曹 萌, 倪文璽, 蔣繼軍

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反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹 萌, 倪文璽, 蔣繼軍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

數(shù)學(xué)仿真在武器論證和研制中能夠起到優(yōu)化參數(shù)匹配、評(píng)估作戰(zhàn)效能、預(yù)估試驗(yàn)結(jié)果等作用。反魚(yú)雷魚(yú)雷自身特性決定了其彈道攔截過(guò)程較之傳統(tǒng)魚(yú)雷更為復(fù)雜, 基于此, 文中設(shè)計(jì)了一個(gè)反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng), 闡述了仿真系統(tǒng)的功能與組成、關(guān)鍵模型和模塊, 利用典型的作戰(zhàn)工況進(jìn)行了仿真應(yīng)用, 驗(yàn)證了相關(guān)模型和仿真系統(tǒng)的有效性。反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)可以在考慮作戰(zhàn)使用的條件下對(duì)其總體性能方案進(jìn)行研究, 驗(yàn)證彈道動(dòng)作流程、導(dǎo)引律、性能參數(shù)等設(shè)計(jì)的合理性, 為反魚(yú)雷魚(yú)雷的論證和工程研制提供有力支撐。

反魚(yú)雷魚(yú)雷; 全彈道; 仿真系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)代魚(yú)雷通過(guò)對(duì)目標(biāo)特性的提取和判別, 已經(jīng)能夠有效識(shí)別真假目標(biāo)。在這種情況下, 聲誘餌、聲干擾器等“軟對(duì)抗”器材對(duì)魚(yú)雷的誘騙效果將會(huì)逐漸降低。反魚(yú)雷魚(yú)雷是一種積極、主動(dòng)搜尋并攔截來(lái)襲魚(yú)雷的“硬殺傷”武器, 具有不同于傳統(tǒng)魚(yú)雷的鮮明特點(diǎn)和難點(diǎn), 以其攔截毀傷概率高成為世界海軍水下防御的重要發(fā)展方向之一[1]。

反魚(yú)雷魚(yú)雷整個(gè)彈道攔截過(guò)程不僅是其設(shè)計(jì)中由諸多參量相互作用而成的復(fù)雜過(guò)程, 而且和作戰(zhàn)使用中來(lái)襲魚(yú)雷的態(tài)勢(shì)相關(guān)。反魚(yú)雷魚(yú)雷設(shè)計(jì)中每個(gè)彈道段之間緊密聯(lián)系, 其中任一參量的變化都有可能給整個(gè)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能帶來(lái)很大影響[2-3]。研究并設(shè)計(jì)高置信度的反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究顯得尤為重要。文中正是在這樣的需求背景下, 針對(duì)反魚(yú)雷魚(yú)雷的作戰(zhàn)模擬, 建立反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道仿真系統(tǒng), 為反魚(yú)雷魚(yú)雷的作戰(zhàn)使用以及反魚(yú)雷魚(yú)雷的作戰(zhàn)效能研究提供支撐。

1 仿真系統(tǒng)組成和功能

反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道仿真系統(tǒng)軟件各功能模塊組成及相關(guān)邏輯如圖1所示。從總體結(jié)構(gòu)上分為人機(jī)交互、仿真模型、仿真過(guò)程控制、數(shù)據(jù)分析四大部分?？蓪?shí)現(xiàn)以下功能: 1) 支持單次仿真和統(tǒng)計(jì)仿真; 2) 應(yīng)用通用軟件開(kāi)發(fā)工具, 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)仿真環(huán)境框架和相關(guān)仿真模型, 模型能夠獨(dú)立封裝, 可重用性強(qiáng); 3) 通過(guò)靈活的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)設(shè)定, 能夠完整模擬來(lái)襲魚(yú)雷攻擊水面艦艇和反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截來(lái)襲魚(yú)雷的全過(guò)程; 4) 通過(guò)仿真試驗(yàn), 可評(píng)估不同反魚(yú)雷魚(yú)雷射擊陣位下, 反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截來(lái)襲魚(yú)雷的作戰(zhàn)效能, 分析、驗(yàn)證反魚(yú)雷魚(yú)雷不同參數(shù)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能的影響; 5) 在典型反魚(yú)雷魚(yú)雷態(tài)勢(shì)驅(qū)動(dòng)下, 可對(duì)反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道動(dòng)作流程(包括初始程序彈道、自導(dǎo)搜索彈道、跟蹤導(dǎo)引彈道和命中攻擊彈道)的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)

