李本昌，　李　原

（海軍潛艇學(xué)院 軟件中心， 山東 青島， 266042）

數(shù)字魚雷的軍事應(yīng)用及其技術(shù)方案

李本昌，李原

（海軍潛艇學(xué)院 軟件中心， 山東 青島， 266042）

按照作戰(zhàn)仿真研究和部隊模擬訓(xùn)練的需要， 針對現(xiàn)代魚雷技術(shù)復(fù)雜、與其武器系統(tǒng)交互關(guān)系密切的實際，提出了數(shù)字魚雷的概念和構(gòu)建數(shù)字魚雷的技術(shù)要求， 設(shè)計了魚雷彈道模型和外界控制模型及接口關(guān)系， 采用以型號關(guān)聯(lián)性能參數(shù)、以仿真進程和戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢關(guān)聯(lián)彈道階段的外彈道仿真設(shè)計方法構(gòu)建了數(shù)字魚雷的技術(shù)方案。最后應(yīng)用Visual C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言給出了一個作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的運用實例， 結(jié)果表明， 該方案滿足作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和擴展性要求。

魚雷攻擊； 自導(dǎo)方式； 外彈道； 作戰(zhàn)仿真

0　引言

作為一個技術(shù)密集、功能設(shè)備較多、操作戰(zhàn)位分散、相互協(xié)同要求高的水下作戰(zhàn)單元——潛艇， 其戰(zhàn)斗力的形成和提高， 在很大程度上取決于日常訓(xùn)練。而岸港訓(xùn)練由于具有安全、經(jīng)濟、有效的諸多特點， 又成為部隊日常訓(xùn)練的主要方式和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此， 按照潛艇裝備實際和特點， 以及其作戰(zhàn)的客觀環(huán)境， 建造能夠體現(xiàn)現(xiàn)代裝備技術(shù)水平和符合作戰(zhàn)使用客觀背景的仿真訓(xùn)練裝備是保證新裝備快速形成戰(zhàn)斗力的重要途徑。

隨著技術(shù)的發(fā)展和多年的開發(fā)實踐， 按照裝備的外形尺度乃至其功能， 如潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部的指揮關(guān)系、所具備的攻防手段、控制關(guān)系、主要設(shè)備及操作界面等， 構(gòu)建一型作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)并不存在技術(shù)難題， 但是， 能否達成逼真的訓(xùn)練效果， 則完全取決于作戰(zhàn)背景、水文條件， 特別是武器性能的仿真程度。為滿足作戰(zhàn)訓(xùn)練的需要， 文中提出了數(shù)字魚雷的概念， 構(gòu)建了數(shù)字魚雷的技術(shù)方案， 并應(yīng)用于作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中。

1　數(shù)字魚雷概念及其軍事應(yīng)用

所謂數(shù)字魚雷， 是指利用數(shù)字仿真技術(shù)模擬魚雷的作戰(zhàn)功能、技術(shù)性能， 及其與發(fā)射平臺武器系統(tǒng)交互關(guān)系和彈道過程的軟件集合體。

顯而易見， 這種數(shù)字魚雷以其構(gòu)造靈活、組裝簡單的特點， 作為構(gòu)成潛艇魚雷武器系統(tǒng)的一個仿真部件， 可以按照應(yīng)用需要， 構(gòu)成規(guī)模大小不等的各種具有實物或純虛擬的模擬仿真系統(tǒng)。以此可應(yīng)用于兩方面的主要目的。

一是作為作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的組成部分， 用于描述魚雷武器的使用過程和攻擊結(jié)果。即應(yīng)用于包括潛艇魚雷武器系統(tǒng)在內(nèi)的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中， 按照用戶的需要， 在一定作戰(zhàn)背景條件下， 完成給定魚雷武器的作戰(zhàn)效能評估、作戰(zhàn)使用方法研究和岸港條件下模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練等。

