田恒斗，侯寶娥，翟東民，房 毅（解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041）

懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)的有效攔截域分析*

田恒斗，侯寶娥，翟東民，房 毅
（解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041）

針對懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)使用中需對目標的可攔性進行快速判斷的需求，提出了系統(tǒng)有效攔截域的概念，又根據系統(tǒng)作戰(zhàn)流程和工作原理，將有效攔截域判斷條件細化為時間域和空間域兩個方面判據，進而構建了基于實戰(zhàn)中可獲取的戰(zhàn)場態(tài)勢等相關信息計算系統(tǒng)有效攔截域的數學模型，并具體給出了一個計算實例。研究結果可為其作戰(zhàn)使用提供一定參考。

反魚雷武器系統(tǒng)，懸浮式深彈，攔截域，數學模型

0 引言

魚雷武器自從誕生起就對水面艦船構成了巨大威脅，因此，反魚雷技術也一直是世界各國研究的熱點。不過，由于反魚雷作戰(zhàn)涉及因素多、技術難度大，在很長一段時間內，僅有聲誘餌、氣幕彈等軟對抗手段［1］。然而，隨著魚雷自導系統(tǒng)智能化程度的不斷提高，特別是尾流自導魚雷的大量裝備，傳統(tǒng)的水聲對抗手段已難以形成有效的對抗能力［2］。因此，直接摧毀來襲魚雷的硬殺傷式對抗技術開始受到各國重視，其中以俄羅斯海軍已裝備的“蟒蛇”反魚雷深彈系統(tǒng)和美英等國正在發(fā)展的反魚雷魚雷最具代表性［3］。在此背景下，我國也加緊了懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)相關技術和戰(zhàn)術的研究［4-7］。在其作戰(zhàn)使用中，因受系統(tǒng)固有的射程、射界等因素限制，尚無法對所有態(tài)勢下的來襲魚雷均進行攔截；且反魚雷作戰(zhàn)進程快，系統(tǒng)再裝填時間較長，故通常僅有一次攔截機會；同時，如與水聲對抗等系統(tǒng)進行聯(lián)合反魚雷作戰(zhàn)，也需根據各自的對抗區(qū)域作出合理的聯(lián)合防御決策。因此，科學迅速地判斷來襲魚雷目標是否處于懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)的有效攔截范圍內，是發(fā)揮其作戰(zhàn)能力的重要基礎。而目前這方面的研究還相對較少，文獻［8］提出了系統(tǒng)射擊區(qū)和殺傷區(qū)的概念，并初步探討了射界和射距判別條件。在此基礎上，本文提出了懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)有效攔截域的概念，又根據系統(tǒng)作戰(zhàn)流程和功能特點，將其細化為時間域和空間域兩方面判據；并依據系統(tǒng)工作原理，完全基于實際作戰(zhàn)中可以獲取的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，構建了相應的判斷模型，給出了一個計算實例。以此進一步豐富相關的理論研究，并為其作戰(zhàn)使用提供一定參考。

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

為便于下文論述，首先將懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)的組成及工作原理簡介如下。該武器系統(tǒng)主要由魚雷報警聲納、火控設備、發(fā)控設備、發(fā)射裝置（包括隨動設備和發(fā)射炮）、懸浮式深彈等部分組成，并通過作戰(zhàn)系統(tǒng)以太網與本艦指揮控制系統(tǒng)、綜合導航、水文氣象、火力兼容、時統(tǒng)設備等系統(tǒng)交互信息［7］，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及接口關系示意圖

艦船航行過程中，當存在潛艇威脅時，由指揮員決策進行水下防御作戰(zhàn)準備，組織布放魚雷報警聲納，向發(fā)射裝置裝填懸浮式深彈，系統(tǒng)備便后開始作戰(zhàn)值班。當有魚雷來襲時，其作戰(zhàn)流程及工作原理如下。

1）魚雷報警聲納探測到來襲魚雷，發(fā)出魚雷報警信號并向指揮控制系統(tǒng)和火控設備發(fā)送來襲魚雷的目標信息。因魚雷報警聲納為被動工作方式，故目標信息中僅包含來襲魚雷方位信息。

2）指揮控制系統(tǒng)向懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)下達目標指示，火控設備接收目指信息后，根據現(xiàn)場水文環(huán)境信息和戰(zhàn)場情報估算魚雷距離和類型，據此再綜合本艦導航、氣象等信息，生成攔截來襲魚雷的作戰(zhàn)方案，并輸出各枚懸浮式深彈的射擊諸元。

3）發(fā)控設備和發(fā)射裝置根據火控設備發(fā)送來的射擊諸元控制發(fā)射懸浮式深彈。

4）懸浮式深彈入水后開始工作，在系統(tǒng)估計的來襲魚雷航向前方形成攔截陣。

5）在懸浮式深彈的有效工作時間內，當魚雷穿過該攔截陣時，聲引信在魚雷和深彈最近距離處起爆戰(zhàn)斗部，毀傷來襲魚雷。如魚雷未穿過攔截陣，懸浮式深彈一定時間后自毀。

