孟祥超,吳福初,沈培志,王 磊
(海軍航空工程學(xué)院 a.基礎(chǔ)部;b.指揮系,山東 煙臺(tái) 264001)
信息作戰(zhàn)條件下現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是要求變軍事領(lǐng)域傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型決策為科學(xué)型決策,變傳統(tǒng)的定性分析為定性與定量分析相結(jié)合。對(duì)反潛直升機(jī)檢查搜潛效率進(jìn)行量化評(píng)估的目的就是為其作戰(zhàn)運(yùn)用提供理論依據(jù)。
反潛直升機(jī)檢查反潛是指反潛機(jī)在特定時(shí)間內(nèi)對(duì)指定的海域進(jìn)行的反潛搜索,以查明此海域有無(wú)敵潛艇并采取跟蹤或攻擊的戰(zhàn)斗行動(dòng)[1]。其特征是指在不了解目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)方向信息條件下,對(duì)指定區(qū)域相對(duì)反潛直升機(jī)而言運(yùn)動(dòng)緩慢的潛艇目標(biāo)進(jìn)行的搜索。反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行檢查搜潛具有搜索速度快、機(jī)動(dòng)靈活、工作深度可變、精度高、有多種工作方式、使用經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),是平時(shí)(或戰(zhàn)時(shí))使用最多的搜潛方式之一。然而影響吊放聲納檢查搜潛效能的因素較多,本文通過(guò)仿真試驗(yàn)研究了吊放聲納在一定條件下的檢查搜潛效能,對(duì)影響吊放聲納檢查搜潛效能的主要因素進(jìn)行分析,得出的結(jié)論對(duì)提高反潛直升機(jī)搜潛效能和作戰(zhàn)運(yùn)用水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
反潛直升機(jī)使用吊放聲納檢查搜潛,一般都采用邊前進(jìn)邊逐點(diǎn)探測(cè)的跳躍式搜索,其飛行搜索作業(yè)剖面如圖1所示。