二是作為潛艇武器裝備的組成部分， 用于海上攻擊訓(xùn)練或者魚雷武器系統(tǒng)日常保養(yǎng)和維修過程的技術(shù)檢查和調(diào)試。其中， 前者是利用潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的實裝資源， 解決海上魚雷攻擊的模擬訓(xùn)練問題， 即在海上訓(xùn)練中， 以數(shù)字魚雷代替真實魚雷， 在不用實際發(fā)射魚雷的條件下模擬潛艇魚雷攻擊過程， 從而保證艇員在真實的崗位和設(shè)備上、無需顧及海區(qū)客觀條件和撈雷風(fēng)險的環(huán)境中逼真地進行魚雷攻擊訓(xùn)練； 而后者則是作為魚雷武器系統(tǒng)日常維護的保障條件， 在艇上武器系統(tǒng)檢修和各層次修理過程中為艇員或工程技術(shù)人員提供魚雷武器通道的動態(tài)調(diào)試環(huán)境。

2　數(shù)字魚雷基本技術(shù)要求

不難看出， 上述應(yīng)用， 特別是用于魚雷武器作戰(zhàn)效能評估、作戰(zhàn)使用方法研究和模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練， 通常都是一個實時性很強、隨機因素很多、戰(zhàn)術(shù)情況多變的時間過程。因此， 真實地描述魚雷武器的使用過程和彈道性能是保證這種應(yīng)用最重要的前提。否則， 不僅不能保證研究或訓(xùn)練的目的性， 而且還可能造成研究結(jié)果的偏離， 甚至對作戰(zhàn)訓(xùn)練使用方法產(chǎn)生誤導(dǎo)［1］。

隨著魚雷技術(shù)的進步， 現(xiàn)代魚雷的功能和性能得到了極大提高， 魚雷和其武器系統(tǒng)的相互依賴關(guān)系也越來越密切。這一切不僅使魚雷自身的控制關(guān)系以及魚雷與其武器系統(tǒng)之間的交互關(guān)系變得越來越復(fù)雜， 而且使得體現(xiàn)其作戰(zhàn)性能的彈道過程也變得越來越復(fù)雜。所以， 為了滿足上述應(yīng)用目的， 數(shù)字魚雷必須滿足以下基本技術(shù)要求。

1） 計算速度要求。依據(jù)不同的應(yīng)用目的， 數(shù)字魚雷完成一次仿真計算所需要的時間應(yīng)有不同的要求， 如果用于統(tǒng)計仿真則其速度越快越能提高效率； 如果用于攻擊訓(xùn)練仿真， 則應(yīng)能夠按照自然時間完成真實魚雷的動作進程。所以， 計算速度至少應(yīng)能滿足實時系統(tǒng)的要求。如果不能保證魚雷與艇上武器系統(tǒng)的實時交互， 以及彈道仿真精度的條件下實時完成計算任務(wù)， 就不可能按照自然時間完成作戰(zhàn)過程的仿真。

2） 交互性要求。應(yīng)能按照發(fā)射平臺的攻擊過程完整地模擬魚雷與其武器系統(tǒng)相互之間的控制關(guān)系和信息傳遞過程。從本質(zhì)上來說， 艇上武器系統(tǒng)與魚雷的交互過程就是武器系統(tǒng)對魚雷的控制過程， 所以從魚雷攻擊開始， 就要按魚雷自身固有的功能和性能， 以及魚雷與艇上武器系統(tǒng)的信息協(xié)議執(zhí)行諸如魚雷各系統(tǒng)自檢、慣導(dǎo)調(diào)平、參數(shù)預(yù)設(shè)定、線導(dǎo)遙控信息接收及執(zhí)行等交互過程， 并按協(xié)議在這些交互過程中回復(fù)相關(guān)應(yīng)答信息和遙測信息。

3） 彈道過程逼真性要求。應(yīng)能夠按照給定魚雷的技術(shù)特點、發(fā)射平臺的控制、作戰(zhàn)使用環(huán)境、目標(biāo)特性、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢和搜索跟蹤程序， 描述魚雷的彈道過程。魚雷彈道是其作戰(zhàn)性能的具體體現(xiàn)，所以能否按照魚雷的技術(shù)實際描述魚雷的彈道過程是關(guān)乎這種數(shù)字魚雷能否滿足應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

上述要求可以看出， 采用以往直航魚雷或各種聲自導(dǎo)魚雷的仿真方法很難完整地描述現(xiàn)代魚雷的功能和性能。而且， 僅僅依靠只具有仿真知識的人員， 而沒有魚雷研制的工程技術(shù)人員的參與開發(fā)， 也不可能“建造”出與實際型號在功能和性能上相一致的數(shù)字魚雷。

