齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?

齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

通過對參戰(zhàn)雙方各種攻擊及防御裝備的運動和聲學(xué)特性以及海洋環(huán)境參數(shù)進行數(shù)學(xué)建模，利用全數(shù)字計算機仿真技術(shù)建立一個水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)，是當(dāng)前條件下對水聲對抗系統(tǒng)進行配置優(yōu)化、效能評估以及對抗策略研究的有效手段。水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)對參戰(zhàn)雙方（敵方包括敵潛艇和其發(fā)射的魚雷，我方包括水面艦、魚雷報警聲納和水聲對抗器材）以及信道進行數(shù)學(xué)建模。該系統(tǒng)實現(xiàn)對參戰(zhàn)實體參數(shù)初始化，實現(xiàn)虛擬艦艇武器配置可視化，可進行水聲對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)全過程仿真，基于聲納方程的聲學(xué)解算，魚雷全彈道仿真，對抗雙方信息及對抗態(tài)勢的實時顯示，典型對抗過程的記錄及重演，采用蒙特卡羅分析方法對水聲對抗作戰(zhàn)的效能進行分析。

水聲對抗；推演；效能評估

1 引言

隨著新型艦艇的批量建造和裝備部隊，我海軍已逐步發(fā)展成為一支艦種基本齊全、規(guī)模較大、具有多兵種能力的海上軍事力量。如何按照二十一世紀海戰(zhàn)的不同要求，根據(jù)各艦種的不同功能進行合理的作戰(zhàn)裝備配置，以最大限度地發(fā)揮作戰(zhàn)效能和水平，形成強大的海上戰(zhàn)斗力，是各型海上作戰(zhàn)平臺需要解決的問題［1～3］。

水面艦平臺水下作戰(zhàn)的使命任務(wù)一是要盡早發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，對其實施攻擊；二是要防御敵方潛艇發(fā)射的魚雷攻擊，提高平臺的自身生存能力。對水面平臺的水下作戰(zhàn)過程進行仿真和效能評估的目的就是考察在典型戰(zhàn)場態(tài)勢下及不同裝備配置方案下水面平臺的水下防御作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效果。水面艦水聲對抗系統(tǒng)對抗器材和裝備一般分為三類，一是探測與報警設(shè)備，對來襲魚雷進行探測和報警；二是軟殺傷對抗器材，按工作原理分為背景噪聲干擾（壓制和降低敵方聲納對水面艦的檢測性能）和信號干擾（模擬目標(biāo)信號誘騙敵探測系統(tǒng)）；三是硬殺傷裝備直接毀傷魚雷，使其喪失攻擊能力［4～6］。

隨著水下武器及防御系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，影響水下作戰(zhàn)效果的因素也越來越多，如水下武器及對抗裝備的性能、攻擊及對抗時機、對抗與反對抗策略、對抗中雙方的機動情況、攻擊武器的反對抗能力、水聲環(huán)境的差異等等。要考察水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能，需要考慮上述各種因素，設(shè)計一系列不同條件下的水下作戰(zhàn)對抗試驗。但要想覆蓋所有因素的各種組合情況，在經(jīng)濟上和時間上都是不允許的。因此，通過對參戰(zhàn)雙方各種攻擊及防御裝備的運動和聲學(xué)特性以及海洋環(huán)境參數(shù)進行數(shù)學(xué)建模，利用全數(shù)字計算機仿真技術(shù)建立一個水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)，是當(dāng)前條件下最為經(jīng)濟可靠的研究手段［7～10］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)對水面艦水聲對抗作戰(zhàn)過程進行仿真，對作戰(zhàn)效果進行評估，并可提供態(tài)勢數(shù)據(jù)，對水聲對抗作戰(zhàn)推演過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進行記錄和回放，其主要功能有：

1）水聲對抗推演

對水面艦水聲對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中對抗雙方數(shù)據(jù)進行實時分析，進行戰(zhàn)場態(tài)勢實時解算，通過數(shù)據(jù)和態(tài)勢圖對當(dāng)期對抗態(tài)勢進行實時顯示，并給出單次仿真結(jié)果。

2）數(shù)據(jù)記錄功能

在水聲對抗推演仿真過程中，對典型態(tài)勢數(shù)據(jù)進行記錄，在后續(xù)研究中通過回放進行數(shù)據(jù)分析及研究

3）效能仿真功能

采用Monte-Carlo分析方法對水聲對抗作戰(zhàn)的效能進行仿真，可對水面平臺的水聲對抗系統(tǒng)的裝備配置、方案、技術(shù)指標(biāo)的合理性進行仿真論證和演示，對系統(tǒng)進行初期效能仿真分析，為系統(tǒng)的研制提供參考依據(jù)［11～12］。

4）對抗效果評估功能

對水面平臺的水聲對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)性能及對抗效果進行評估分析，為系統(tǒng)的持續(xù)改進提供參考依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)的設(shè)計需求，將其劃分為導(dǎo)演臺模塊、效能評估模塊等6個模塊。

1）導(dǎo)演臺模塊

負責(zé)整個仿真系統(tǒng)的管理工作，包括時序管理、進程管理、時間推進以及仿真初始化設(shè)置等；按照配置方案的參數(shù)輸入對水聲對抗系統(tǒng)進行配置，初始化相應(yīng)裝備性能參數(shù)。

2）水面艦?zāi)K

模擬水面艦的運動學(xué)特性，主要包括直航、加∕減速以及轉(zhuǎn)彎等；按照水面艦的航速、噸位等參數(shù)計算當(dāng)前水面艦的輻射噪聲級大小，作為魚雷被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)聲源；模擬在不同水文條件、不同魚雷來襲角度時魚雷報警聲納對來襲魚雷進行探測報警的過程；模擬對抗器材發(fā)射、入水、工作以及結(jié)束工作的全過程。