反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道仿真系統(tǒng)的人機(jī)界面采用QT4[4-5]開(kāi)發(fā), 顯示分辨率≥1 024×768, 界面可自適應(yīng)全屏顯示及多個(gè)頁(yè)面同時(shí)顯示。同時(shí), 人機(jī)界面符合Windows風(fēng)格, 能夠按照試驗(yàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和實(shí)航試驗(yàn)任務(wù)書(shū)形式設(shè)置仿真初始態(tài)勢(shì), 根據(jù)設(shè)定態(tài)勢(shì)對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行適配。界面執(zhí)行流程如圖2所示, 啟動(dòng)軟件后進(jìn)入仿真實(shí)體性能參數(shù)配置, 配置完成后, 進(jìn)入仿真模式選擇, 仿真模式分為單次仿真和統(tǒng)計(jì)仿真, 進(jìn)入相應(yīng)模式初始界面后, 開(kāi)始執(zhí)行仿真流程。

1) 界面1: 仿真實(shí)體性能參數(shù)配置如圖3所示, 包括反雷性能參數(shù)、來(lái)襲雷性能參數(shù)和武器系統(tǒng)性能參數(shù)。

圖1 基本功能模塊調(diào)用關(guān)系圖

2) 界面2: 仿真選擇界面, 點(diǎn)擊單次仿真, 進(jìn)入界面3, 點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)仿真, 進(jìn)入界面4。

3) 界面3: 單次仿真界面, 首先進(jìn)行仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定, 點(diǎn)擊仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定按鈕, 進(jìn)入仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定界面, 仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定完成后點(diǎn)擊確定, 通過(guò)返回按鈕進(jìn)入單次仿真界面, 進(jìn)行單次仿真。

4) 界面4: 統(tǒng)計(jì)仿真界面, 首先進(jìn)行仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定, 點(diǎn)擊仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定按鈕, 進(jìn)入仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定界面, 仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定完成后點(diǎn)擊確定, 通過(guò)返回按鈕進(jìn)入到統(tǒng)計(jì)仿真界面, 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)仿真。

5) 界面5: 仿真態(tài)勢(shì)設(shè)定界面如圖4所示, 包括本艦態(tài)勢(shì)、來(lái)襲魚(yú)雷態(tài)勢(shì)和反雷態(tài)勢(shì)。

圖4 仿真實(shí)體態(tài)勢(shì)界面

2.2 仿真模型設(shè)計(jì)

仿真建模采用類(lèi)庫(kù)封裝的建模方法, 形成數(shù)字魚(yú)雷仿真類(lèi)庫(kù), 類(lèi)庫(kù)包含本艦、反魚(yú)雷魚(yú)雷、來(lái)襲魚(yú)雷、海洋環(huán)境以及仿真過(guò)程控制等各模型組件。各個(gè)模型考慮可重用性需求, 對(duì)輸入、輸出接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì), 能夠被其他仿真系統(tǒng)調(diào)用, 下面以反魚(yú)雷魚(yú)雷和過(guò)程控制模型為例, 進(jìn)行對(duì)外交互接口的設(shè)計(jì)。

2.2.1 反魚(yú)雷魚(yú)雷模型

反魚(yú)雷魚(yú)雷模型[6]由5個(gè)模塊組成, 包括: 魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)模塊、綜合控制模塊、相對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊、彈道邏輯模塊和自導(dǎo)檢測(cè)模塊, 各功能模塊間的調(diào)用關(guān)系和輸入輸出接口如圖5所示。