3　魚雷彈道模型

為了勝任現(xiàn)代作戰(zhàn)任務(wù)， 盡管現(xiàn)代魚雷通常集多種制導(dǎo)方式于一身， 使得其彈道過程遠(yuǎn)比以往魚雷復(fù)雜， 但除了性能參數(shù)（魚雷的速度、自導(dǎo)探測能力和機動旋回能力）的差異之外， 各型魚雷的彈道過程無外乎以下幾種主要模型及其組合。

1） 初始機動彈道模型［2］。描述魚雷發(fā)射出管到建立起穩(wěn)定的運動狀態(tài)時間之內(nèi)的航行過程。該過程魚雷的彈道取決于發(fā)射管的性能、魚雷自身動力和發(fā)射水域的水動力學(xué)特性等。

2） 自控駕駛彈道模型［2］。魚雷完成初始機動后， 按照發(fā)射系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的航向， 完成一次轉(zhuǎn)角， 到直航終了的整個過程。該過程魚雷的彈道軌跡主要取決于發(fā)射系統(tǒng)的預(yù)先設(shè)定和魚雷的機動性能。對于直航魚雷來說是魚雷開始一次轉(zhuǎn)角到魚雷命中目標(biāo)或航程耗盡的整個過程； 對于自導(dǎo)魚雷來說是開始一次轉(zhuǎn)角到魚雷自導(dǎo)開機的過程； 對于線導(dǎo)魚雷則是開始一次轉(zhuǎn)角到魚雷第1次接受線導(dǎo)遙控指令時間內(nèi)的過程。

3） 聲自導(dǎo)彈道模型［2］。具有聲自導(dǎo)導(dǎo)引方式的魚雷， 在探測到目標(biāo)以后轉(zhuǎn)入自導(dǎo)階段。在自導(dǎo)階段魚雷的自導(dǎo)系統(tǒng)按照一定的導(dǎo)引規(guī)律， 以程序的方式控制魚雷跟蹤目標(biāo)， 并且在魚雷丟失目標(biāo)時以確定的再搜索方式搜索和跟蹤目標(biāo)， 直到魚雷命中目標(biāo)或航程耗盡。

4） 尾流自導(dǎo)彈道模型［2］。末段尾流自導(dǎo)魚雷，在探測到目標(biāo)尾流后轉(zhuǎn)入尾流自導(dǎo)階段。在跟蹤目標(biāo)尾流的過程中， 依據(jù)自導(dǎo)裝置檢測尾流的機理不同， 又可分為單波束和三波束制導(dǎo)， 其彈道過程由程序確定。

5） 線導(dǎo)導(dǎo)引彈道模型［3］。線導(dǎo)導(dǎo)引段是魚雷出管并且與平臺發(fā)射系統(tǒng)建立起信息聯(lián)系之后，由發(fā)射平臺對魚雷的遙測與控制過程。在這一過程中， 發(fā)射平臺按照一定的導(dǎo)引方法對魚雷實施變深、變速和變向控制?？梢钥闯觯?在這一過程中魚雷的彈道是由發(fā)射平臺控制的。

6） 反水聲對抗彈道模型［4］。當(dāng)魚雷發(fā)現(xiàn)并識別出所跟蹤的目標(biāo)是被攻擊目標(biāo)所釋放的水聲對抗器材時， 魚雷將按照程序彈道進行反水聲對抗的戰(zhàn)術(shù)機動與搜索， 魚雷的彈道軌跡或魚雷的反水聲對抗方式取決于水聲對抗器材的類型、目標(biāo)態(tài)勢等。

7） 其他功能彈道模型［2］。為了應(yīng)對各種特殊情況， 潛射魚雷除了配備接近、搜索、跟蹤目標(biāo)的彈道之外， 還具備諸如保護發(fā)射平臺安全等應(yīng)對特殊情況的功能彈道。

4　外部控制模型及接口關(guān)系

潛射魚雷的發(fā)射控制信息主要來源于聲吶這一目標(biāo)定位精度較低的水聲探測器材， 正是原始信息的不準(zhǔn)確性， 使得魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)存在很大的隨機性。此外， 目標(biāo)的位置、運動狀態(tài)和作戰(zhàn)海域的水文條件都對魚雷的探測、判斷， 乃至跟蹤和命中產(chǎn)生重要影響。這些都是數(shù)字魚雷計算自導(dǎo)作用距離、判斷是否發(fā)現(xiàn)或丟失目標(biāo)， 以及魚雷彈道過程控制的重要依據(jù)。所以， 作為數(shù)字魚雷的輸入， 外部的仿真系統(tǒng)應(yīng)建立相應(yīng)的模型，并通過軟件接口給予提供， 如圖1之虛線方框內(nèi)。