3）潛艇模塊

模擬潛艇簡單運動學(xué)特性；模擬魚雷對水面艦攻擊的全過程。

4）信道模塊

負責(zé)按照海洋信道參數(shù)，基于射線聲學(xué)計算聲在水下傳播中的擴展和吸收損失。

5）效能評估模塊

效能評估模塊在單次仿真結(jié)束后，進行仿真初始數(shù)據(jù)重置，記錄單次仿真結(jié)果，采用Monte-Carlo分析方法對水聲對抗作戰(zhàn)效果進行評估。

圖1 內(nèi)部接口示意圖

6）推演模塊

推演模塊接收水面艦?zāi)K和潛艇模塊的運動學(xué)、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行實時分析，進行當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢解算，依據(jù)對抗態(tài)勢給出單次對抗結(jié)果。對推演過程的態(tài)勢數(shù)據(jù)按照一定的格式進行存儲；按照設(shè)定的仿真節(jié)拍，以一定的間隔讀取記錄的態(tài)勢數(shù)據(jù)文件，進行推演過程回放。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于上述系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)代碼開發(fā)是在Windows操作系統(tǒng)、Microsoft Visual Studio開發(fā)平臺下完成的。對水面艦及其水聲對抗系統(tǒng)、敵方潛艇以及魚雷等進行仿真模擬，考慮影響對抗效果的隨機誤差，并對作戰(zhàn)原則進行合理約束，形成水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)工作流程

基于系統(tǒng)實現(xiàn)功能，確定系統(tǒng)的基本工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 仿真案例分析

仿真計算之前，先確定仿真條件、初始態(tài)勢參數(shù)、對抗策略和仿真類型。良好水文條件，假設(shè)報警聲納報警距離為D公里；敵潛艇距離水面艦初始距離為M公里，發(fā)射魚雷對水面艦實施攻擊；水面艦在聲納報警之前勻速直航，當(dāng)聲納報警后水面艦發(fā)射水聲對抗器材4枚并進行變速轉(zhuǎn)彎規(guī)避；典型情況下運動態(tài)勢如圖3所示。

圖3 運動態(tài)勢圖

圖3為俯視圖，沒有體現(xiàn)目標(biāo)運動過程中深度的變化。其中：1表示水面艦的運動軌跡線。圖示的為某種規(guī)避策略下轉(zhuǎn)彎規(guī)避的情況。2表示敵方魚雷的攻擊過程軌跡線。3表示潛艇的運動軌跡線。A、B、C、D表示投放的四個器材落點的位置。

水面艦所攜帶的魚雷報警聲納報警后，投放了4枚水聲對抗器材并進行轉(zhuǎn)彎規(guī)避，當(dāng)水面艦轉(zhuǎn)到一定規(guī)避角度后開始加速直航。敵方線導(dǎo)系統(tǒng)受到對抗器材干擾后轉(zhuǎn)由聲自導(dǎo)控制魚雷對目標(biāo)進行跟蹤，魚雷受器材D誘騙，對其進行攻擊，在丟失目標(biāo)再搜索過程中被器材C誘騙，此時，魚雷陷入器材C和器材D的誘騙之中。以上運動態(tài)勢為典型水聲對抗過程，符合海事試驗的實驗結(jié)果。

當(dāng)仿真類型為效能評估時，統(tǒng)計仿真結(jié)果并給出當(dāng)次對抗結(jié)果，對抗效果分析結(jié)果顯示如下圖所示。

圖4 效能分析結(jié)果

4 結(jié)語

依據(jù)水面艦水聲對抗系統(tǒng)推演及效能評估的任務(wù)、使命和功能，選擇相應(yīng)的評估指標(biāo)，建立水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)。本文所述的水聲對抗推演及效能評估系統(tǒng)承擔(dān)典型水下作戰(zhàn)態(tài)勢下，水面艦水聲對抗作戰(zhàn)過程推演和作戰(zhàn)效能評估的任務(wù)，可提供作戰(zhàn)過程中各對抗實體的實時態(tài)勢數(shù)據(jù)供研究使用，并可記錄典型推演過程數(shù)據(jù)實現(xiàn)典型推演過程的回放。

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Design and Implementation of Effectiveness Evaluation System for Underwater Acoustic Warfare

Qi Zhengyun CHU Fuzhao
（Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute，Shanghai 201108）

Mathematical modeling for the movement and acoustics characteristic of attack and defense equipment，which can build effectiveness evaluation system for underwater defense，this method is a valid measure for configuration optimization and strategies research in current condition to underwater defense.The evaluation system for underwater defense builds mathematical model of underwater acoustic channel and campaigns，including submarine and torpedo，surface ship，sonar and acoustic countermeasure equipments.The system can initialize parameter of the entities in each side，weapon scheme of the ship visual and simulate the whole process with the torpedo trajectory of underwater defense.Through typical state derivation，building state data and recording the data，which can be used to replay.Based on the sonar equation the information and state are displayed，combining the Monte-Carlo method，which can be used to effectiveness evaluation.

underwater acoustic warfare，deduction，effectiveness evaluation

TP391.9

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.023

Class Number TP391.9

2017年4月10日，

2017年5月30日

齊正云，女，碩士，工程師，研究方向：水聲對抗系統(tǒng)仿真研究。褚福照，男，博士，高級工程師，研究方向：陣列信號處理及水聲對抗系統(tǒng)仿真。