圖1 吊放聲納搜索飛行剖面圖
反潛直升機(jī)到達(dá)搜索海域后,按預(yù)定的搜索航線飛行,在第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)下降到懸停高度(Hxt)迎風(fēng)懸停,按吊放聲納操作規(guī)程放下水下分機(jī)(簡(jiǎn)稱聲納頭),邊放邊觀察,根據(jù)海區(qū)深度和水聲環(huán)境條件,把水下分機(jī)放到合適的深度,開(kāi)機(jī)搜索目標(biāo),如果發(fā)現(xiàn)可疑信號(hào),就要進(jìn)一步探測(cè),或用主動(dòng)方式測(cè)定目標(biāo)的位置并隨時(shí)把目標(biāo)位置傳送到指控系統(tǒng),計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),以便對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤或攻擊,或引導(dǎo)其他兵力進(jìn)行跟蹤或攻擊;如沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則收起水下分機(jī)爬升到過(guò)渡飛行高度(Hfx)以巡航速度飛往下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)懸停,再重復(fù)上述動(dòng)作,直至探測(cè)到潛艇或搜索完規(guī)定的時(shí)間(tss)。
1)搜索區(qū)內(nèi)有且只有1艘潛艇在活動(dòng)。如航向不變,時(shí)間足夠長(zhǎng),目標(biāo)一定會(huì)脫離搜索區(qū)。在搜索區(qū)中,潛艇和反潛直升機(jī)按各自行動(dòng)方案展開(kāi)行動(dòng)。
2)反潛直升機(jī)使用水聲搜索器材都采用被動(dòng)工作狀態(tài),其性能參數(shù)也為被動(dòng)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
3)潛艇初始位置在搜索區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn),其速度大小在[Vdl,Vdh]內(nèi)均勻分布,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度大小保持不變。由于潛艇在執(zhí)行任務(wù)時(shí)一般不會(huì)取速度區(qū)間[0,Vmax]上很小的速度,另一方面,潛艇速度越大,其主機(jī)和螺旋槳噪聲也越大,就會(huì)大大增加被發(fā)現(xiàn)的概率。所以,潛艇的航速又不可能取接近于最大航速Vmax。我們可以根據(jù)對(duì)目標(biāo)情況的掌握,對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)速度確定一個(gè)合理的速度范圍[Vdl,Vdh],其中:Vdl表示潛艇較低的速度;Vdh表示潛艇較高的速度。在具體計(jì)算時(shí),為便于問(wèn)題的分析,我們可以根據(jù)具體潛艇的性能,在其速度范圍[Vdl,Vdh]內(nèi)合理確定一個(gè)速度值。
4)潛艇始終保持水下航行狀態(tài),初始運(yùn)動(dòng)航向在[0°,360°]內(nèi)服從均勻分布,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中潛艇航向保持不變。在未知搜索區(qū)內(nèi)是否有敵潛艇活動(dòng)的情況下,反潛直升機(jī)在搜索區(qū)內(nèi)檢查搜索,其搜潛器材一般采用被動(dòng)的工作方式。此時(shí),搜索區(qū)內(nèi)的潛艇不易察覺(jué)到我方反潛直升機(jī)的存在,潛艇一般仍舊會(huì)按其既定的航向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
5)反潛直升機(jī)航渡速度和探測(cè)點(diǎn)之間的過(guò)渡速度假設(shè)相同,且保持不變。
6)吊放聲納的作用區(qū)域是以聲納換能器吊放點(diǎn)為圓心,以吊放聲納戰(zhàn)術(shù)作用距離為半徑的圓。
根據(jù)以上假設(shè),反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索潛艇的過(guò)程可以描述為:t=0時(shí),潛艇從位于圓心附近的點(diǎn)C 開(kāi)始運(yùn)動(dòng),其速度方向?yàn)棣羗,大小為vm,反潛直升機(jī)以較大飛行速度飛往點(diǎn)C;當(dāng)t=Tyc時(shí),反潛直升機(jī)飛至第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)并開(kāi)始探測(cè),探測(cè)ttc后結(jié)束,然后以速度V 飛往下一個(gè)探測(cè)點(diǎn),直至探測(cè)到潛艇或探測(cè)完所有探測(cè)點(diǎn)。吊放聲納搜潛效能是指:在已知潛艇距離、潛艇距離誤差、潛艇運(yùn)動(dòng)速度大小范圍及方向范圍、聲納作用距離、反潛直升機(jī)飛行速度、潛艇定位誤差及反潛直升機(jī)定位誤差的情況下,使用某種搜潛方法時(shí),搜索到潛艇的概率。當(dāng)潛艇進(jìn)入吊放聲納探測(cè)圓時(shí),計(jì)算機(jī)抽取隨機(jī)數(shù)小于此時(shí)直升機(jī)對(duì)潛艇的發(fā)現(xiàn)概率,即認(rèn)為反潛直升機(jī)搜索到了潛艇[2-3]。
在反潛直升機(jī)與潛艇的斗爭(zhēng)中充滿著偶然因素,處理這種偶然性事件的最有效的方法就是統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法,又稱蒙特卡洛(Monte Carlo)法[4]。根據(jù)蒙特卡洛法的基本思想,應(yīng)對(duì)吊放聲納搜索到潛艇這個(gè)隨機(jī)事件作統(tǒng)計(jì)試驗(yàn),求吊放聲納搜索到潛艇的統(tǒng)計(jì)頻率,即吊放聲納搜潛效能的近似值[5-6]。
2.3.1 反潛直升機(jī)各探測(cè)點(diǎn)位置要素模型
檢查搜索過(guò)程中,反潛直升機(jī)將根據(jù)確定的搜索陣型使用吊放聲納逐點(diǎn)展開(kāi)搜索,反潛直升機(jī)采用不同的搜索陣型檢查搜索時(shí)的位置要素模型見(jiàn)表1。表1中:A為搜索區(qū)域的寬度;B為搜索區(qū)域的長(zhǎng)度;Nfj為參加搜索的反潛直升機(jī)數(shù)量;Djg為吊放聲納間隔距離;i為飛機(jī)序列數(shù);j為探點(diǎn)序列數(shù);β為反潛直升機(jī)推進(jìn)軸線與懸停點(diǎn)之間的夾角。

