趙艾奇, 王 戈, 孫 建, 高 天, 姜麗偉
基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法
趙艾奇1, 王 戈2, 孫 建1, 高 天1, 姜麗偉1
(1. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094; 2. 海軍駐北京地區(qū)武備配套軍代室, 北京, 100094)
在對(duì)火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)特點(diǎn)和水下彈道特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上, 提出了一種對(duì)目標(biāo)當(dāng)前位置射擊方法的改進(jìn)和優(yōu)化方法, 通過對(duì)目標(biāo)舷別的判斷來確定戰(zhàn)斗載荷水下搜索方式和落點(diǎn)偏移瞄準(zhǔn)量, 進(jìn)而確定魚雷射擊參數(shù)。建立了單雷射擊模型和雙雷齊射射擊數(shù)學(xué)模型, 運(yùn)用該方法進(jìn)行了反潛作戰(zhàn)效能仿真分析, 結(jié)果表明, 該方法可以有效提高火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)效能, 特別是打擊遠(yuǎn)距離高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)的效果, 該方法為火箭助飛魚雷作戰(zhàn)使用提供了決策支持和理論參考。
火箭助飛魚雷; 目標(biāo)舷別; 射擊方法; 作戰(zhàn)效能
火箭助飛魚雷(也稱反潛導(dǎo)彈)作為一種中遠(yuǎn)程反潛武器, 具有打擊速度快、攻擊距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。目前各主要國(guó)家海軍均裝備了火箭助飛魚雷, 廣泛應(yīng)用于水面艦艇中遠(yuǎn)程快速反潛。火箭助飛魚雷可以視為導(dǎo)彈和魚雷的結(jié)合體, 其射擊方法與這2種武器的射擊方法相比, 有可借鑒之處, 但又有所不同。在對(duì)抗條件下, 一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就實(shí)施快速對(duì)潛打擊, 取得對(duì)抗優(yōu)勢(shì)或先手的重要性日益凸顯, 因此有必要開展火箭助飛魚雷射擊方法研究, 從而有效支撐作戰(zhàn)使用研究和指揮決策。
火箭助飛魚雷的射擊方法主要分為3種: 目標(biāo)提前位置射擊方法(也稱前置點(diǎn)射擊方法)、目標(biāo)概略位置射擊方法、目標(biāo)當(dāng)前位置射擊方法(也稱現(xiàn)在點(diǎn)射擊方法)[1-2]。
目前, 基于目標(biāo)提前位置射擊方法的相關(guān)研究[3-6], 無論是否進(jìn)行了提前角修正, 其本質(zhì)仍然是通過解算相遇點(diǎn)進(jìn)行對(duì)目標(biāo)的精確打擊。對(duì)目標(biāo)精確打擊的前提是對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的準(zhǔn)確分析, 這需要對(duì)目標(biāo)位置信息采用濾波、平滑算法解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素, 進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素和位置信息計(jì)算火箭助飛魚雷射擊諸元。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在目標(biāo)保持等速直航的條件下, 反潛作戰(zhàn)效能較高; 缺點(diǎn)是濾波算法決定了需要連續(xù)的多個(gè)目標(biāo)信息才能收斂, 從而精確解算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素, 由于聲吶系統(tǒng)主動(dòng)探測(cè)周期長(zhǎng), 這往往需要數(shù)分鐘的時(shí)間。在實(shí)際作戰(zhàn)過程中, 由于目標(biāo)潛艇檢測(cè)到水面艦艇聲吶發(fā)射的探測(cè)聲波后, 往往采取變向變速機(jī)動(dòng)規(guī)避措施, 導(dǎo)致水面艦聲吶系統(tǒng)丟失目標(biāo)。這種情況會(huì)造成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算精度大幅度下降, 甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離目標(biāo)實(shí)際位置, 進(jìn)而導(dǎo)致射擊失準(zhǔn)。因此在實(shí)際作戰(zhàn)過程中提前點(diǎn)射擊方法效果不理想。