2 系統(tǒng)有效攔截域的基本概念

本文將懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)的有效攔截域定義為:在魚雷報警時刻，經系統(tǒng)反應時間后立即發(fā)射懸浮式深彈，可對其進行有效攔截的魚雷位置點的集合。魚雷位置點可由報警時刻魚雷相對本艦的方位和距離來表征，其中的方位直接來自于報警聲納的探測信息，距離則由系統(tǒng)火控設備根據現(xiàn)場水文環(huán)境等信息估算得出。

又根據前述系統(tǒng)作戰(zhàn)流程和工作原理，系統(tǒng)在接到魚雷報警信號后，在當前態(tài)勢下經過系統(tǒng)反應時間立即發(fā)射懸浮式深彈可對來襲魚雷實施攔截，應同時滿足兩個條件:第1，時間域判據，即魚雷通過攔截陣的預估時刻應在懸浮式深彈的有效工作時間內；第2，空間域判據，即在發(fā)射時刻懸浮式深彈的布陣范圍與預估的魚雷航跡相交。下文將據此構建系統(tǒng)有效攔截域的數學模型。

3 系統(tǒng)有效攔截域的數學描述

為便于模型構建，首先建立如下坐標系:以魚雷報警時刻本艦位置點為坐標原點，真北向為y軸正方向，正東向為x軸正方向；y軸正方向為0°航向，順時針方向為航向增大；右舷角為正值，左舷角為負值。

3.1 時間域計算模型

圖2 時間域判據示意圖

魚雷能否在懸浮式深彈的有效工作時間內通過攔截陣，除受系統(tǒng)的反應時間、射程，深彈飛行時間、展開時間、工作時間等固有參數影響外，主要還取決于來襲魚雷與本艦的相對航向、航速和魚雷報警距離。如圖2所示，在某一報警舷角Qm上存在一個時間上最近可攔截的魚雷距離Dtmin，在該距離處發(fā)出報警并經系統(tǒng)反應時間ts后立即發(fā)射懸浮式深彈，魚雷可在其入水后開始工作的起始時刻通過攔截陣。同時，在該舷角上也存在一個時間上最遠可攔截的魚雷距離Dtmax，在該距離處發(fā)出報警并經ts后發(fā)射懸浮式深彈，魚雷可在其有效工作時間的最后時刻通過攔截陣。

顯然，只要在魚雷報警時刻魚雷與本艦距離D滿足Dtmin≤D≤Dtmax，則在時間上具備攔截魚雷條件。因此，對時間域的判斷可轉化為求取不同態(tài)勢下的Dtmin和Dtmax問題。

3.1.1 Dtmin的計算方法

如圖2，當懸浮式深彈入水開始工作這一時刻，假設魚雷航行至T1（xT1，yT1）點，此時魚雷與深彈發(fā)射時刻本艦位置點W（xw，yw）之間的距離應不小于懸浮式深彈最小射程Rmin，即滿足下式:

式中，（xw，yw）可根據魚雷報警時刻艦艇位置、本艦航向、航速按下式計算，

其中，（xw0，yw0）是魚雷報警時刻本艦位置坐標；Cw為本艦航向；Vw為本艦航速。又魚雷坐標（xT1，yT1）可由下式計算，

式中，VT為火控設備估計的魚雷航速；CT為估算魚雷航向，根據文獻［3］提供的方法計算；tfmin為對應懸浮式深彈最小射程時的飛行時間；tz為深彈從入水到開始正常工作的展開時間；（xT0，yT0）為報警時刻魚雷位置坐標，可由下式計算，

則滿足式（1）的最小D值即為時間上最小可攔截的魚雷距離Dtmin。計算時可通過迭代算法快速確定該值。

3.1.2 Dtmax的計算方法

如圖2，在計算時間上最大可攔截距離時，考慮當懸浮式深彈恰好停止工作這一時刻，魚雷所在T1'點到W點之間的距離應不大于深彈的最大射程Rmax，才能保證魚雷在其有效工作時間內穿過攔截陣，即滿足下式:

式中，（xw，yw）由式（2）計算，（）計算式為

式中，tfmax為對應懸浮式深彈最大射程時的飛行時間；tg為深彈的有效工作時間；其他參數含義同式（3），其中（x'T0，y'T0）亦由式（4）確定。

則滿足式（5）的最大D值即為時間上最大可攔截的魚雷距離Dtmax，計算時也利用迭代算法確定該值。

3.2 空間域計算模型

空間域可攔的判據是在發(fā)射時刻懸浮式深彈的布陣范圍與預估魚雷航跡相交。受系統(tǒng)方位射界和射程限制，在不考慮本艦轉向機動的條件下，對某一舷來襲的目標只有對應該舷武器可對其進行攔截，故對某一來襲目標系統(tǒng)的布陣范圍為如圖3所示的一扇環(huán)形區(qū)域，以舷角表示其射界范圍為［Qmin，Qmax］。