圖1　數(shù)字魚雷仿真模型的基本框架Fig. 1　Frame of digital torpedo simulation model

1） 發(fā)射控制進程模型［5］。按照魚雷攻擊的自然過程， 描述武器系統(tǒng)對魚雷的控制。包括從魚雷上電、使用方式和自導(dǎo)方式確定、預(yù)設(shè)定參數(shù)裝訂、線導(dǎo)遙控等， 體現(xiàn)的是艇上魚雷武器系統(tǒng)對魚雷的控制過程和控制方法。

2） 裝訂參數(shù)模型［2］。為了提供魚雷彈道的控制條件， 作戰(zhàn)仿真時， 不僅要按照裝備實際提供裝訂參數(shù)， 而且這些參數(shù)還存在符合潛艇計算目標(biāo)運動參數(shù)和射擊參數(shù)誤差分布規(guī)律的一定量的隨機誤差。

3） 戰(zhàn)場水文環(huán)境模型［2］。作戰(zhàn)海區(qū)的水文環(huán)境是影響魚雷自導(dǎo)性能的重要因素， 通常這種影響的主要表現(xiàn)是魚雷自導(dǎo)探測距離的不確定性，最終體現(xiàn)在魚雷彈道軌跡的不確定。

4） 目標(biāo)及其運動狀態(tài)模型［6］。目標(biāo)艦艇的初始狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)魚雷的距離， 魚雷接近目標(biāo)過程中相對于目標(biāo)的位置， 以及目標(biāo)速度及其機動對抗措施都對魚雷的探測和彈道控制產(chǎn)生重要影響。

5　數(shù)字魚雷的技術(shù)方案構(gòu)建

由魚雷的彈道模型可以看出， 在需要描述多型魚雷， 而且每型魚雷又具有多種制導(dǎo)方式的仿真環(huán)境中， 如果采用過去那種只針對某一特定型號進行仿真， 其仿真軟件將是龐大而復(fù)雜的， 遠(yuǎn)不能勝任多型魚雷或同型魚雷多種制導(dǎo)方式的應(yīng)用環(huán)境。

為了實現(xiàn)通用性的目的， 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上必須采用模塊化設(shè)計的技術(shù)方法。為此， 可將實現(xiàn)魚雷不同功能的代碼分別做成子模塊， 然后把這些子模塊封裝一起構(gòu)成數(shù)字魚雷， 如圖1之實線的方框內(nèi)。

數(shù)字魚雷作為作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的重要組成部分之一， 其運行的時機取決于訓(xùn)練中魚雷是否發(fā)射，所以由仿真訓(xùn)練系統(tǒng)調(diào)用。為了滿足描述不同型號魚雷的需要， 數(shù)字魚雷應(yīng)包含魚雷性能參數(shù)庫和彈道模型庫兩個主要部分。

1） 魚雷性能參數(shù)庫的構(gòu)建。魚雷性能參數(shù)庫中以數(shù)據(jù)的形式存儲了需要仿真的魚雷性能參數(shù)資料， 如魚雷速度、自導(dǎo)探測性能和航程，以及特殊彈道的控制策略等。為了便于引用可采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫， 以使魚雷的性能參數(shù)與其型號相關(guān)聯(lián)。

2） 彈道模型庫的構(gòu)建。彈道模型庫封裝了魚雷各階段的彈道模型， 其本質(zhì)是用于解算給定條件下魚雷的彈道軌跡和運動參數(shù)（瞬時速度和航向）， 所以是彈道仿真的關(guān)鍵部分。

其他附屬模型用于描述魚雷彈道的相關(guān)附屬模型包括魚雷控制系統(tǒng)精度模型， 描述了魚雷航行過程的各種誤差， 通常是魚雷型號所固有的。

仿真過程中， 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)在魚雷發(fā)射后，只需通過傳遞所發(fā)射魚雷型號、自導(dǎo)方式和戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢調(diào)用數(shù)字魚雷。由數(shù)字魚雷從模型庫中分別調(diào)用相應(yīng)的子模塊即可達成型號、參數(shù)和彈道模型的統(tǒng)一， 進而在具有針對性的“作戰(zhàn)”條件下完成仿真過程模擬和計算。