表1 吊放聲納檢查搜索參數(shù)表
2.3.2 潛艇運(yùn)動(dòng)模型
潛艇初始位置在搜索區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn),設(shè)潛艇初始位置為(X0,Y0),其速度大小在[Vdl,Vdh]內(nèi)均勻分布,設(shè)潛艇速度為Vqt,并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度保持不變;潛艇初始運(yùn)動(dòng)航向在[0°,360°]內(nèi)服從均勻分布,設(shè)潛艇運(yùn)動(dòng)方向與Y軸夾角為θ,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中潛艇航向保持不變。
當(dāng)潛艇航向、航速保持一定時(shí),潛艇在坐標(biāo)系中的位置可用下式表示:

式中:Vqt為潛艇運(yùn)動(dòng)速度;Xqt為潛艇在X軸坐標(biāo);Yqt為潛艇在Y軸坐標(biāo);t為潛艇在搜索區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間;θ為潛艇運(yùn)動(dòng)方向與Y軸之間的夾角。
2.3.3 發(fā)現(xiàn)判斷模型
潛艇進(jìn)入吊放聲納探測(cè)圓是吊放聲納搜索到潛艇的前提,但并不表示潛艇進(jìn)入吊放聲納探測(cè)圓時(shí)吊放聲納就一定可以發(fā)現(xiàn)潛艇。在模擬計(jì)算中,反潛直升機(jī)是否能發(fā)現(xiàn)潛艇,需要計(jì)算機(jī)抽取隨機(jī)數(shù)與此時(shí)直升機(jī)對(duì)潛艇的發(fā)現(xiàn)概率進(jìn)行比較來(lái)確定。
吊放聲納探測(cè)點(diǎn)與潛艇距離:

式中:Xtc為反潛直升機(jī)在X軸上的坐標(biāo);Xqt為潛艇在X軸坐標(biāo);Ytc為反潛直升機(jī)在Y軸上的坐標(biāo);Yqt為潛艇在Y軸上的坐標(biāo);Ddq為吊放聲納探測(cè)點(diǎn)與潛艇之間的距離。
當(dāng) Ddq<dds時(shí),表示潛艇處于探測(cè)圓內(nèi),發(fā)現(xiàn)概率為

式中:dds為吊放聲納探測(cè)距離。
在(0,1)之間取隨機(jī)數(shù)ε且服從均勻分布。將發(fā)現(xiàn)概率與隨機(jī)數(shù)ε比較,則有:
當(dāng)ε<p表示反潛直升機(jī)發(fā)現(xiàn)潛艇;
當(dāng)ε >p表示反潛直升機(jī)未發(fā)現(xiàn)潛艇。
在N次模擬中反潛直升機(jī)搜索到潛艇共n次,則吊放聲納搜潛概率為p=n/N。
在將反潛直升機(jī)搜潛的實(shí)際過(guò)程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序時(shí),考慮到潛艇可能最終逃離搜索海區(qū)及可能使用多架反潛直升機(jī)的實(shí)際情況,在求解反潛直升機(jī)搜潛效能時(shí),以反潛直升機(jī)的位置作為模擬的主線,編制仿真程序(仿真流程圖見(jiàn)圖2)。該仿真程序是用Visual C++ 6.0 實(shí)現(xiàn)的,編制仿真程序時(shí),首先要產(chǎn)生每個(gè)隨機(jī)變量在那次隨機(jī)試驗(yàn)中的隨機(jī)值。在該仿真程序中,主要存在服從均勻分布和正態(tài)分布的兩種隨機(jī)變量。各個(gè)陣形的搜索要素點(diǎn)位置或者存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中或在程序中實(shí)時(shí)計(jì)算。搜潛概率在程序中計(jì)算,概率結(jié)果由程序調(diào)用MATLAB繪圖功能進(jìn)行繪圖。
圖2中:N為模擬次數(shù);m為仿真步數(shù);M為發(fā)現(xiàn)潛艇次數(shù);K為指定海域探點(diǎn)數(shù);t探為探測(cè)時(shí)間;dt為仿真時(shí)間步長(zhǎng);r為聲納作用距離;P發(fā)為指定搜索海域?qū)撏У陌l(fā)現(xiàn)概率。