2.2.2 仿真過(guò)程控制模型

模型建立完成后, 設(shè)定初始狀態(tài), 進(jìn)行仿真參數(shù)范圍設(shè)置, 如圖3和圖4所示, 進(jìn)行多次迭代仿真試驗(yàn), 并對(duì)整個(gè)仿真過(guò)程進(jìn)行控制(開(kāi)始、暫停和停止)。運(yùn)行過(guò)程中, 各個(gè)模塊按照步長(zhǎng)進(jìn)行推進(jìn), 模塊間按照協(xié)議進(jìn)行通信; 單次仿真為魚(yú)雷追擊艦艇, 艦艇探測(cè)識(shí)別來(lái)襲魚(yú)雷并發(fā)射反魚(yú)雷魚(yú)雷進(jìn)行射擊攔截, 在一次過(guò)靶后單次仿真結(jié)束; 單次仿真結(jié)束后, 自動(dòng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置, 進(jìn)行下次仿真運(yùn)行迭代; 根據(jù)搜索優(yōu)化設(shè)定條件, 尋求滿(mǎn)足要求的局部最優(yōu)結(jié)果, 輸出仿真過(guò)程參數(shù)如表1所示, 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 仿真過(guò)程參數(shù)

表2 仿真結(jié)果參數(shù)

2.3 軟件流程設(shè)計(jì)

反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)應(yīng)用流程按照預(yù)想的作戰(zhàn)仿真過(guò)程設(shè)計(jì), 具體描述如下。

1) 運(yùn)行反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真平臺(tái), 對(duì)仿真方式進(jìn)行選擇, 包括單次仿真和統(tǒng)計(jì)仿真。

2) 設(shè)置相應(yīng)的仿真態(tài)勢(shì)(包括來(lái)襲魚(yú)雷的初始位置、本艦的初始位置)。

3) 依據(jù)目前的聲吶探測(cè)能力, 給出帶有一定誤差的魚(yú)雷報(bào)警舷角、距離、速度和航向信息, 按照迎面攔截射擊法[7-10]求解射擊諸元參數(shù)。

4) 裝訂射擊諸元參數(shù), 包括一次轉(zhuǎn)角、一次轉(zhuǎn)角后航行時(shí)間、二次轉(zhuǎn)角等。

5) 仿真開(kāi)始, 隨著仿真步長(zhǎng)的推進(jìn), 每仿真步長(zhǎng)執(zhí)行以下步驟: a. 本艦運(yùn)動(dòng); b. 來(lái)襲魚(yú)雷按照設(shè)定狀態(tài)運(yùn)動(dòng), 完成初始彈道, 自導(dǎo)開(kāi)機(jī), 進(jìn)行聲自導(dǎo)檢測(cè), 執(zhí)行相應(yīng)自導(dǎo)導(dǎo)引彈道邏輯; c. 反魚(yú)雷魚(yú)雷發(fā)射后按照設(shè)計(jì)的全彈道流程開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

6) 如果為單次仿真, 每顯示步長(zhǎng), 本艦、來(lái)襲魚(yú)雷和反魚(yú)雷魚(yú)雷更新數(shù)據(jù)到人機(jī)交互界面, 進(jìn)行態(tài)勢(shì)顯示。

7) 統(tǒng)計(jì)仿真采用非實(shí)時(shí)解算方式, 每完成一次仿真, 其數(shù)據(jù)更新到人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。

2.4 仿真同步和時(shí)鐘控制

1) 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行單次仿真時(shí), 針對(duì)3個(gè)仿真實(shí)體建立3個(gè)線(xiàn)程同步運(yùn)行, 每個(gè)線(xiàn)程的數(shù)學(xué)仿真步長(zhǎng)為5 ms, 直到仿真停止, 過(guò)程數(shù)據(jù)顯示采用時(shí)鐘控制, 每20個(gè)仿真步長(zhǎng)更新一次;

