基于遗传算法的潜艇组合使用声诱饵防御鱼雷技术研究

彭会斌

(海军驻连云港七一六所军事代表室, 江苏 连云港 222061)

众多研究人员研究了潜艇综合使用水声对抗器材防御鱼雷方法。李宁[3]分析研究了水声对抗器材组合使用时相互间的干扰,总结出几种组合方式的利弊。李峰等人[4]利用仿真对比分析了单枚声诱饵和两枚声诱饵不同对抗方法,得出了潜艇使用两枚声诱饵对抗鱼雷的有效性。袁志勇[5]建立了大小口径声诱饵协同作战的弹道模型,给出了诱饵航向和一次转角的约束关系。周敏佳[6]在此基础上采用非线性规划方法,以对抗结束时潜艇鱼雷距离最大为目标,通过等步长遍历搜索方法,给出了大口径声诱饵最优初始航向和潜艇机动规避参数。

上述研究考虑了组合使用大小口径声诱饵,但未讨论自航式声诱饵的多次转角功能,没有充分发挥自航式声诱饵的性能。为了进一步提高潜艇防御鱼雷生存能力,本文在上述研究基础上,采用定性和定量分析相结合方法,基于遗传算法,研究大小口径声诱饵组合防御鱼雷方法。

1 问题描述

如图1所示,潜艇鱼雷报警后,经系统反应时间,潜艇按原航向CS航行至S1,来袭鱼雷按航向Ct直航搜索,航行至T1,此时距离潜艇D1。潜艇立刻发射噪声干扰器和小口径自航式声诱饵,同时开始旋回机动规避,待大口径自航式声诱饵准备好后,发射大口径声诱饵,潜艇继续反方向规避至航向CSe后,一直直航以尽快远离鱼雷。鱼雷发现小口径声诱饵后,先追踪一段时间,随着距离的减小,鱼雷将识别出小口径声诱饵,并进行再搜索。再搜索过程中,若发现大口径声诱饵将继续追踪,否则,一直再搜索,直至航程耗尽。潜艇发射大口径声诱饵,就是为了继续诱骗鱼雷,以进一步延长诱骗时间,为潜艇规避争取更多时间。当鱼雷识别出大口径声诱饵后继续再搜索,若搜索发现潜艇,则对抗失败,否则,对抗成功。先发射小口径声诱饵,再发射大口径声诱饵,是考虑到小口径声诱饵具有发射准备时间短,而大口径自航式声诱饵具有模拟逼真度高的特点[5]。

2 诱饵组合使用模型

潜艇组合使用声诱饵防御鱼雷,需要设定的参数有中小口径声诱饵各直航段的航向、速度、深度和直航时间,以及潜艇规避时机、规避速度、规避角度和规避深度等。

对抗来袭鱼雷时,自航式声诱饵的使用原则是:使鱼雷首先发现并跟踪诱饵,远离我艇,降低其发现我艇的概率[1-2]。因此,防御鱼雷时,自航式声诱饵的速度应设为高速,以保证其首先被鱼雷发现。声诱饵工作深度可设置为与鱼雷搜索深度相近,以容易被鱼雷探测到。

潜艇发射声诱饵后应合理进行规避机动,以尽量远离来袭鱼雷。机动方式主要有变向、变速和变深等。为简化问题,这里仅考虑变速和变向机动。防御主动声自导鱼雷时,应加速脱离;防御被动声自导鱼雷时,通常以最大隐蔽航速规避。潜艇规避航向则应根据诱饵的具体使用参数确定。

把三首诗连贯起来赏析，不难看出陆游当时内心无限兴奋，以及急于报效朝廷的心境。“蓬莱定不远”，表示诗人此番的目的地不会很远的了，不日就会到达。而“远来不负东皇意”，既说明诗人不是从瑞安的任上来，而是从山阴一路而来，并且从内心迸发出绝不辜负朝廷对他的期望的决心。

2.1 小口径声诱饵初始航向

初始航向即自航式声诱饵出管稳定航行后应转到的航向。初始航向主要是为了使诱饵能被鱼雷以最大概率捕获,采用相对移动线方法可求得[7]。如图1所示,诱饵应沿使δ1=δ2(δ1、δ2分别为S1B、S1D与S1A的夹角)的相对移动线运动。在ΔBS1T1和ΔDS1T1中,由几何关系和相对运动关系,可得声诱饵的初始航向Cd1应为

(1)

(2)

相应地,小口径声诱饵的一次转角由下式获得

αd1=Cd1-Cs

(3)

其中,ε为声诱饵相对移动线与鱼雷方位线之间的夹角,φ为鱼雷攻击提前角,Vt为鱼雷速度,R为自导半径,λ为自导扇面开角,Vd为声诱饵速度,QS为潜艇鱼雷报警舷角。

2.2 组合使用参数计算

考虑大小口径自航式声诱饵多次转角功能后,潜艇综合防鱼雷需确定的使用参数变多。除小口径声诱饵的一次转角外,还包括小口径声诱饵的一次直航时间td1、二次转角αd2、大口径声诱饵的一次转角βd1、一次直航时间Td1、二次转角βd2、二次直航时间Td2、三次转角βd3、潜艇的规避角度γ等。

