反鱼雷鱼雷拦截弹道导引方法研究

范 路,王志杰,曹小娟

(1.中国船舶重工集团公司 第705研究所,陕西 西安 710075; 2.水下信息与控制重点实验室,陕西 西安 710075)

0 引 言

随着新技术在鱼雷中的应用越来越多，鱼雷性能不断提高，鱼雷武器发展呈现出多样性的趋势，对舰艇造成的威胁也越来越大，反鱼雷成为海战中的一项重要任务。世界发达国家在提高探测设备的同时，开始研发一系列鱼雷对抗武器，例如反鱼雷鱼雷(以下称ATT)、反鱼雷水雷、反鱼雷深弹、反鱼雷浮标等“硬杀伤”武器，以及诱饵、假目标等“软杀伤”手段。然而现代鱼雷在航程、航速、杀伤力、智能化程度等方面已今非昔比，普遍具备多种搜索模式和机动打击方式，从而使传统的用诱饵欺骗鱼雷的对抗方法日显力不从心。另一方面，海军中鱼雷日益成为航母、两栖舰船、补给船等高价值目标在近海活动的主要威胁。硬杀伤是软杀伤对抗鱼雷攻击的有效补充，需要很高的可靠性，并可随着鱼雷的发展而不断改进。ATT是硬杀伤手段中的最新技术，它装载在舰艇和潜艇上，作为一种主动防御武器，能够对快速运动的小目标进行捕获、并具有较好的机动性，可在较大距离上利用其战斗部的水下爆炸拦截毁伤来袭鱼雷，能够有效防御来袭鱼雷攻击，是近年来重点发展的水中兵器之一。

由于ATT攻击的目标是来袭鱼雷，因此和普通鱼雷相比，其目标具有机动性和快速性较大，态势变化快，作战反应时间短等特点。ATT与鱼雷对抗时，通常需要处于迎击状态，与普通鱼雷相比，ATT对导引方式要求更高，设计难度更大，单一采用追踪法、固定提前角导引法、平行接近法、比例接近法、自动提前角导引法等常用导引方法难以满足其发现及命中目标的要求。本文通过分析几种导引方法特点，提出一种适合于ATT使用的组合导引方法，并进行仿真计算，为反鱼雷鱼雷弹道的设计研究打下基础。

1 鱼雷弹道导引方法分析

鱼雷的导引弹道是自导系统发现目标后根据所获得的目标信息解算选择的自导导引规律，操纵鱼雷攻击并拦截目标。ATT作为一种特殊用途的声自导鱼雷，对弹道导引方法的要求是在雷体机动性、稳定性允许的范围内使ATT具有较高的拦截目标概率。目前鱼雷常用的弹道导引方法有追踪法、固定提前角导引法、平行接近法、比例接近法、自动提前角导引法等。

1.1 追踪法

追踪法，也称直接瞄准导引法或尾追法，是鱼雷提前角ηt=0的一种导引方法。这种方法要求自导装置测出鱼雷速度方向对视线的水平面和垂直面的误差角，即使鱼雷声自导装置的测量坐标系与雷纵轴固连，用雷纵轴线作为速度矢量方向，视线与纵轴夹角是导引中的误差角，以该误差角形成自导指令，就能实现导引过程中鱼雷速度矢量始终指向目标，即弹道的切线始终与视线重合，其雷目模型如图1所示。

图1 追踪法Fig.1 The back tracking method

追踪法导引时有：

ηt=0，ηm=q，

(1)

式中：ηt，ηm分别为鱼雷和目标速度向量与视线的夹角。根据上式可得相对运动方程为：

由于这种方法对鱼雷自导装置的要求较低，容易实现，目前在国内外鱼雷导引弹道设计中得到广泛的应用。追踪法的缺点也是显而易见的，首先它要求鱼雷从尾部击中目标，弹道弯曲浪费航程，不利于主动自导工作和提高命中率。因此，对于通常与来袭鱼雷处于迎击状态的ATT而言，命中概率不高。

1.2 固定提前角法

固定提前角导引法是一种鱼雷提前角始终为一常数，此导引方法需要测出目标相对于鱼雷的运动方向以及视线相对于提前角的偏差。在导引过程中，鱼雷的速度方向以一个固定的提前角，指向目标运动前方的导引方法，固定提前角法一般只适用于水平面上，建立模型如图2所示。