2) 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)仿真時(shí), 采用非實(shí)時(shí)解算方式, 對(duì)單條次解算結(jié)果和統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行輸出;

3) 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)支持仿真結(jié)果回放, 仿真過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)步長(zhǎng)為5 ms, 進(jìn)行回放時(shí), 以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)步長(zhǎng)進(jìn)行仿真推進(jìn)。

3 仿真應(yīng)用

3.1 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道典型態(tài)勢(shì)仿真

在建立的全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)平臺(tái)上, 以某型魚(yú)雷攻擊某型水面艦艇為例, 對(duì)反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截來(lái)襲魚(yú)雷的整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn), 通過(guò)單次仿真驗(yàn)證反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道動(dòng)作流程的設(shè)計(jì)合理性; 通過(guò)統(tǒng)計(jì)仿真評(píng)估不同反魚(yú)雷魚(yú)雷射擊陣位下, 反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截來(lái)襲魚(yú)雷的作戰(zhàn)效能。

3.1.1 作戰(zhàn)想定

仿真系統(tǒng)采用大地坐標(biāo)系, 以零時(shí)刻本艦位置為原點(diǎn), 正北為軸,軸按右手法則確定, 建立直角坐標(biāo)系。

仿真想定內(nèi)容如下:

1) 仿真初始時(shí)刻(0 s), 艦艇位于(0,0)點(diǎn), 初始航向?yàn)?o, 以一定速度直航運(yùn)動(dòng); 來(lái)襲魚(yú)雷進(jìn)入反魚(yú)雷魚(yú)雷探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)范圍, 探測(cè)來(lái)襲魚(yú)雷坐標(biāo)為(2 000, 2 000), 方位為–45o, 速度為50 kn; 反魚(yú)雷魚(yú)雷處于為發(fā)射待命狀態(tài);

2) 反魚(yú)雷魚(yú)雷探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的方位探測(cè)誤差為±3o, 距離探測(cè)誤差為5%(為初始探測(cè)距離), 數(shù)據(jù)滿(mǎn)足正態(tài)分布;

3) 反魚(yú)雷武器系統(tǒng)在魚(yú)雷報(bào)警后規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成射擊諸元的求解并發(fā)射反魚(yú)雷魚(yú)雷;

4) 反魚(yú)雷魚(yú)雷入水后, 進(jìn)行目標(biāo)搜索和檢測(cè), 當(dāng)來(lái)襲魚(yú)雷在反魚(yú)雷魚(yú)雷自導(dǎo)作用范圍內(nèi)時(shí), 捕獲來(lái)襲魚(yú)雷, 以高速向目標(biāo)靠近;

5) 當(dāng)雷目距離小于引信作用距離時(shí), 反魚(yú)雷魚(yú)雷攔截成功。

3.1.2 仿真結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)態(tài)勢(shì)想定, 在參數(shù)設(shè)定中對(duì)目標(biāo)、來(lái)襲魚(yú)雷、反魚(yú)雷魚(yú)雷坐標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)定。同時(shí), 對(duì)魚(yú)雷其他需求參數(shù)進(jìn)行配置。設(shè)定完成后加載試驗(yàn)態(tài)勢(shì), 進(jìn)行單次仿真和統(tǒng)計(jì)仿真。仿真過(guò)程如圖6和圖7所示。

從圖6可以看出, 艦艇武器系統(tǒng)在報(bào)警后規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)射反魚(yú)雷魚(yú)雷, 反魚(yú)雷魚(yú)雷按照武器系統(tǒng)求解的射擊諸元運(yùn)動(dòng), 自導(dǎo)開(kāi)機(jī)后, 反魚(yú)雷魚(yú)雷檢測(cè)到來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), 以高速靠近目標(biāo), 執(zhí)行相應(yīng)的導(dǎo)引彈道, 當(dāng)反魚(yú)雷魚(yú)雷與來(lái)襲魚(yú)雷相對(duì)距離小于反魚(yú)雷魚(yú)雷毀傷半徑或來(lái)襲魚(yú)雷與艦艇相對(duì)距離小于來(lái)襲魚(yú)雷毀傷半徑時(shí), 仿真停止。