目標(biāo)概略位置射擊方法是在解算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的基礎(chǔ)上, 根據(jù)分析認(rèn)為在反潛武器發(fā)射后目標(biāo)潛艇會(huì)采取機(jī)動(dòng)措施偏離其初始航向, 因此通過采取一定的提前量對(duì)目標(biāo)可能區(qū)域進(jìn)行射擊, 該提前角是一個(gè)固定值或者解算提前角的加權(quán)值(加權(quán)系數(shù)小于1, 一般是通過仿真試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值)[1, 6-8]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不再假定目標(biāo)勻速直航, 對(duì)實(shí)際作戰(zhàn)適應(yīng)性相對(duì)提前點(diǎn)射擊方法效果更好; 其缺點(diǎn)與提前點(diǎn)射擊方法相同, 仍然依賴于艦載聲吶系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)跟蹤。當(dāng)然, 在對(duì)解算精度要求降低的前提下, 可以縮短一定的聲吶系統(tǒng)連續(xù)跟蹤時(shí)間, 這種情況也稱為對(duì)目標(biāo)可能區(qū)域射擊方法[7]。
采用現(xiàn)在點(diǎn)射擊方法是另一種攻擊方式, 即發(fā)射武器打擊傳感器當(dāng)前探測(cè)到的目標(biāo)位置, 該射擊方法不進(jìn)行任何解算, 僅進(jìn)行方位距離的換算[1,7-8]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要長(zhǎng)時(shí)間對(duì)目標(biāo)跟蹤, 發(fā)射反應(yīng)時(shí)間短; 缺點(diǎn)是由于沒有對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)分析, 對(duì)遠(yuǎn)距離高速潛艇目標(biāo)的作戰(zhàn)效能不高。
火箭助飛魚雷具有接敵速度快的技術(shù)特點(diǎn), 而且所打擊目標(biāo)距離較遠(yuǎn), 難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定跟蹤, 適合采用現(xiàn)在點(diǎn)射擊方法。通過仿真分析發(fā)現(xiàn), 其對(duì)遠(yuǎn)程高速水下目標(biāo)的打擊效果會(huì)明顯下降, 原因是對(duì)于遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)的水下目標(biāo), 當(dāng)火箭助飛魚雷飛行到達(dá)原定目標(biāo)位置時(shí), 潛艇的運(yùn)動(dòng)距離已超出了魚雷水下自導(dǎo)搜索范圍, 尤其是在一部分?jǐn)诚辖欠秶鷥?nèi)會(huì)出現(xiàn)作戰(zhàn)效能明顯下降。因此, 如何通過改進(jìn)火箭助飛魚雷射擊方法, 從而提高打擊遠(yuǎn)距離高速水下目標(biāo)的作戰(zhàn)效能是一項(xiàng)亟待解決的問題。
火箭助飛魚雷的射擊方法與其全彈道特性密切相關(guān), 全彈道包括空中飛行彈道和水下彈道,作為一種反潛武器, 其水下彈道與射擊方法的匹配性與作戰(zhàn)效能尤為密切。
隨著潛艇的隱蔽性逐步提高, 對(duì)潛探測(cè)難度越來越大。而且為了保證提供火箭助飛魚雷攻擊所需的目標(biāo)位置信息, 需采用主動(dòng)聲吶對(duì)潛探測(cè), 潛艇在接收到聲吶主動(dòng)探測(cè)信號(hào)后, 往往會(huì)采取機(jī)動(dòng)等戰(zhàn)術(shù)規(guī)避手段。此外, 由于火箭助飛魚雷攻擊遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí), 本艦聲吶無法探測(cè)到目標(biāo), 一般采用反潛直升機(jī)等編隊(duì)探測(cè)平臺(tái)作為目標(biāo)指示來源, 由于反潛直升機(jī)懸停探測(cè)時(shí)間有限, 難以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)跟蹤探測(cè), 同時(shí)跨平臺(tái)協(xié)同指揮組織難度大。
