圓形浮標陣搜潛效能評估研究＊

2011-06-06 10:07:12謝振華程江濤

艦船電子工程 2011年12期

謝振華李林程江濤

（海軍航空工程學院青島分院青島 266041）

1 引言

現代反潛作戰中，聲納浮標作為一種重要的搜潛設備，因為具有布放速度快、探測（作戰）區域廣、陣形多樣化等優點，成為各國海軍重點發展的搜潛器材［1］。聲納浮標主要用于對水下目標進行大范圍的搜索，通過逐步縮小對目標進行定位的范圍來提高航空反潛效能［2］。目前，國外（如歐美、日本和俄羅斯）的聲納浮標搜潛裝備、戰術和技術體系都比較成熟，而我國在聲納浮標搜潛面起步較晚、發展較慢，存在較大差距。而且，國內對聲納浮標搜潛的相關研究主要集中在浮標布陣陣形的戰術層面，在技術層面上比較重要的浮標陣形的搜潛效能評估面的研究相對較少。試圖通過研究圓形浮標陣搜潛效能，為其他浮標陣搜潛效能的計算提供參考。

2 圓形浮標陣

聲納浮標陣的具體形式多種多樣，歸納起來分為攔截陣、包圍陣等［3］，又可以細分為直線陣、折線陣、弧線陣、星形陣、十字形陣、形陣、長形陣、圓形陣、橢圓形陣、螺旋陣等。其中，直線陣和圓形陣最簡單也最有代表性，分別是線型浮標陣和包圍型浮標陣的典型代表［4］。

圖1 圓形包圍浮標陣

圓形陣是將多枚聲納浮標一次布成圓形，包圍潛艇可能存在的海域（見圖1）。其布設以包圍圈不留空隙為原則。圓形陣一般用于應召搜潛，它是在已知潛艇的概略位置，而不知道潛艇的運動向時使用［4］。圓形中心就是潛艇失去接觸的位置。圓形陣的半徑和所需浮標的數量，取決于反潛的綜合反應時間和潛艇的戰技性能和戰術規避情況等因素。

3 發現概率

應召搜索時，考慮到潛艇可能以最大速度逃離，也可能采取機動規避，反潛直升機應布放圓形陣，把最大可能的脫離范圍作為搜索區域，其發現概率計算公式為式（1）［7］。

式中：dfb為浮標戰術作用距離；tss為反潛巡邏機搜索時間；N為浮標數量；Pwh為浮標技術完好率：Pjs為能接收到并能識別的概率；Syz為應召搜索的海區面積；R0為搜索開始時潛艇可能存在圓的半徑。

該公式適合的條件是，從布放第一個浮標開始，到最后一個浮標停止工作，反潛巡邏機連續監聽浮標陣中所有浮標，在浮標工作期間，假設潛艇以一定的航速運動，則一定能穿過浮標陣中的任何一個浮標。

浮標的作用距離、其技術完好率和接收識別率等對于不同的使用環境、不同的使用人員而言是變化的。計算時可以假設選取一定的經驗數值。通常取Pwh＝0.9、Pjs＝0.8。

在實際作戰或訓練中，常常需要在發現潛艇概率一定的條件下，計算應布放浮標的數量：

式中：Pyq為要求的發現潛艇概率。

4 效能模型

4.1 評估條件

影響聲納浮標陣搜索效能的因素非常復雜。要建立效能模型，必須合理地進行一些假設，以進行必要的簡化。

4.1.1 潛艇航行狀態未知

潛艇的航行狀態主要包括其航向和航速。航向未知，即潛艇可能采用任何航向。航速未知，即潛艇可采用任何可能的航速航行，但與航向的情況不同，在正常情況下，潛艇通常采用經濟航速航行，航速有一個合理的范圍。假設潛艇在浮標包圍陣內航向、航速都會在一定的時間間隔內改變，這個時間間隔假設為Δt，大小為30min，潛艇的航向為［0，2π］內的隨機值，航速為［Vmin，Vmax］內的隨機值。