图2 固定提前角法Fig.2 The fixed angle method in advance

根据约束方程ηt=常数≠0可得相对运动方程：

由于固定提前角导引法的最大弹道回旋角速度小，这就降低了对鱼雷机动性的要求，从而可以减少由于鱼雷机动性限制所造成的脱靶。且固定提前角法在不同的速比下就有不同的命中角，这样改变了追踪法必须从尾部命中目标的条件，大大增加了从目标舷侧命中目标的可能。

1.3 平行接近法

在任何情况下都保持视线平行于自身移动的导引方法称为平行接近法。

当目标作等速直线运动时，用固定提前角导引，可以通过选择提前角ηt，使导引弹道成为直线。

其中：

建立模型如图3所示。

图3 平行接近法Fig.3 The parallel approaching method

当目标作等速直线运动时，相对运动方程为：

其中，有约束方程

当目标作机动运动(目标速度大小和方向都可以随时间变化的运动)时，可写出相对运动方程：

其中，约束方程为

平行接近法的优点是弹道的法向过载小。当目标作等速直线运动时，用平行接近法导引，鱼雷的弹道总是直线，弹道的法向过载为0。当目标机动运动时，与其他导引法相比，平行接近法的导引弹道与直线弹道的差别最小，即弹道的法向过载最小。

平行接近法要求按目标与鱼雷的速比及视线角q设置提前角，而由于声测量的误差较大，较远的情况下不易准确测量出视线角，同时，中远程弹道下不易测出来袭鱼雷的速度，因此，工程上基本不可能实现该导引方法。

1.4 自动调整提前角法

由于多波束自导装置在鱼雷上的应用，使鱼雷在接近目标的过程中，能够自动调整提前角，使鱼雷可以近似按平行接近法与目标相遇。

图4 自动调整提前角法Fig.4 The automatic advance angle method

如图4所示，按式(4)准确设置的提前角作为理想提前角，用ηI表示，即可得到：

(9)

Δηt=ηt-ηI，

(10)

当Δηt很小时，式(3)的第二式为可写为：

(11)

自动调整提前角法要求自导装置能测出目标相对于测量轴的方位角，因此，是以波束宽度分档给出目标方位，波束越宽，每次调整的提前角越大。过大的提前角会使鱼雷弹道振荡过大，波束过窄，会使弹道不稳定，且在接近目标时，提前角调整加快，使得需用法向过载过大，致使命中精度降低。

1.5 比例导引法

在比例接近导引法中，鱼雷弹道切线的旋转角速度与视线的旋转角速度成正比，其约束方程为：

表1 不同态势下的单一导引法适用性

1.6 仿真分析

设定来袭鱼雷和ATT仿真工况如表2所示。

表2 仿真工况

仿真次数设定为100次，仿真结果分析如表3所示。

表3 单一导引法仿真结果

通过仿真系统得到的数据可以看出单一导引方法如尾追法、变提前角法、固定提前角法的攻击效果由于受到了各种限制，使得其命中概率以及攻击效果都较低，而比例导引法虽然攻击效果高于其它导引规律，但在现实中，声自导数据率较低，视线角难以测量，雷目距离较远时，无法迅速作出机动，使得其在部分弹道中无法使用。故需要寻求新的导引方法来弥补单一导引方法的缺陷，使得其攻击效果提升。

2 反鱼雷鱼雷弹道组合导引方法研究

2.1反鱼雷鱼雷弹道需求分析

由于反鱼雷鱼雷的弹道特殊性，故需要在传统弹道基础上研究选择适用于反鱼雷鱼雷自身特点的弹道。理想的自导导引弹道除要求无脱靶量外，还应该具有弹道的曲率半径大，对鱼雷的机动性要求小；导引时间短，减小鱼雷的航程消耗；命中角大，增大目标的有效尺寸。

在根据鱼雷能实现导引方法的条件选择导引规律后，必须进行自导导引理论弹道的数学仿真。通过对导引规律的自导导引理论弹道数学仿真，解决不同战术态势下的脱靶量及能否命中目标，可攻击范围，鱼雷的最大消耗航程，命中角范围等问题。从而设计出最优弹道并获得较高命中率。

