CN112859055A - 基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，属于鱼雷导航与制导技术领域。本发明利用蒙特卡罗方法，得到了在特定条件下，有利提前角最佳修正参数随机动规避目标参量的修正方法，可以通过修正有利提前角，提高目标进行机动规避时，声自导鱼雷的捕获概率。本发明方法解决了在目标机动规避时，声自导鱼雷按原有有利提前角发射捕获概率较低的问题，可以用来确定目标机动规避时鱼雷的发射角度，为鱼雷发射策略提供一定参考。

Description

基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正 方法

技术领域

本发明属于鱼雷导航与制导技术领域，具体涉及一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法。

背景技术

自导鱼雷有利提前角的确定是鱼雷导航与制导部分的重要内容，当其他发射条件一定时，目标捕获概率就是提前角的函数了，而在一定发射条件下，使自导鱼雷捕获目标概率最高的提前角就叫做有利提前角。在发射自导鱼雷时，有利提前角的计算方法越准确，则鱼雷捕获目标概率越高，能有效的提高自导鱼雷的作战效能，在作战策略的制定方面也能提供更好的参考，在执行作战任务时有着重要的现实意义。

现有的声自导鱼雷有利提前角确定方法，主要针对目标匀速直航的情况，但实际作战时，尤其是当我方需要发射多枚鱼雷的情况下，目标的运动方式往往是多变且复杂的，这时，若再采用现有的方法确定有利提前角，那么鱼雷捕获目标的概率往往会很低，因此，针对目标不同的机动规避策略，需要对原有的有利提前角进行修正，从而得到修正后的鱼雷发射角度，使鱼雷能更好的捕获目标。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有的声自导鱼雷有利提前角确定方法主要针对目标匀速直航，适用范围较小的问题，本发明提供一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法。

技术方案

一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定参量的适用范围；

步骤2：对海域进行预处理，建立坐标系；

步骤3：通过主动声呐方程和鱼雷自导扇面角建立判断模型，通过判断模型，判断鱼雷是否捕获到目标；所述的判断模型如下，当满足以下条件时，即可认为鱼雷捕获到目标：

2TL(D_i)-TS(Q_m)≤SL-NL+DI-DT (1)

其中，目标位置坐标(X_m,Y_m,Z_m)；鱼雷位置坐标为(X_T,Y_T,Z_T)；D_i为目标与鱼雷之间距离，

Q_m为敌舷角；TL(D_i)为距离为D_i时的传播损失；TS(Q_m)为敌舷角Q_m时的目标强度；SL为目标辐射声源级；NL为干扰噪声；DI为自导接受指向性系数；DT为检测阈；C_T为鱼雷速度方向；λ为鱼雷自导扇面角；

步骤4：建立判断在机动规避目标参量确定时的目标捕获模型；

步骤5：确定某个修正参数，通过形心法确定该修正参数下的鱼雷有利提前角，对鱼雷及目标参量附加误差，采用蒙特卡罗法，确定在该机动规避目标参量一定时，该修正参数下的捕获概率；

步骤6：改变修正参数，得到机动规避目标参量一定时，使捕获概率最大的修正参数，称为最佳修正参数；

步骤7：改变机动规避目标的参量，并计算得到该机动规避目标参量下对应的最佳修正参数，做出最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数图形；

步骤8：判断函数图形是否可以得到简单的函数公式(通过对输入量进行处理可以得到能使用数学表达式表达的曲线)，若不能得到，则选取新的修正参数，重复步骤5到8；

步骤9：根据函数图形，得到某范围内，最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数；

步骤10：根据函数图形，对适用范围进行修正；

步骤11：选取不同的机动规避目标参量种类，重复步骤7到10，得到最佳修正参数随不同机动规避目标参量变化的综合函数。

本发明技术方案更进一步的说：所述步骤1中，确定适用范围的原则为，符合实际使用情况，符合目标的客观条件，可以代入目标捕获模型进行仿真。主要需要确定适用范围的参量为：目标的航速，敌舷角，射距，反射强度；鱼雷的航速，发射声源级，检测阈；外部环境干扰噪声等。实际使用中，可以根据作战情况对参量种类进行增加或减少。

