方式, 目标几乎都落在自导搜索扇面内, 平均发现概率可达98%左右。

对鱼雷目标不同距离段下, 对应的优先拦截策略如图15所示。

图15 不同距离段对应的最优拦截策略

4 结束语

文中基于ATT作战效能对水面舰艇多层次防御策略进行了研究, 根据来袭鱼雷的报警距离, 在远距离段、中距离段、近距离段及近界段4个区域中, 结合每个区域的作战态势和4种方案的适用条件, 通过仿真验证及定性分析, 得出各区域段的最优拦截策略; 并对ATT常用的4种拦截方式进行了归纳总结, 建立了系统作战使用模型。文中的仿真是建立在来袭鱼雷采用固定提前角攻击水面舰艇的基础上进行, 同时没有考虑来袭鱼雷的制导类型(不同制导类型的来袭鱼雷对应的拦截策略也会不同), 在今后的作战研究中应结合来袭鱼雷的制导类型, 制定更加精确有效的拦截策略。

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Research on Anti-Torpedo Torpedo Interception Strategy of Surface Ship

SUN Zhen-xin, GU Tian-jun

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061,China)

As the capability of torpedo intelligence continues to improve, anti-torpedo torpedoes (ATTs) have become a major research focus in many countries, where the interception strategy directly affects ATT interception probabilities. In this study, four ATT models of rough-position, head-on, direct and current-location interception are established to defend against incoming torpedoes. The defense strategy is divided into four processes: long-range, medium-range, close-range, and near-boundary. Based on a simulation of the ATT interception probability under different situations, an optimal interception method of the ATT at different ranges is then obtained, and an optimal interception strategy for surface ships to defend against incoming torpedoes is proposed, thus providing a significant means of improving survivability of surface ships.

anti-torpedo torpedo; interception probability; interception strategy

TJ630.2; E833

A

2096-3920(2020)06-0699-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.016

2020-06-17;

2020-07-15.

孙振新(1965-), 硕士, 研究员, 主要研究方向为水面舰艇火控系统.

孙振新, 顾天军. 水面舰艇反鱼雷鱼雷拦截策略研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(6): 699-705.

(责任编辑: 杨力军)