圖2 反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行檢查搜潛仿真模型流程圖
2.5.1 梳形搜索法吊放聲納間隔對(duì)搜索發(fā)現(xiàn)概率影響的分析
根據(jù)吊放聲納搜潛仿真模型和梳形法搜索參數(shù)表,設(shè)模擬條件為:3 架反潛直升機(jī),速度為150 km/h,吊放聲納作用距離為8 km,探測(cè)時(shí)間3 min,收放時(shí)間2 min,敵潛艇速度5 kn。假設(shè)存在兩種情況:
一種情況是搜索時(shí)間足夠用,即在搜索時(shí)間內(nèi)能夠完成對(duì)預(yù)定區(qū)域的檢查搜索(搜索區(qū)為100 km×100 km,搜索時(shí)間3 h);
另一種情況是搜索時(shí)間不夠用,即在搜索時(shí)間內(nèi)反潛直升機(jī)不能完成對(duì)預(yù)定區(qū)域的搜索(搜索區(qū)為230 km×90 km,搜索時(shí)間1.5 h)。
仿真計(jì)算后得吊放聲納搜索概率與吊放聲納間隔關(guān)系圖見(jiàn)圖3。圖3a)是反潛直升機(jī)采用梳型搜索法搜索時(shí)間足夠時(shí),吊放聲納間隔系數(shù)與搜索發(fā)現(xiàn)概率關(guān)系圖。由圖可見(jiàn),在搜索時(shí)間足夠時(shí),吊放聲納間隔對(duì)搜索發(fā)現(xiàn)概率有較大的影響,搜索發(fā)現(xiàn)概率隨著間隔距離的增加而減小。由此可見(jiàn),在保證反潛直升機(jī)搜索時(shí)間充足的情況下,作戰(zhàn)指揮員應(yīng)根據(jù)具體的檢查反潛任務(wù)科學(xué)地選取吊放聲納間隔,來(lái)保證一定的搜索發(fā)現(xiàn)概率。
圖3b)是反潛直升機(jī)采用梳型搜索法搜索時(shí)間不夠時(shí),吊放聲納間隔系數(shù)與搜索發(fā)現(xiàn)概率關(guān)系圖。當(dāng)搜索時(shí)間不夠時(shí),情況比較復(fù)雜,搜索發(fā)現(xiàn)概率并不是和吊放聲納間隔系數(shù)存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,搜索發(fā)現(xiàn)概率隨吊放聲納間隔系數(shù)的增加呈波浪形增長(zhǎng)。

圖3 采用梳型搜索法吊放聲納間隔與搜索概率關(guān)系圖
由此可見(jiàn),在反潛直升機(jī)搜索時(shí)間不夠的情況下,并不是取越大的吊放聲納間隔,搜索發(fā)現(xiàn)概率就一定高,反潛作戰(zhàn)指揮員應(yīng)根據(jù)具體的檢查反潛任務(wù)和搜索海區(qū),合理、科學(xué)地選取吊放聲納間隔,使得搜索發(fā)現(xiàn)概率在一定范圍內(nèi)取得較大值。
平行往返搜索法吊放聲納間隔距離的確定同梳形搜索法相似,只是搜索區(qū)長(zhǎng)度增加了1倍。
2.5.2 鋸齒形搜索法吊放聲納間隔對(duì)搜索發(fā)現(xiàn)概率影響的分析
根據(jù)搜潛模型和鋸齒法搜索參數(shù)表,設(shè)搜索區(qū)域?yàn)?0 km×170 km,其他條件同上。計(jì)算得搜索時(shí)間與搜索發(fā)現(xiàn)概率的關(guān)系,見(jiàn)圖4。