本发明技术方案更进一步的说：步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1：以水下航行器协同系统航线起点为原点，以东为X轴正方向，北为Y轴正方向，上为Z轴正方向建立三维空间直角坐标系；

步骤2.2：鱼雷发射角即时刻为0时的鱼雷速度方向为鱼雷速度向量与X轴夹角；

步骤2.3：根据敌舷角、射距、目标深度与运动方程确定坐标系中任一时刻鱼雷与目标三维坐标。

本发明技术方案更进一步的说：步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1：从0时刻开始，以鱼雷自导间隔为搜索时间间隔，进行捕获判断；

步骤4.2：鱼雷以某一发射角度发射，进行直航，每隔一次搜索时间间隔，根据判断模型，判断是否捕获目标；

步骤4.3：当判断出鱼雷捕获到目标时，输出为1，过程结束，否则继续进行步骤4.2；

步骤4.4：当鱼雷运动距离超出鱼雷航程时，输出为0，过程结束；

步骤4.5：模型输出为1时为捕获到目标，输出为0时为未捕获目标。

本发明技术方案更进一步的说：步骤5由形心法得到修正后的有利提前角

的计算公式为：

其中，r为鱼雷自导半径，m为鱼雷和目标的速度比，D_s为鱼雷的射距；

采用蒙特卡罗方法，通过对目标和鱼雷的参量附加N次不同的符合正态分布的误差，当鱼雷捕获模型输出为1时，捕获次数加一，从而得到捕获次数n_find，此时捕获概率为：

本发明技术方案更进一步的说：所述步骤6中，确定最佳修正参数的步骤包括：

步骤6.1：通过修正参数，确定该修正参数下的鱼雷的有利提前角，并得到此时鱼雷发射角度。

步骤6.2：鱼雷以该发射角度发射，确定该发射角度下的捕获概率。

步骤6.3：通过改变修正参数，得到某范围内捕获概率最大时对应的修正参数，此时的修正参数即为最佳修正参数。

本发明技术方案更进一步的说：所述步骤9中，确定最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数的方法为最小二乘法，当最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数为曲线时，对机动规避目标参量取n次方，n＝……,-2,-1,1,2,……，直到某范围内函数图像接近直线。

本发明技术方案更进一步的说：所述步骤10中，修正适用范围的步骤包括：

步骤10.1：通过函数图形，确定函数变化较稳定的范围(去掉不符合拟合规律的点)。

步骤10.2：确定该范围内的函数公式。

步骤10.3：根据函数公式计算得到该范围内的最佳修正参数，对比之前的最佳修正参数，如果差别不大，则确定修正后适用范围，否则重复步骤10.1和步骤10.2。

本发明技术方案更进一步的说：所述步骤11中，确定最佳修正参数k_best随不同机动规避目标参量(包括敌舷角Q_m，射距D_S等)变化的综合函数的步骤如下：

步骤11.1：确定一个基础公式。

例如，最佳修正参数k_best随目标敌舷角Q_m变化的公式为基础公式为：

k_best＝f(Q_m) (3)

步骤11.2：代入基础参量确定时的其他公式。

例如当敌舷角确定为Q_m0时，最佳修正参数k_best随目标射距D_S变化的公式确定为：

k_best＝f(D_S) (4)

此时将敌舷角代入基础公式中得到值f(Q_m0)，则此时最佳修正参数随目标射距和目标敌舷角变化的公式确定为：

此时基础公式变为公式5。

步骤11.3：重复步骤11.1和步骤11.2，得到最佳修正参数k_best随不同机动规避目标参量变化的综合函数。

有益效果

本发明所提出的一种基于蒙特卡罗方法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，通过蒙特卡洛方法确定了采取不同提前角时鱼雷的捕获概率。并通过比较捕获概率确定了对应的有利提前角和最佳修正参数，从而得到了最佳修正参数随机动规避目标参量(包括速度，射距，敌舷角等)变化的函数图，进而确定了最佳修正参数随不同机动规避目标参量变化的综合函数。根据最佳修正参数，得到更准确的有利提前角计算结果。本方法可以在确定综合函数后，快速的计算出当前作战情况下的有利提前角，相比原有有利提前角计算方法，提高了鱼雷的捕获概率。