文中所討論的火箭助飛魚雷特征假定如下: 戰(zhàn)斗載荷入水結(jié)束后即轉(zhuǎn)入搜索彈道, 水下自導(dǎo)體制為主動(dòng)聲自導(dǎo), 水下搜索彈道為環(huán)行彈道。
通過艦外平臺(tái)傳感器獲得遠(yuǎn)距離水下目標(biāo)的位置信息后, 本艦指揮控制系統(tǒng)將艦外平臺(tái)所發(fā)送的目標(biāo)絕對(duì)坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度)通過坐標(biāo)系變換, 轉(zhuǎn)換為以本艦為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系相對(duì)坐標(biāo)(方位、距離), 并將轉(zhuǎn)換過的目標(biāo)信息持續(xù)傳送至反潛武器系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)坐標(biāo)為
反潛武器系統(tǒng)根據(jù)指控系統(tǒng)連續(xù)傳送的幾個(gè)不同的目標(biāo)位置信息, 解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的大致方向或目標(biāo)舷別, 即可判斷出目標(biāo)的大致運(yùn)動(dòng)方向是向目標(biāo)方位線的左側(cè)還是右側(cè)。其判別基本原則為: 當(dāng)方位變化率為正時(shí), 目標(biāo)舷別為右舷; 當(dāng)方位變化率為負(fù)時(shí), 目標(biāo)舷別為左舷。目標(biāo)舷別計(jì)算公式
根據(jù)判斷出的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)舷別, 設(shè)定火箭助飛魚雷戰(zhàn)斗載荷的水下旋回方向。當(dāng)判明目標(biāo)舷別為右舷, 魚雷水下旋回方向?yàn)橛倚阉? 當(dāng)判明目標(biāo)舷別為左舷, 魚雷旋回方向?yàn)樽笮阉? 魚雷戰(zhàn)斗載荷水下旋回方向計(jì)算公式
火箭助飛魚雷的落點(diǎn)坐標(biāo)為最新目標(biāo)位置坐標(biāo), 即
反潛武器系統(tǒng)在火箭助飛魚雷發(fā)射前將解算出的魚雷旋回方向和落點(diǎn)坐標(biāo)作為射擊諸元裝訂至火箭助飛魚雷。
在無法準(zhǔn)確判斷出目標(biāo)舷別的條件下, 根據(jù)戰(zhàn)斗載荷默認(rèn)的水下旋回方向, 火箭助飛魚雷的落點(diǎn)位置向反方向修正。根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的水下旋回半徑、魚雷水下航速和目標(biāo)估計(jì)逃逸速度確定修正距離
修正后魚雷落點(diǎn)坐標(biāo)
反潛武器系統(tǒng)在火箭助飛魚雷發(fā)射前將魚雷默認(rèn)旋回方向和修正后的落點(diǎn)坐標(biāo)作為射擊諸元裝訂至火箭助飛魚雷。
為了提高作戰(zhàn)效能, 火箭助飛魚雷可采用雙雷齊射方式打擊目標(biāo)。當(dāng)采用雙雷齊射打擊目標(biāo)時(shí), 根據(jù)傳感器的探測(cè)誤差散布來確定2條火箭助飛魚雷戰(zhàn)斗載荷水下搜索覆蓋區(qū)域分配。傳感器的探測(cè)誤差散布一般可近似為矩形區(qū)域, 2條火箭助飛魚雷的落點(diǎn)應(yīng)分布在矩形短軸的兩側(cè), 使用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的誤差來確定。雙雷齊射時(shí)的魚雷落點(diǎn)分布如圖1所示。
圖1 火箭助飛魚雷雙雷齊射落點(diǎn)分布示意圖
圖1中:1區(qū)域?yàn)橛商綔y(cè)平臺(tái)提供目標(biāo)信息, 魚雷搜索區(qū)域完全覆蓋目標(biāo)散布區(qū)域的情況示意;2區(qū)域?yàn)榘l(fā)射艦提供目標(biāo)信息, 魚雷搜索區(qū)域不能完全覆蓋目標(biāo)散布區(qū)域的情況示意。
進(jìn)一步還需要考慮從火箭助飛魚雷發(fā)射到入水期間目標(biāo)的水下逃逸距離, 因此兩雷的水下搜索區(qū)域應(yīng)盡量覆蓋目標(biāo)的逃逸范圍。實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)來確定目標(biāo)散布區(qū)域, 進(jìn)而選擇相應(yīng)的齊射射擊方法。如圖2所示。
圖2 火箭助飛魚雷雙雷齊射落點(diǎn)示意圖
根據(jù)魚雷的水下旋回方向和落點(diǎn)間距大小可分為3種雙雷齊射方式: 大間距入水搜索相向搜索方式、中距入水同向搜索方式以及小間距入水背向搜索方式。
