基于模拟法的反鱼雷鱼雷武器系统作战效能评估

2020-11-10 02:09蒋继军

水下无人系统学报 2020年5期

曹萌，赵琪，蒋继军

(中国船舶重工集团公司第705 研究所，陕西西安，710077)

0 引言

反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo，ATT)对抗对象是高速机动小目标，大多数情况下其与来袭鱼雷是相向运动，相对阵位和视角变化大，与常规鱼雷的对抗过程存在较大差异。同时，ATT 作为舰船防御最后一道硬杀伤武器，责任重大，其作战效能直接关系到舰船的生死存亡，在真实的战场环境下综合评估ATT 作战效能，使效能评估与设计研制形成良性循环，可最大限度地提升ATT 的作战效能。

目前，针对鱼雷作战效能评估主要有解析法和模拟法2 种[1]。针对鱼雷与目标相对运动关系比较明确的情形，应用解析法可以得到较准确的解，由于ATT 与来袭鱼雷相对运动关系的复杂性和不确定性，应用解析法则比较困难；而模拟法可以真实地仿真各种作战环境、ATT 复杂的搜索过程及其导引弹道，以及目标的任意机动，且能在短时间内完成较大计算量。

基于此，文中在分析反鱼雷鱼雷作战系统(anti-torpedo torpedo weapon system，ATTWS)作战过程的基础上，构建了ATTWS 作战效能评估指标体系，开展了基于模拟法的ATTWS 作战效能评估。

1 ATTWS 作战效能评估思路

应用模拟法进行ATTWS 作战效能评估的具体思路如图1 所示。

图1 ATTWS 作战效能评估思路Fig.1 Operational effectiveness evaluation ideas of ATTWS

2 ATTWS 作战效能评估指标体系

2.1 作战过程分析

有效对抗来袭鱼雷的先决条件是能否在足够远的距离外可靠探测到来袭鱼雷，然后结合我方兵力部署、对抗装备等情况，对战场态势进行快速反应，采取对抗措施。

ATT 为精确打击武器，鱼雷报警声呐在被动工作方式下，由于解算误差较大，无法满足ATT攻击的需要，因此，考虑鱼雷主被动报警声呐工作条件下的作战流程如下[2-5]：

1) 系统准备，鱼雷报警声呐以被动工作方式值更警戒；

2) 鱼雷报警声呐以被动工作方式发现来袭鱼雷目标，进行鱼雷报警，主动声呐开机，在被动报警方位附近进行探测；

3) 根据来袭鱼雷报警方位进行解算，目标方位等要素具备发射使用武器的条件后，发射干扰器、声诱饵软对抗器材，干扰、诱骗来袭鱼雷；

4) 主动报警声呐发现目标后，本舰保持现有航向并持续跟踪目标，依据主动探测信息进行目标要素解算；

5) 发射ATT 进行末段拦截。

2.2 指标体系构建

ATTWS 作战效能不仅是武器自身作战能力的体现，还受发射平台预警系统、作战使用策略、射击要素等诸多因素影响。在指标体系研究中分层次进行，逐层建立单项效能指标和系统效能指标。利用复杂系统层次分析法划分多个层级，采用自底向上的方式，先针对ATT 本身的作战指标，再综合发射平台鱼雷预警能力、平台反应时间、防御策略效能、目标要素解算精度和反鱼雷射击精度。ATTWS作战效能评估指标体系规划如图2 所示。

ATTWS 作战效能评估指标由平台探测效能指标、平台解算效能指标、ATT 捕获目标效能指标和拦截毁伤目标效能指标构成。平台探测能力指系统的鱼雷报警能力，包括目标航向误差和目标距离误差；平台解算能力指系统对战场信息态势的综合处理判断能力，包括战场敌我态势的综合分析及对抗决策处理等过程，主要由射击诸元解算误差反映；ATT 捕获目标能力指在一定的报警条件下ATT 能够在多大程度上发现来袭鱼雷，主要由ATT 首次捕获目标时间、水平方位角、垂直方位角和雷目距离组成；ATT 拦截毁伤目标能力指ATT 发现来袭鱼雷后，能够在多大程度上于一定距离接近来袭鱼雷并对其造成毁伤的能力，主要由ATT 拦截目标时间、脱靶量、航程消耗和最大旋回角速度组成。

3 ATTWS 作战效能评估仿真

3.1 仿真系统

ATTWS 作战效能评估仿真系统由仿真模型、作战想定、仿真调度、作战效能分析和数据管理等5 个部分组成，总体结构如图3 所示。

3.2 仿真模型

文中依托仿真技术手段，采用作战模拟法进行，建立攻防对抗过程各实体模型是ATTWS 作战效能评估的重中之重，有利于作战效能评估的准确性。ATT 攻防对抗数学仿真原理[6-7]见图4。

图3 ATTWS 作战效能评估仿真系统Fig.3 Operational effectiveness evaluation simulation system of ATTWS