圖4 搜索時(shí)間與搜索概率關(guān)系圖
由圖4可見(jiàn),從反潛直升機(jī)從開(kāi)始搜索到搜索1.65 h,在這段時(shí)間內(nèi),搜索發(fā)現(xiàn)概率隨著搜索時(shí)間的增加而增大(此時(shí)反潛直升機(jī)并不能完成對(duì)整個(gè)海區(qū)的搜索);當(dāng)搜索時(shí)間大于1.65 h 以后,隨著搜索時(shí)間的增大,搜索發(fā)現(xiàn)概率曲線變得平緩。
由此可見(jiàn),反潛直升機(jī)采用鋸齒型搜索法檢查搜潛時(shí),在保證搜潛時(shí)間足夠的前提下,剛開(kāi)始搜索發(fā)現(xiàn)概率隨著時(shí)間的增加急速增大,但到一定的時(shí)間后,再增加搜索時(shí)間,搜索發(fā)現(xiàn)概率增加得非常緩慢。
而當(dāng)搜索時(shí)間不夠用時(shí),假設(shè)模擬條件同上,在其他參數(shù)不變的情況下,計(jì)算搜索概率隨吊放聲納間隔距離變化關(guān)系,見(jiàn)圖5。

圖5 采用鋸齒形搜索法吊放聲納間隔與搜索概率關(guān)系圖
由圖5可見(jiàn),圖中實(shí)線表示反潛直升機(jī)檢查搜索時(shí)間為1.3 h時(shí),吊放聲納間隔與搜索概率的關(guān)系;圖中虛線表示反潛直升機(jī)檢查搜索時(shí)間為1.6 h時(shí),吊放聲納間隔與搜索概率的關(guān)系,反潛直升機(jī)在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)均不能完成對(duì)預(yù)定海區(qū)的搜索。在搜索時(shí)間不夠用時(shí),搜索發(fā)現(xiàn)概率并不是和吊放聲納間隔系數(shù)存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi),吊放聲納間隔系數(shù)增大搜索發(fā)現(xiàn)概率也隨之增大,但搜索發(fā)現(xiàn)概率增長(zhǎng)的速度比較緩慢。
2.5.3 不同搜索方法對(duì)搜索發(fā)現(xiàn)概率影響的分析
設(shè)搜索區(qū)面積相同,其他模擬條件同1),根據(jù)檢查搜潛模型和探點(diǎn)間隔確定條件,模擬3 000次,得到吊放聲納搜潛模擬結(jié)果,見(jiàn)圖6。圖6a)的檢查搜索區(qū)域?yàn)檎叫危?23.7 km×123.7 km);圖6b)的檢查搜索區(qū)域?yàn)閷挆l形(90 km×170 km);圖6c)的檢查搜索區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)條形(170 km×90 km);