6　作戰(zhàn)仿真應(yīng)用實例

采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法， 為作戰(zhàn)仿真功能的集成奠定了基礎(chǔ)。在具體編程時， 利用Visual C++面向?qū)ο笤O(shè)計語言， 各個較大的模型都是以類的形式進行設(shè)計， 如目標(biāo)和潛艇的戰(zhàn)術(shù)行為等。在這些專有類的基礎(chǔ)上， 加上一些Visual C++中的用于生成人機界面的通用類， 構(gòu)成整個仿真程序。圖2給出了作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中各專有類之間的邏輯關(guān)系和仿真流程。可以看出， 數(shù)字魚雷作為這種應(yīng)用系統(tǒng)的一個部件， 無需開發(fā)者對其內(nèi)部的仿真問題做任何工作。

圖2　作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)流程Fig. 2　Flow chart of operational simulation system

在系統(tǒng)運行過程中， 啟動數(shù)字魚雷的時機是由受訓(xùn)者的攻擊決策結(jié)果和魚雷發(fā)射后的時間確定的， 作為仿真系統(tǒng)只需在魚雷發(fā)射時向數(shù)字魚雷提供所發(fā)射魚雷的類型、使用方式和預(yù)設(shè)定參數(shù)， 隨后按照系統(tǒng)的仿真周期， 以當(dāng)前時間、作戰(zhàn)態(tài)勢和水文條件， 周期地啟動數(shù)字魚雷， 直到魚雷命中目標(biāo)或航程耗盡。

圖3給出了線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)魚雷彈道仿真的局部軌跡， 包括線導(dǎo)導(dǎo)引彈道、自導(dǎo)自適應(yīng)彈道和三波束尾流自導(dǎo)彈道。仿真軟件不僅滿足動態(tài)仿真系統(tǒng)的實時性要求， 而且魚雷彈道仿真精度高、各階段銜接良好。

圖3　線導(dǎo)導(dǎo)引和尾流自導(dǎo)跟蹤的仿真示意圖Fig. 3　Simulation example schematic of wire guidance and wake homing tracking

7　結(jié)束語

無論在技術(shù)上， 還是在戰(zhàn)術(shù)使用上， 魚雷武器彈道仿真都是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。目前， 針對魚雷功能研究的彈道仿真模型相對較多， 而用于戰(zhàn)術(shù)仿真、特別是復(fù)雜對抗條件下的魚雷彈道仿真模型， 不僅過少， 而且過于簡單，以至于難以體現(xiàn)作戰(zhàn)過程的實際。因此， 在用于作戰(zhàn)使用研究， 或者戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練目的時， 將難以達到貼近實際的效果。文中提出數(shù)字魚雷及其技術(shù)方案的目的也就在于對這方面工作的探索， 所研究的方法滿足了魚雷型號多、制導(dǎo)方式復(fù)雜條件下， 作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)對實時性、準(zhǔn)確性和擴展性的要求。

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（責(zé)任編輯： 許妍）

Military Application and Technical Scheme of Digital Torpedo

LI Ben-Chang，LI Yuan
（Research Centre of Submarine Operation Software， Navy Submarine Academy， Qingdao 266042， China）

According to the needs for operational simulation and military simulation training， this paper proposes a concept of a digital torpedo and its technical requirements by considering the complexity of a modern torpedo and its interaction with weapon system， and builds a torpedo trajectory model and an external control model with interfaces. Moreover， the technical scheme of a digital torpedo is designed by adopting the external trajectory simulation method， in which performance parameter is related to torpedo type， and trajectory stages are related to simulation process and tactical situation. In addition， an application example of an operational simulation training system is programmed with Visual C++. The result shows that the scheme can meet the requirements of real-time， accuracy and expansibility for an operational simulation training system.

torpedo attack； homing mode； external trajectory； operational simulation

TJ630； TP391

A

1673-1948（2015）06-0465-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.014

2015-07-30；

2015-10-14.

李本昌（1955-）， 男， 教授， 研究方向為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和武器運用.