3.2.1 ATT 模型

1) 运动动力模型：建立六自由度空间运动方程组，完成鱼雷动力学和运动学方程解算。

2) 控制系统模型：三通道耦合稳定控制模型。

3) 弹道逻辑模型：包括入水下潜弹道、初始搜索及确认弹道、跟踪导引弹道模型。

4) 主动自导检测模型：完成主动自导工作模式下的高速小目标检测。

5) 被动自导检测模型：完成被动自导工作模式下的目标检测。

图4 ATT 数学仿真原理图Fig.4 Principle of numerical simulation of ATT

3.2.2 来袭鱼雷模型

1) 运动动力模型：建立六自由度空间运动方程组，完成鱼雷动力学和运动学方程解算。

2) 控制系统模型：以在役重型反舰鱼雷模型为基础适当简化，包括三通道耦合稳定控制模型。

3) 弹道逻辑模型：重型鱼雷典型全弹道模型，包括程序弹道、自导导引弹道、尾流导引弹道等，根据自导检测结果执行全弹道逻辑转换。

4) 主动自导检测模型：完成主动自导工作模式下的目标检测。

5) 被动自导检测模型：完成被动自导工作模式下的目标检测。

6) 尾流自导检测模型：尾流工作模式下的目标检测，实现左、中、右三通道能量级检测。

3.2.3 本舰模型

1) 运动模型：采用质点运动实现二维水平面运动过程模拟。

2) 尾流生成模型：舰船尾流特性模拟，包括尾流形状模型、空穴模型和回波生成模型。

3) 鱼雷报警声呐探测模型：模拟声呐探测过程，包括鱼雷报警声呐误差模型，来袭鱼雷目标方位和距离估计模型。

4) 射击诸元解算模型：根据鱼雷报警声呐解算ATT 射击要素，包括现在方位射击解算模型、正常提前角射击解算模型、有利提前角射击解算模型和迎面拦截射击解算模型。

4 ATTWS 作战效能评估模型

4.1 指标权重算法模型

主客观综合赋权法即可排除个人因素对指标权重的影响，又能避免当客观数据较为特殊时，权重会与实际情况相差较大的情形，因此对于精度要求较高的系统，宜采用主客观综合赋权法来提高指标权重的可信度，文中采用层次分析-熵权法进行指标权重赋值。

通过层次分析法[8-9]得到主观权重λj，通过熵权法[10]得到客观权重θj，二者相结合得到综合权重ωj，即

计算综合权重ωj时采用的主观权重λj与客观权重θj均为最底层指标的权重，结合的过程只是在用主客观2 种方法各求得所有指标权重后，对于指标结果的简单综合。当用2 种方法求出的某指标权重值相差悬殊时，会使综合权重失调，不足以体现指标的实际重要程度。

针对上述方法中存在的问题，文中提出一种改进的指标权重综合求取方法。

在运用层次分析法对准则进行评价时，往往能够很好地把握上层准则的重要程度，而对该准则下子准则的评价可能出现偏差。基于此特点，对综合权重的解算方法进行改进，从而得到各指标客观准确的权重，具体步骤如下：

1) 设有l个上层准则，m个子准则，每个上层准则分别包含m1，m2，…，ml个子准则，且m1+m2+…+ml=m，通过层次分析法求得上层准则权重记为A={β1，β2，β3，…，βl}，各子准则的权重记为B={λ1，λ2，λ3，…，λm}，熵权法求得的各准则的权重为C={θ1，θ2，θ3，…，θm}；

2) 对层次分析法与熵权法计算的子准则的权重按照式(1)进行综合，得到各子准则的综合权重为D={ω1，ω2，ω3，…，ωm}；

4.2 效能评估算法模型

逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)是一种有效的多属性决策方法，能对方案进行排序比较。该方法利用基于标准化后的原始数据矩阵，找出有限方案中的正理想解和负理想解，获得某一方案与靠近理想解和远离理想解之间的相对距离长度，从而得出某一方案与最理想解的相对接近程度，然后依据相对接近度的大小对评价结果进行排序，并以此来评价各方案的优劣。计算步骤如下。

1) 设有m个评价对象，n个评价指标，第i个评价对象第j项评价指标取值为aij，建立评价矩阵A；

2) 对决策矩阵进行规范化处理，构造规范化矩阵R，其中

7) 依据相对接近程度的大小对备选方案排序或选优，相对接近程度越大，说明备选方案相对越好。

5 算例分析

文中考虑报警时刻本舰与来袭鱼雷的相对态势进行作战想定设计，然后进行ATTWS 全弹道仿真，最后利用仿真结果进行指标权重计算和ATTWS 作战效能评估。

5.1 想定设计

采用全面设计方法，试验因子和相应的因子水平如表1 所示，仿真想定如表2 所示。

表1 试验因子设计Table 1 Design of test factors

表2 作战想定设计Table 2 Design of operational scenarios

5.2 全弹道仿真结果

针对每个作战想定进行100 次仿真，取100次仿真的平均值，由于篇幅限制，文中仅对部分作战想定仿真结果进行显示，如表3 所示。

5.3 指标权重计算

5.3.1 层次分析法权重计算结果

ATTWS 作战效能递阶层次结构如图2 所示，分为总目标层、单目标层和指标层3 个层级。邀请专家对每一层的各参数在上一层中所占的比重进行打分，得到总目标层-单目标层以及单目标层-指标层判断矩阵如下