本发明方法解决了在目标机动规避时，声自导鱼雷按原有有利提前角发射捕获概率较低的问题，可以用来确定目标机动规避时鱼雷的发射角度，为鱼雷发射策略提供一定参考。本发明利用蒙特卡罗方法，得到了在特定条件下，有利提前角最佳修正参数随机动规避目标参量的修正方法，可以通过修正有利提前角，提高目标进行机动规避时，声自导鱼雷的捕获概率。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图

图2为目标机动规避时声自导鱼雷有利提前角示意图

图3为声自导鱼雷捕获概率随修正敌舷角变化图

图4为声自导鱼雷提前角随修正敌舷角变化图

图5为声自导鱼雷捕获概率随提前角变化图

图6为声自导鱼雷最佳规避敌舷角修正量随敌舷角变化图

图7为声自导鱼雷最佳规避敌舷角修正量随射距变化图

图8为声自导鱼雷有利提前角修正率随敌舷角变化图

图9为声自导鱼雷有利提前角修正率倒数随敌舷角变化图

图10为声自导鱼雷有利提前角修正率随射距变化图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所提出的一种基于态势模拟和蒙特卡罗的水下航行器协同搜索效能评估方法，将计算得到有利入射角修正率随射距和敌舷角变化的综合函数，图1为本发明技术实施流程图；包括以下步骤：

步骤1：确定适用范围情况，即根据实际情况，对目标敌舷角，速度，射距等参量进行范围限定，确定适用范围的原则为：符合实际使用情况，符合目标的客观条件，可以代入目标捕获模型进行仿真。主要需要确定适用范围的参量为：目标的航速，敌舷角，射距，反射强度；鱼雷的航速，发射声源级，检测阈；外部环境干扰噪声等。实际使用中，可以根据作战情况对参量种类进行增加或减少，本方案中鱼雷航程15000，航速44kn，自导扇形面开角为24°，自导作用半径为700m，目标潜艇最高航速30kn，长度100m，宽度10m，高度8m，反射系数为0.7，深度为300m，当敌舷角Q_m∈[1.4,2.8](单位rad)，射距D_s∈[3000,8000](单位m)时，确定最佳修正参数与敌舷角和射距的函数关系。

步骤2：对海域进行预处理，建立坐标系，具体包括如下步骤：

步骤2.1：以水下航行器协同系统航线起点为原点，以东为X轴正方向，北为Y轴正方向，上为Z轴正方向建立三维空间直角坐标系。

步骤2.2：鱼雷发射角即时刻为0时的鱼雷速度方向C_T为鱼雷速度向量与X轴夹角。

步骤2.3：根据敌舷角，射距，目标深度与运动方程确定坐标系中任一时刻鱼雷与目标三维坐标。

步骤3：通过主动声呐方程和鱼雷自导扇面角建立判断模型，在外部环境，目标和鱼雷参数及目标和鱼雷位置确定时，通过判断模型，判断鱼雷是否捕获到目标。该判断模型与外部环境，目标和鱼雷参数有关，判断模型如下，当满足以下条件时，即可认为鱼雷捕获到目标。

2TL(D_i)-TS(Q_m)≤SL-NL+DI-DT (1)

其中目标位置坐标(X_m,Y_m,Z_m)；鱼雷位置坐标为(X_T,Y_T,Z_T)；D_i为目标与鱼雷之间距离，

Q_m为敌舷角；TL(D_i)为距离为D_i时的传播损失；TS(Q_m)为敌舷角Q_m时的目标强度；SL为目标辐射声源级；NL为干扰噪声；DI为自导接受指向性系数；DT为检测阈；C_T为鱼雷速度方向；λ为鱼雷自导扇面角。

步骤4：建立判断在机动规避目标参量确定时，某修正参数下是否能捕获目标的目标捕获模型，具体包括如下步骤：

步骤4.1：从0时刻开始，以鱼雷自导间隔为搜索时间间隔，进行捕获判断。

步骤4.2：鱼雷以某一发射角度发射，进行直航，每隔一次搜索时间间隔，根据判断模型，判断是否捕获目标。

步骤4.3：当判断出鱼雷捕获到目标时，输出为1，过程结束，否则继续进行步骤4.2。

步骤4.4：当鱼雷运动距离超出鱼雷航程时，输出为0，过程结束。

步骤4.5：模型输出为1时为捕获到目标，输出为0时为未捕获目标。

步骤5：在采取形心法计算入射角时，如图2，相对于原来的航向C_m，机动规避后航向变为C_mR，此时鱼雷出射方向应该变为C_TR，敌舷角变为Q_mR，形心B位置不变，由形心法得到修正后的有利提前角