2.2组合导引方法综合分析

追踪法在反鱼雷鱼雷上应用有明显的缺点，它要求鱼雷从尾部击中目标，不仅浪费航程，且不利于主动自导工作和提高命中率，故追踪法不适用于末端拦截弹道。在反鱼雷鱼雷导引过程中，来袭鱼雷若进行机动，固定提前角将失去其优点，故在来袭鱼雷距舰艇较近时固定提前角将不适用于反鱼雷鱼雷。在导引的初始阶段，由于来袭鱼雷与反鱼雷鱼雷相距较远，对来袭鱼雷的速度测量有很大的误差，无法迅速求得视线角，在导引的末端阶段，由于反鱼雷鱼雷作机动弹道，易丢失目标，则平行接近法在实际应用中存在制约，导引初期和末期均不适用于反鱼雷鱼雷。同样，在导引初期，比例导引法也因无法通过有效的来袭鱼雷数据迅速获得视线角，而容易丢失目标。自动调整提前角法由于末端机动弹道需用较大的过载，故在某些机动弹道下命中精度会降低。

而反鱼雷鱼雷由于其对弹道要求的特殊性，使得单一传统导引方法不再适用于反鱼雷鱼雷。传统单一弹道存在各种缺陷，需要通过组合导引法来弥补相互的缺陷，以求得更高的命中概率。

目前，国内外鱼雷自导装置的目标识别技术是基于体目标原理。这种目标识别器的识别能力除受距离限制外，正确识别目标的概率也与舷角有关。当舷角大于165°或小于15°时，正确识别目标的概率大大降低。导引开始时，由于不知道目标相对鱼雷的运动方向，无法设置提前角。故可先采用追踪法导引，等鱼雷自导装置测出了目标相对于鱼雷的运动方向，再采用其他导引方法，就可以减小目标识别器识别目标的错误，提高攻击效果。

而导引后期由于追踪法有从尾部击中目标的缺陷，使用其他导引方法可以修正这种缺陷并提高导引效率，故提出了追踪法+固定提前角法，追踪法+比例导引法，追踪法+自动提前角法等导引方法，以提高反鱼雷鱼雷的拦截概率。

3 组合导引法仿真分析

以反鱼雷鱼雷弹道仿真系统为平台，设定来袭鱼雷与反鱼雷鱼雷工况同上，统计100次，仿真结果如4所示。

表4 组合导引法仿真结果

通过数学仿真，由表3可看出，“追踪法+比例导引法”的组合方式拦截概率高达95%以上，而其他组合导引方法拦截概率较低，同时脱靶量也较大。分析结果如下：

1)追踪导引法对自导系统的要求很低，只要测出目标在鱼雷纵轴的上、下、左、右，根据这4种误差信号，操纵鱼雷纵轴对准目标。这使得在导引初期，即使雷目距离较远，自导也不易丢失目标。且导引初期可以通过追踪法来判断舷别，以减少导引误差，故导引初期采用追踪法较为合适。

2)在末端弹道，来袭鱼雷一般作机动弹道，此时，由于固定提前角法需用法向过载很大，使得固定提前角法无法获得足够的过载而脱靶。自动提前角导引法可在正确的提前角建立之后，目标就停留在某一波瓣内不动，从而视线的方向保持不变。但由于自动提前角法导引末期法向过载需求同样较大，故导引效果也未能达到理想水平。比例导引法在导引后期由于数据获得较快，而可以获得良好的导引概率。在使用比例导引弹道时可借鉴反导导弹的比例导引法，在测出视线角后引入视线角加速度来修正从而弥补比例导引法的缺点。

追踪法和比例导引的组合方式基本满足现代反鱼雷鱼雷要求，故可以将此种导引方法引入反鱼雷鱼雷弹道研究中，并进行进一步修正以获得更高的拦截概率。

4 结 语

本文对典型鱼雷导引方式和新型鱼雷导引方式均进行了系统研究，结合实际情况分析研究各种导引方法的优缺点，提出适用于反鱼雷鱼雷的弹道方法，并作出数学仿真分析，提出新的组合导引方法。这样使得各种弹道导引方法更加明晰，同时也为反鱼雷鱼雷今后的弹道设计，计算，工程研制提供一定的理论依据。

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