從圖7可以看出, 在距離誤差5%, 方位誤差3o, 航向誤差2o, 速度誤差1.5 m/s, 且均滿(mǎn)足正態(tài)分布條件下, 統(tǒng)計(jì)仿真命中概率為74%, 仿真結(jié)果與前期的理論研究結(jié)果相符。

3.2 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道性能指標(biāo)優(yōu)化仿真

在建立的全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)平臺(tái)上分析反魚(yú)雷魚(yú)雷不同性能參數(shù)的作戰(zhàn)效能。

3.2.1 仿真內(nèi)容

在同一發(fā)射陣位下分別模擬來(lái)襲魚(yú)雷為直航雷和聲自導(dǎo)雷時(shí), 反魚(yú)雷魚(yú)雷在不同自導(dǎo)作用距離下的作戰(zhàn)效能, 考慮聲吶探測(cè)的距離和方位誤差, 考核指標(biāo)為反魚(yú)雷魚(yú)雷的攔截概率。

3.2.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果見(jiàn)表3, 由表可見(jiàn), 文中建立的全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)可以分析反魚(yú)雷魚(yú)雷在不同性能參數(shù)下的作戰(zhàn)效能, 由此可以應(yīng)用該系統(tǒng)在考慮作戰(zhàn)使用的條件下對(duì)總體性能參數(shù)進(jìn)行研究, 為反魚(yú)雷魚(yú)雷的論證和工程研制提供參考。

表3 全彈道仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)武器全彈道過(guò)程的描述, 利用C++ GUI QT創(chuàng)建了完整的彈道過(guò)程仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)采用參數(shù)化建模, 將重要的參數(shù)與模型相剝離, 使得模型具有較好的復(fù)用性和靈活性。通過(guò)反魚(yú)雷魚(yú)雷數(shù)學(xué)仿真軟件對(duì)反魚(yú)雷魚(yú)雷的全彈道過(guò)程仿真得到仿真數(shù)據(jù), 支持反魚(yú)雷魚(yú)雷作戰(zhàn)使用的深入研究, 可較好地用于研究驗(yàn)證反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道動(dòng)作流程的設(shè)計(jì)合理性, 優(yōu)化性能參數(shù)設(shè)計(jì), 為反魚(yú)雷魚(yú)雷的作戰(zhàn)效能研究提供參考。下一步將充分利用實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)、陸上臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù), 完善反魚(yú)雷魚(yú)雷作戰(zhàn)使用環(huán)境及全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 形成實(shí)航試驗(yàn)、陸上臺(tái)架試驗(yàn)及仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù), 進(jìn)一步為其工程研制提供支撐。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Design and Application of Whole Trajectory Simulation System for Anti-Torpedo Torpedo

CAO Meng, NI Wen-xi, JIANG Ji-jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Mathematical simulation plays important roles in weapon demonstration and development, such as optimizing parameter matching, assessing operational effectiveness, and predicting test results. Because the trajectory interception process of an anti-torpedo torpedo(ATT) is more complicated than that of traditional torpedo due to self-characteristic of the ATT, a whole trajectory simulation system for the ATT is designed in this paper. The function and composition of the simulation system, as well as the key models and modules, are expounded. Simulation application is carried out under typical combat conditions, and the validity of the models and simulation system is verified. This whole trajectory simulation system can be adopted to research ATT’s overall performance plan considering operational application, verify design rationality of whole trajectory process, guidance law and performance parameters, and facilitate demonstration and engineering development of an ATT.

anti-torpedo torpedo; whole trajectory; simulation system

曹萌, 倪文璽, 蔣繼軍. 反魚(yú)雷魚(yú)雷全彈道數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 253-257.

TJ630.1; TP391.9

A

2096-3920(2018)03-0253-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.011

2017-09-26;

2017-11-13.

曹 萌(1990-), 女, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)閿?shù)學(xué)仿真.