表3 全弹道仿真结果Table 3 Simulation results of whole trajectory

计算得到单目标层对总目标层的权重为λ0=(0.117 0，0.063 9，0.4916，0.332 8)T，且CR=0.0376＜0.1；指标层对单目标层的权重依次为λ1=(0.75，0.25)T，λ2=（1）T，λ3=(0.572 6，0.262 9，0.043 8，0.120 7)T，λ4=（0.270 9，0.119 7，0.0418，0.567 7）T，且CR值均小于0.1。

从而求得各指标权重如表4 所示。

5.3.2 熵权法权重计算结果

通过如表3 所示的影响ATTWS 作战效能的11 个指标定量结果，可直接得到决策矩阵X30×11。被评估的11 个指标中，除了最大旋回角速度外，其余均为成本型指标，对成本型指标和效益型指标分别进行归一化处理，可得到指标属性矩阵Y30×11。熵权法权重计算结果如表5 所示。

5.3.3 综合权重计算结果

综合权重计算结果如表6 所示。

5.4 效能评估结果

应用TOPSIS 法对30 个作战想定进行作战效能评估，结果如表7 所示。

表4 层次分析法指标权重计算结果Table 4 Index weight calculation results of analytic hierarchy process

表5 熵权法指标权重计算结果Table 5 Index weight calculation results of entropy weight method

5.5 结果分析

通过对5.3～5.4 节的结果进行分析，得到以下结论：

表6 综合权重计算结果Table 6 Comprehensive weight calculation results

表7 作战效能评估结果Table 7 Results of operational effectiveness evaluation

1) 层次分析法计算的权重中平台效能指标和ATT 效能指标所占的权重分别为0.175 6 和0.824 4，由于该层指标是由行业内专家根据经验计算得到的结果，且该层指标数量较少，专家经验给予的结果比较准确，但首次捕获目标时雷目距离这一指标只占到总权重的5.9%，根据前期工作经验，是不符合实际情况的，这是由于第3层指标数量较多，主观性判断在此情况下会出现错误；

2) 熵权法计算的权重中首次捕获目标雷目距离这一指标占到总权重的21.79%，这是由于该指标方案数据差异较大引起的，与前期工作中的结论也相吻合，但首次捕获目标时间这一指标只占到总权重的9.3%，这与实际情况是不相符的，可见熵权法计算权重完全取决于各指标方案数据的变化差异程度，而不是各指标的实际重要程度，计算结果不能准确反映实际情况；

3) 应用文中方法计算的权重中首次捕获目标时雷目距离这一指标的权重比层次分析法结果有所提高而比熵权法有所降低，首次捕获目标时间这一指标的权重比层次分析法结果有所降低而比熵权法有所提高，这样避免了由于人的主观性导致最终结果不合理的情况和完全依赖指标方案数据变化差异引起的结果不准确的情况，在一定程度上做到了主观和客观的结合，与实际情况较为符合；

4) ATTWS 作战效能按大小排序前三位分别为想定2、想定7 和想定21，对应的初始条件分别为(0°，2 000 m)、(20°，2 000 m)、(80°，1 000 m)，说明当本舰与来袭鱼雷相对方位较小或距离较小时发射ATT，ATTWS 作战效能较好；

5) ATT 作战效能按大小排序后三位分别为想定15、想定29 和想定26，对应的初始条件分别为(40°，5000 m)、(90°，4 000 m)和(90°，1 000 m)，说明当来袭鱼雷位于本舰正横附近或相对距离较远时发射ATT，ATTWS 作战效能较差。

6 结束语

针对解析法在处理ATTWS 作战效能问题时存在较难实现的问题，文中提出了更贴近实战的ATTWS 作战效能仿真评估方法。在构建ATTWS作战效能指标体系的基础上，将整体作战效能与局部关键作战规律联系起来，通过对主观赋权和客观赋权优缺点的分析，研究了改进的主客观赋权方法，通过对比分析，验证了文中赋权方法的有效性和正确性。之后，根据ATTWS 作战特点和作战环境，选取了适用于ATTWS 的作战效能评估算法，通过仿真实例，表明该方法可行有效。文中研究为基于战场攻防对抗环境综合评估ATTWS作战效能提供了条件，可支撑不同战场环境下的效能评估。

文中主要针对单雷作战效能进行了研究，并未涉及到双雷的作战效能。因此，下一步工作将研究双雷作战效能，并与单雷作战效能进行比较，以支撑ATT 的作战使用。