圖6 不同搜索方法的比較
由仿真結(jié)果可以看出,反潛直升機(jī)在不同形狀的搜索區(qū)域中采用不同的搜索陣形獲得搜索發(fā)現(xiàn)概率是不同的。
反潛直升機(jī)在正方形區(qū)域檢查搜索時(shí),如果在檢查搜索區(qū)的可能留空搜索時(shí)間較短,不能搜索完規(guī)定的海域,則用梳形法搜索發(fā)現(xiàn)概率較高;而如果搜索時(shí)間較長(zhǎng),則用鋸齒法搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率較大。見(jiàn)圖6a)。
反潛直升機(jī)在寬條形區(qū)域檢查搜索時(shí)(沿較短的一邊開(kāi)始搜索),如果在檢查搜索區(qū)的可能留空搜索時(shí)間較短,則鋸齒法搜索效率較高,而如果留空搜索時(shí)間較長(zhǎng),則采用平行往返法發(fā)現(xiàn)潛艇的概率最大。見(jiàn)圖6b)
反潛直升機(jī)在長(zhǎng)條形區(qū)域檢查搜索時(shí)(沿較長(zhǎng)的一邊開(kāi)始搜索),如果在檢查搜索區(qū)的可能留空搜索時(shí)間較短,那么梳形法搜索概率最高,如果允許留空搜索時(shí)間較長(zhǎng),那么用鋸齒法效果最好。見(jiàn)圖6c)
由圖6可以看出,對(duì)同一個(gè)長(zhǎng)方形海域進(jìn)行搜索時(shí),選用相同的搜索方法,沿不同的邊長(zhǎng)開(kāi)始搜索(一種是沿較短的邊進(jìn)行搜索,往返次數(shù)較多;另一種是沿較長(zhǎng)的邊進(jìn)行搜索,往返次數(shù)較少),所得到搜索概率也是有差異的。圖6b)中的搜索概率普遍比圖6c)中的搜索概率低,這說(shuō)明直升機(jī)對(duì)同一個(gè)長(zhǎng)方形海域進(jìn)行搜索,往返次數(shù)多時(shí)的搜索概率要比往返次數(shù)少時(shí)的搜索概率要低。所以在選擇搜索方法時(shí),應(yīng)該根據(jù)搜索區(qū)形狀,搜索時(shí)間等因素選擇最優(yōu)搜索方法,以便得到較高搜索發(fā)現(xiàn)概率。
從圖中還可以看出,搜索發(fā)現(xiàn)概率并非一直隨著搜索時(shí)間的增加而增大,當(dāng)搜索時(shí)間內(nèi)能夠完成對(duì)預(yù)定區(qū)域的搜索以后,再延長(zhǎng)搜索時(shí)間,對(duì)提高搜索概率已經(jīng)沒(méi)有多大意義了。
2.5.4 反潛直升機(jī)數(shù)量對(duì)搜索發(fā)現(xiàn)概率的影響分析
反潛直升機(jī)數(shù)量不同,得到的搜索概率是不同的,是否反潛機(jī)數(shù)量越多效率越高呢?下面進(jìn)行分析。
根據(jù)檢查搜索模型,假設(shè)搜索區(qū)域的面積為150 km×170 km,其他模擬條件同1),模擬計(jì)算反潛直升機(jī)數(shù)量變化時(shí)的搜索發(fā)現(xiàn)概率,見(jiàn)圖7。由圖7可以看出,在反潛直升機(jī)任務(wù)一定的情況下,隨著反潛機(jī)數(shù)量增加,搜索概率也隨著提高,在搜索概率等于一定值以后,再增加參與搜索的反潛機(jī)數(shù)量,搜索概率變化很小。

圖7 反潛直升機(jī)數(shù)量與搜索概率關(guān)系
本文通過(guò)對(duì)反潛直升機(jī)在一定條件下檢查搜潛時(shí)影響吊放聲納搜潛效率的主要因素進(jìn)行研究,得出的結(jié)論對(duì)于制定反潛作戰(zhàn)方案具有一定的參考價(jià)值。需要指出的是,反潛直升機(jī)的搜潛效率受到反潛裝備的戰(zhàn)技性能、水聲環(huán)境、潛艇輻射噪聲特征和回波特性、搜潛任務(wù)、直升機(jī)數(shù)量、搜潛方法、使用技能等諸因素的影響。因此,在反潛作戰(zhàn)時(shí)應(yīng)綜合權(quán)衡各個(gè)因素。一方面,要與定性分析密切結(jié)合;另一方面,要在反潛作戰(zhàn)實(shí)踐中不斷的修正和完善。
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