1) 在可以判明目標(biāo)舷別的條件下, 采取中距入水同向搜索方式實(shí)施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖3所示。
圖3 雙雷齊射中距入水同向搜索
根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點(diǎn)距離
則魚雷旋回方向
落點(diǎn)坐標(biāo)
2) 在近距離緊急遭遇目標(biāo)的條件下, 采取小間距背向搜索方式實(shí)施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖4所示。
圖4 雙雷齊射小間距入水背向搜索
根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離及旋回半徑確定魚雷旋回搜索半徑
根據(jù)傳感器探測(cè)誤差散布、目標(biāo)估計(jì)逃逸速度及目標(biāo)逃逸時(shí)間確定目標(biāo)逃逸范圍
根據(jù)目標(biāo)逃逸范圍和魚雷旋回搜索半徑確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點(diǎn)距離
則魚雷旋回方向
3) 在不能判明目標(biāo)舷別的條件下, 采取大間距相向搜索方式實(shí)施雙雷齊射, 魚雷搜索方向如圖5所示。
圖5 雙雷齊射大間距入水相向搜索
根據(jù)戰(zhàn)斗載荷的自導(dǎo)作用距離及旋回半徑確定魚雷旋回搜索半徑, 根據(jù)傳感器探測(cè)誤差散布、目標(biāo)估計(jì)逃逸速度及目標(biāo)逃逸時(shí)間確定目標(biāo)逃逸范圍, 根據(jù)目標(biāo)逃逸范圍和魚雷旋回搜索半徑確定雙雷沿目標(biāo)方位線正橫方向的落點(diǎn)距離
則魚雷旋回方向
此外, 如果2條火箭助飛魚雷在雙雷齊射時(shí)存在互相干擾的情況或可能性時(shí), 應(yīng)該盡量保證兩雷在水下搜索時(shí), 一雷不出現(xiàn)在另一雷的搜索扇面內(nèi), 則雙雷落點(diǎn)間距應(yīng)滿足
以中型潛艇作為典型目標(biāo), 火箭助飛魚雷使用美國(guó)阿斯洛克反潛導(dǎo)彈, 戰(zhàn)斗載荷為MK 46 Mod 5輕型魚雷, 采用蒙特卡羅法開展仿真分析[9]。仿真試驗(yàn)主要參數(shù)如表1所示[10-11]。
作戰(zhàn)效能計(jì)算方法: 在1 000次模擬打靶過程中, 魚雷自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的次數(shù)/1 000。
火箭助飛魚雷采用現(xiàn)在點(diǎn)射擊時(shí), 由于目標(biāo)在水下可向任意方向機(jī)動(dòng), 經(jīng)仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 其
表1 仿真參數(shù)表
作戰(zhàn)效能受目標(biāo)舷角影響較大。受目標(biāo)逃逸的影響, 在一半舷角范圍內(nèi)(0~180°)作戰(zhàn)效能較高, 而在另一半舷角范圍內(nèi)下降明顯, 如圖6所示。
圖6 現(xiàn)在點(diǎn)攻擊作戰(zhàn)效能與目標(biāo)舷角關(guān)系圖
采用目標(biāo)舷別判斷之后, 對(duì)于作戰(zhàn)效能下降明顯的舷角范圍, 由于提前根據(jù)解算出的目標(biāo)舷角設(shè)定了魚雷的旋回方向, 其作戰(zhàn)效能在目標(biāo)舷角范圍內(nèi)均有明顯的提高, 彌補(bǔ)了原方法的不足, 如圖7所示。
針對(duì)20~32 km不同距離上的目標(biāo)采用2種方法進(jìn)行仿真分析, 基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法可以有效提高火箭助飛魚雷打擊遠(yuǎn)距離高速目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率, 采用該方法后將比原現(xiàn)在點(diǎn)射擊方法提高10%~20%的作戰(zhàn)效能, 如圖8所示。
圖7 判斷目標(biāo)舷別現(xiàn)在點(diǎn)攻擊作戰(zhàn)效能與目標(biāo)舷角關(guān)系
Fig 7 Relationship between operational effectiveness of shooting present position based on target board judgment and target board angle