4.1.2 相鄰浮標之間的搜索范圍適當重疊

布設聲納浮標陣時，相鄰浮標之間的間距是一個重要的戰術指標。通常情況下，相鄰浮標之間的間距要求小于2倍的浮標有效探測距離，使各浮標之間的搜索范圍能適當重疊，從而保證整個浮標陣搜索范圍的連續。對于圓形浮標陣來說，在滿足這一前提條件的情況下，相鄰浮標陣間距的具體取值雖然對浮標陣的整體搜潛效能有一定影響，但這一影響很小，可以忽略不計。

4.1.3 潛艇在圓形搜索區之內

當開始搜索時，潛艇有可能位于圓形搜索區以內，也可能位于圓形搜索區以外。但當潛艇位于圓形搜索區以外時，潛艇的分布范圍非常大，聲納浮標陣的搜索概率極低，特別是在應召搜索時和跟蹤丟失恢復接觸時，一旦潛艇處于圓形搜索區域之外，圓形聲納浮標陣的搜索概率就幾乎為零［11］。因此，為簡化模型，只考慮潛艇在圓形搜索區之內的情況，這雖然會產生一定的系統誤差，但這個誤差對模型的精度影響很小。

4.2 評估模型

圖2 圓形浮標陣布放圖

假定反潛作戰背景為已知潛艇的初始發現位置和時間，潛艇航向、航速未知。反潛直升機接到命令后前往潛艇初始發現海域執行應招搜潛任務，利用圓形浮標陣搜索潛艇。具體的參數為：以最后一次發現潛艇的位置為圓心，反潛直升機距潛艇初始發現點的距離D1，反潛直升機巡航速度Vhel；潛艇某時刻的坐標為（xsub，ysub）；聲納浮標數量N，有效作用距離r，各枚浮標的投放位置（xbuoyn，ybuoyn），n∈［1，N］為浮標標號，浮標間的夾角為Φ；反潛直升機從出發點位置到首枚浮標所需時間T1，向第n枚浮標飛行過程所需時間Tn；圓形陣半徑R，潛艇初始發現位置與反潛直升機初始位置連線相對于正南方向的角度為γ1，第n－1枚浮標與第n浮標連線相對于正南方向的角度為γn。反潛直升機真實航速為Vrealn，圓形浮標陣的布陣過程如圖2所示［11］。

聲納浮標的布放關鍵是要確定首枚浮標的投放位置（xbuoy1，ybuoy1）和圓形浮標陣的半徑R［13］。為了減小浮標的布放時間，首枚浮標的位置應該選擇布放在潛艇初始發現點與反潛基地的連線上。同時，圓形浮標陣的半徑必須滿足在所有浮標布放完畢前，即使潛艇以其最大機動速度規避也不能逃脫浮標陣的作戰范圍。基于這一原則，要求各浮標的投放位置（xbuoyn，ybuoyn）滿足：

浮標陣半徑R需滿足：

代入相關參數后得：

即滿足所有浮標布放完畢前，即使潛艇以其最大機動速度規避也不能逃脫浮標陣的最小半徑R，為不等式（6）右邊確定的值。將R代入式（4）可以確定（xbuoyn，ybuoyn）。

5 仿真分析

圖3 潛艇機動示意圖

仿真1：假設潛艇在一定范圍內作不規律機動，且其運動方向、速度均為隨機數，可以摸擬出潛艇在圓形浮標陣中某段時間內的運行軌跡如圖3所示。可見，潛艇自身的機動對單一的圓形陣搜索效率有很大影響，假如潛艇沉入海底不做機動，單一圓形陣就很難發現。如果要在最短時間內搜索到潛艇，就需要在圓形陣中心布放1枚或數枚浮標，構成多層圓形陣，以提高搜索效率。

仿真2：假設海洋背景噪聲級的變化范圍為［10～110dB］，環境背景噪聲級對單個聲納浮標作用距離和搜索概率的影響分別如圖4、圖5所示。可見，圓形浮標陣的作用距離和搜索效率在一定范圍內受環境噪聲級的影響較大，特別是大于40dB后搜索效率會迅速下降。