的计算公式为：

其中，r为鱼雷自导半径，m为鱼雷和目标的速度比，D_s为鱼雷的射距；

采用蒙特卡罗方法，通过对目标和鱼雷的参量附加N次不同的符合正态分布的误差，当鱼雷捕获模型输出为1时，捕获次数加一，从而得到捕获次数n_find，此时捕获概率为：

步骤6：改变修正参数，得到机动规避目标参量一定时，使捕获概率最大的修正参数，称为最佳修正参数，具体包括如下步骤：

步骤6.1：通过公式3，确定不同修正参数下的鱼雷的有利提前角，并得到此时鱼雷发射角度。

步骤6.2：由于目标机动规避时，左旋和右旋运动是随机的，就如图2的两种情况，对应的Q_mR有两个，因此对应的有利提前角在左旋和右旋时是不同的，根据图中可以得到，取一个Q_mtext进行仿真，Q_mtext在目标左旋和右旋的两个敌舷角之间时，存在一个角Q_mBest，使鱼雷搜索到目标概率最大，当目标航向C_m为120°，方位角为60°时，得到的仿真结果如图3所示：

可以看出图4中有两个极值点，这样的话关系很难确定，因此，对修正敌舷角与修正提前角之间的关系进行了仿真计算，得到图4，此时由图4可以看出，修正提前角随着修正敌舷角的变化为一条类二次函数的曲线，因此，不同的敌舷角，可能会得到相同的修正提前角。因此，仿真了此时捕获概率与修正提前角的曲线，如图5，此时可以得到，极值点应该是唯一的。

步骤6.3：得到此时最佳规避敌舷角Q_mBest为1.1rad或者2.2rad，代入得到修正后的有利提前角

为0.55rad，Q_mBest与原舷角Q_m的差值为ΔQ_mBext为-0.994rad或0.106rad，。

步骤7：在鱼雷及目标属性固定时，ΔQ_mBext取值与原舷角Q_m，目标规避角度，鱼雷射距，目标与鱼雷速度比等多个参量有关，在保持其他条件不变，当目标敌舷角变化时，得到图6所示：

当射距变化时，得到图7所示：

步骤8：如图6和图7所示，函数关系较为复杂，这是由于采取不同敌舷角时，得到的入射角可能相同，因此敌舷角修正量ΔQ_mBext的值可能会有两个，但仿真中是通过多次仿真得到捕获概率最大时对应的敌舷角修正量，因此只有一个，这就导致计算得到函数关系比较困难。

但是可根据图5看出，在目标位置参数都确定的情况下，当射距为4000m时，能得到最高命中率的有利提前角唯一，所以取有利入射角修正率k_szd，使

对其进行仿真，得到k_szd随敌舷角的变化曲线如图8所示：

步骤9：根据函数图形，此时可以就看出其为曲线，取有利入射角修正率的倒数为1/k_szd，得到图9，则此时可以看出，当敌舷角Q_m∈[1.6,2.8]，射距为4000m时，有利入射角修正率的倒数几乎与敌舷角成反比。得到函数关系：

k_szd ^-1＝-1.63Q_m+4.558 (5)

步骤10：根据函数图形，对适用范围进行修正，具体包括如下步骤：

步骤10.1：此时可以看出，当敌舷角Q_m∈[1.6,2.8]，有利入射角修正率的倒数与敌舷角的函数图形为一条直线。

步骤10.2：确定该范围内的函数公式为k_szd ^-1＝-1.63Q_m+4.558。

步骤10.3：根据函数公式计算得到该范围内的有利入射角修正率，对比仿真得到的有利入射角修正率，差别不大，所以修正后适用范围为敌舷角Q_m∈[1.6,2.8]。

步骤11：当敌舷角为2.3rad时，得到k_szd随射距的变化曲线如图10所示：

整理得到，在敌舷角为120°，当射距为3000m到8000m时，有利入射角修正率k_szd取值随射距变化不明显，随射距变化稳定在1.4附近波动，而随敌舷角变化，有利入射角修正率k_szd与其正相关。即当射距为3000m到8000m时，入射角修正率k_szd取值与射距为4000m时相同，因此可以得到，当敌舷角Q_m∈[1.6,2.8]，射距D_s∈[3000,8000]时，有利入射角修正率k_szd计算公式与公式5相同，为：