圖8 不同距離條件下2種方法作戰(zhàn)效能對(duì)比
通過對(duì)火箭助飛魚雷反潛作戰(zhàn)特點(diǎn)和水下彈道特點(diǎn)分析, 提出了一種基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法, 一般只需2~3個(gè)聲吶周期即可判斷出目標(biāo)舷別, 從而確定魚雷戰(zhàn)斗載荷水下旋回方向。同時(shí)對(duì)無法判斷目標(biāo)舷別時(shí)的射擊瞄準(zhǔn),根據(jù)戰(zhàn)斗載荷水下彈道特性和對(duì)目標(biāo)逃逸范圍進(jìn)行落點(diǎn)人工散布修正。文中基于該方法建立了完整的現(xiàn)在點(diǎn)單雷射擊模型和3種雙雷齊射射擊模型, 無論是否可判明目標(biāo)舷別均可適用。該射擊方法為火箭助飛魚雷快速攻潛的作戰(zhàn)應(yīng)用和指揮決策提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上開展基于不超過5個(gè)聲吶周期的目標(biāo)概略位置射擊方法研究將是下一步的研究方向。
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Shooting Method of Rocket-Assisted Torpedo Based on Target Board Judgment
ZHAO Ai-qi1, WANG Ge2, SUN Jian1, GAO Tian1, JIANG Li-wei1
(1. Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China; 2. Military Office of the PLA Navy in Beijing, Beijing 100094, China)
Based on the characteristics analysis of the anti-submarine operation and underwater trajectory of rocket-assisted torpedo, the conventional method for shooting target’s present position is improved and optimized. The judgment of the target board is used to determine the underwater search mode of the military load and offset aiming of the water-entry point. And then the shooting data of rocket-assisted torpedo is determined. Mathematical shooting models of single rocket-assisted torpedo and two rocket-assisted torpedoes salvo are established. Simulation analysis on the anti-submarine operational effectiveness is carried out by using this method, and the results show that this method can effectively improve the anti-submarine operational effectiveness of rocket-assisted torpedo, especially improve the effect of hitting long-range and high-speed maneuvering targets.
rocket-assisted torpedo; target board; shooting method; operational effectiveness
TJ631.8; E843
A
2096-3920(2019)04-0446-06
10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.013
趙艾奇, 王戈, 孫建, 等. 基于目標(biāo)舷別判斷的火箭助飛魚雷射擊方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(4): 446-451.
2019-03-01;
2019-04-07.
趙艾奇(1978-), 男,高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)榉礉撐淦餮b備及其作戰(zhàn)使用.
(責(zé)任編輯: 許 妍)