圖3 空間域判據示意圖

顯然，在滿足時間域可攔判據的條件下，只要魚雷航跡與深彈最大射程所形成的扇形區(qū)域相交或相切，即滿足上述空間域可攔條件。該條件等價于發(fā)射時刻本艦位置點W（xw，yw）與魚雷航跡線T0A之間的距離不大于深彈最大射程Rmax，即魚雷航跡線與系統(tǒng)最大射程圓相交（或相切），且交點（或切點）A相對于W的舷角需在區(qū)間［Qmin，Qmax］內。

在本文坐標系下，直線T0A可表示為，

則上述空間域可攔條件的數學表示為，

式中（xw，yw）由式（2）確定，（xT0，yT0）由式（4）確定，則滿足式（8）的最大D值即為空間上最大可攔截的魚雷距離DLmax。

因方位射界限制，在本艦首尾方向存在一定范圍的攔截盲區(qū)，在計算中當D＜Dtmin時如仍不滿足式（8），則對該報警舷角上的目標，系統(tǒng)無法攔截，判定DLmax=0。

3.3 有效攔截域的確定

綜上，在報警時刻某一位置處的目標需同時滿足時間域和空間域可攔條件，系統(tǒng)才能對其實施攔截。故對報警舷角Qm上的目標，系統(tǒng)有效攔截范圍［Dmin，Dmax］為，

4 攔截域的計算實例

暫不考慮潛艇實施攻擊時占領有利陣位等敵方因素和魚雷報警聲納探測范圍限制，假設魚雷可能從任意方位攻擊本艦，即魚雷報警舷角Qm分布在［-180°，180°］區(qū)間內。設懸浮式深彈武器系統(tǒng)的相關參數取值為Rmin=1 000 m、Rmax=2 000 m、tfmin=10 s、tfmax=25 s、tz=6 s、tg=300 s、Qmin=±40°，Qmax=±160°。本艦航速分別取Vw=18 kn和Vw=30 kn。采用文中構建的數學模型進行計算，結果以極坐標形式表示如圖4。圖中以報警時刻本艦位置點為原點，本艦航向為0°方向，右舷目標舷角為正，左舷目標舷角為負。

圖4 有效攔截域計算結果

本艦航速Vw=18 kn時，系統(tǒng)對來襲魚雷的有效攔截域為圖中實線圍成區(qū)域，Vw=30 kn時為虛線圍成區(qū)域。由圖可見，系統(tǒng)對來襲魚雷的有效攔截域是以本艦航向為軸線，左右舷對稱的兩塊區(qū)域；且對正橫附近目標的有效攔截范圍相對較小，在大、小舷角處其攔截范圍相對較大；但受系統(tǒng)方位射界限制，在艦首尾方向存在一定范圍的攔截盲區(qū)，該盲區(qū)的角度范圍小于系統(tǒng)射界死角。同時，隨本艦航速不同，系統(tǒng)有效攔截域變化顯著，隨航速增大其在正橫附近的攔截域變小，但在艦首方向的攔截域變大［9］。

在實際應用中，可根據本艦航速、系統(tǒng)工作參數、作戰(zhàn)對象類型等信息，預先計算生成有效攔截域態(tài)勢圖，以便輔助指揮員在魚雷報警時刻快速判斷目標是否可攔截，進而采取科學的對抗策略。

5 結論

針對懸浮式深彈反魚雷武器系統(tǒng)受其固有的射程、射界等因素限制，在作戰(zhàn)使用中無法對所有態(tài)勢下的來襲魚雷均進行攔截的問題，本文提出了該武器系統(tǒng)有效攔截域的概念。又根據系統(tǒng)作戰(zhàn)流程和功能特點，將其細化為時間域和空間域兩方面判據。并依據系統(tǒng)工作原理，構建了完全基于實際作戰(zhàn)中可以獲取的戰(zhàn)場態(tài)勢等信息計算系統(tǒng)有效攔截域的數學模型，具體給出了一個計算實例。研究結果可進一步豐富相關的理論研究，并為其作戰(zhàn)使用中指揮員科學快速決策提供一定參考。

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Analysis of Effective Intercepting Domain of Hovering Depth Charge Anti-torpedo Weapon System

TIAN Heng-dou，HOU Bao-e，ZHAI Dong-min，F(xiàn)ANG Yi
（Unit 91439 of PLA，Dalian 116041，China）

It is necessary to evaluate quickly the performance of interception of the hovering depth charge anti-torpedo weapon system.The concept of effective intercepting domain is presented and divided into two parts:time domain and spatial domain according to the operation flow and working principle.A mathematical model is proposed to determine the effective intercepting domain of the weapon system based on the battlefield situation.A calculation example shows that the mathematical model can be applied as a reference for weapon system’s operational application.

anti-torpedo weapon system，hovering depth charge，intercepting domain，mathematical model

TJ65

A

1002-0640（2017）03-0013-04

2015-12-13

2016-01-07

海軍專項科研基金資助項目

田恒斗（1981- ），男，山東淄博人，博士。研究方向：作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗總體技術等。