Claims (5)

1.一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定参量的适用范围；

步骤2：对海域进行预处理，建立坐标系；

步骤3：通过主动声呐方程和鱼雷自导扇面角建立判断模型，通过判断模型，判断鱼雷是否捕获到目标；所述的判断模型如下，当满足以下条件时，即可认为鱼雷捕获到目标：

2TL(D_i)-TS(Q_m)≤SL-NL+DI-DT (1)

其中，目标位置坐标(X_m,Y_m,Z_m)；鱼雷位置坐标为(X_T,Y_T,Z_T)；D_i为目标与鱼雷之间距离，

Q_m为敌舷角；TL(D_i)为距离为D_i时的传播损失；TS(Q_m)为敌舷角Q_m时的目标强度；SL为目标辐射声源级；NL为干扰噪声；DI为自导接受指向性系数；DT为检测阈；C_T为鱼雷速度方向；λ为鱼雷自导扇面角；

步骤4：建立判断在机动规避目标参量确定时的目标捕获模型；

步骤5：确定某个修正参数，通过形心法确定该修正参数下的鱼雷有利提前角，对鱼雷及目标参量附加误差，采用蒙特卡罗法，确定在该机动规避目标参量一定时，该修正参数下的捕获概率；

步骤6：改变修正参数，得到机动规避目标参量一定时，使捕获概率最大的修正参数，称为最佳修正参数；

步骤7：改变机动规避目标的参量，并计算得到该机动规避目标参量下对应的最佳修正参数，做出最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数图形；

步骤8：判断函数图形是否可以得到函数公式，若不能得到，则选取新的修正参数，重复步骤5到8；

步骤9：根据函数图形，得到某范围内，最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数；

步骤10：根据函数图形，对适用范围进行修正；

步骤11：选取不同的机动规避目标参量种类，重复步骤7到10，得到最佳修正参数随不同机动规避目标参量变化的综合函数。

2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1：以水下航行器协同系统航线起点为原点，以东为X轴正方向，北为Y轴正方向，上为Z轴正方向建立三维空间直角坐标系；

步骤2.2：鱼雷发射角即时刻为0时的鱼雷速度方向为鱼雷速度向量与X轴夹角；

步骤2.3：根据敌舷角、射距、目标深度与运动方程确定坐标系中任一时刻鱼雷与目标三维坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1：从0时刻开始，以鱼雷自导间隔为搜索时间间隔，进行捕获判断；

步骤4.2：鱼雷以某一发射角度发射，进行直航，每隔一次搜索时间间隔，根据判断模型，判断是否捕获目标；

步骤4.3：当判断出鱼雷捕获到目标时，输出为1，过程结束，否则继续进行步骤4.2；

步骤4.4：当鱼雷运动距离超出鱼雷航程时，输出为0，过程结束；

步骤4.5：模型输出为1时为捕获到目标，输出为0时为未捕获目标。

4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于步骤5由形心法得到修正后的有利提前角

的计算公式为：

其中，r为鱼雷自导半径，m为鱼雷和目标的速度比，D_s为鱼雷的射距；

采用蒙特卡罗方法，通过对目标和鱼雷的参量附加N次不同的符合正态分布的误差，当鱼雷捕获模型输出为1时，捕获次数加一，从而得到捕获次数n_find，此时捕获概率为：

5.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡罗方法和形心法的声自导鱼雷有利提前角修正方法，其特征在于所述步骤9中，确定最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数的方法为最小二乘法，当最佳修正参数随机动规避目标参量变化的函数为曲线时，对机动规避目标参量取n次方，n＝……,-2,-1,1,2,……，直到某范围内函数图像接近直线。

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