这些参数相互关联,要综合考虑声诱饵性能、鱼雷自导性能,以及潜艇鱼雷报警距离等因素加以确定。实际对抗过程中,鱼雷报警信息有限,鱼雷报警距离、鱼雷航向、鱼雷自导作用距离等难以准确估计。声诱饵何时被鱼雷自导捕获,难以估算。对这样复杂的问题,难以通过解析模型实时计算。常用的方法是采用统计模拟方法,即通过穷举方案并进行统计实验,找到近似最优的防御策略。当使用参数增多时,计算量急剧增大[8]。考虑到这是一个优化问题,可用遗传算法来求解。

1) 防御效果的度量

潜艇防御成功概率越大,说明采取的防御策略效果越好。因此,将防御成功概率作为防御效果的度量。防御成功概率采用仿真模拟统计方法进行计算。

2) 个体编码方法

个体由决策变量(即诱饵使用参数)组成,决定了一种策略行为。这里,将声诱饵直航时间等8个变量放在一起组成一个个体,采用实数的形式,如式(4)所示。

[γtd1αd2βd1Td1βd2Td2βd3]

(4)

生成个体时,所有决策变量在其范围内随机选择。

3) 适应度函数

对产生的每个个体,用Monte Carlo方法计算相应的潜艇防御成功概率,并将其作为遗传算法适应度函数值。

4) 遗传操作

遗传操作采用选择操作、离散重组和高斯变异。

选择操作采用最佳个体保存法,即把群体中适应度最高的个体不参与配对交叉而直接复制到下一代。

离散重组时,新个体的决策变量由选定的两个父代个体中的一个随机决定。如果父代个体为(x1,…,xn)和(y1,…,yn),则生成新个体(z1,…,zn),其中zi={xi}或{yi},∀i∈{1,…,n},xi和yi按等概率选取。

高斯变异实现如下:

(5)

其中xiU和xiL分别为变量xi的上下限值,i∈{1,…,n}。N(0,1)表示均值为0,均方差为1的一维高斯随机分布。固定步长为0.1。

3 仿真计算与分析

3.1 仿真条件

用遗传算法来优化时,对每组输入变量求潜艇防御成功概率,用Monte Carlo法单独计算500次,种群大小为30,每次迭代保存适应度最高的6个个体,这6个个体不参与配对交叉而直接复制到下一代,每个态势均迭代20次。

模拟的初始参数和参数范围如下:潜艇的初始速度6kn,规避角度-180°～180°(左正右负);小口径声诱饵的一次转角按式(3)计算;声诱饵发射时机为各自的最短发射时间,直航时间范围均限定为0-500s,转向角度范围均为-90°～90°,速度均取高速。

3.2 仿真结果

对典型态势进行仿真,结果如表1所示。可见,利用遗传算法优化得到了潜艇组合使用大小口径自航式声诱饵防御来袭鱼雷方法。

表1 潜艇综合使用声诱饵防御鱼雷方法优化结果

典型态势下的对抗过程如图2-5所示。其中,红色为潜艇航行轨迹,绿色为小口径自航式声诱饵航行轨迹,蓝色为大口径自航式声诱饵航行轨迹,黑色为来袭鱼雷航行轨迹。

由图可见,来袭鱼雷均首先发现并跟踪小口径声诱饵,识别出小口径声诱饵为假目标后,进行再搜索,再搜索过程中发现大口径声诱饵并跟踪。潜艇则向诱饵的相反方向规避。由图还可以看出,上述典型态势下,小口径声诱饵的二次转角、大口径声诱饵的三次转角等参数已没有意义,可不用考虑。

组合使用声诱饵等水声对抗器材的防御效果,比使用单枚声诱饵有一定的提高,提高程度在14%以上,具体如表2所示。

表2 防御效果对比

4 结束语

为了进一步提高潜艇综合防御效果,本文考虑组合使用自航式声诱饵来防御鱼雷,同时充分利用诱饵的多次转角功能。通过采用定性和定量分析相结合方法,计算和优化组合使用参数。利用遗传算法,有效解决了决策参数增多,传统穷举统计方法计算量急剧增加问题。对典型态势进行仿真,结果表明:通过组合使用大小口径声诱饵,潜艇防御鱼雷成功概率可提高14%以上。

[1] 陈春玉,张静远,王明洲,等.反鱼雷技术[M].北京：国防工业出版社,2006.

[2] 孟庆玉,张静远,宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京:国防工业出版社,2003.

[3] 李 宁. 反鱼雷作战中水声对抗器材组合使用研究[J]. 舰船电子工程， 2013,33(2): 45-46.

[4] 李峰,郑援,单广超. 潜艇使用两枚自航式声诱饵对抗鱼雷问题研究[J]. 舰船电子工程， 2015,35(4): 150-153.

[5] 袁志勇,周敏佳. 潜艇自航式诱饵组合使用方法[J]. 指挥控制与仿真，2014,36(4): 127-131.

[6] 周敏佳,袁志勇. 潜艇自航式诱饵组合对抗使用方法[J]. 探测与控制学报， 2015,37(2): 12-14.

[7] 于李洋. 大口径诱饵作战使用研究[D]. 武汉:海军工程大学,2006.

[8] 于昌荣,苗艳.遗传算法在潜艇防御鱼雷中的应用[C]. 海战场电子信息技术学术论文集， 2011.