直升機使用吊放聲納搜潛作戰的策略研究

倪春光, 陳迎春, 王先華

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直升機使用吊放聲納搜潛作戰的策略研究

倪春光, 陳迎春, 王先華

(水聲對抗技術重點實驗室, 廣東 湛江, 524022)

研究了溫躍層海洋環境條件下直升機使用吊放聲納搜潛的作戰策略, 首先建立了直升機和潛艇的運動學模型、吊放聲納的探測模型和水聲傳播模型, 后者考慮了聲速剖面和海底參數的影響。基于蒙特卡洛仿真定量分析了直升機時延、吊放聲納優質因子、吊放深度和任務時間等關鍵作戰要素對反潛效果的影響。

直升機; 吊放聲納; 潛艇; 作戰策略

0 引言

潛艇以極強的隱蔽性, 成為現代戰爭中極具威脅的突襲手段, 具有巨大的戰術和戰略威懾意義。戰爭中, 及時有效地探測敵方潛艇的位置、航行深度和速度等特征參數, 是投放空投魚雷反潛的先決條件之一。反潛直升機是當今最有效的反潛兵力之一, 它具有機動性能好、反應速度快、受威脅小等優點[1]。目前世界各國海軍的大、中型反潛水面艦艇普通裝備有反潛直升機, 艦載直升機已成為水面艦艇反潛的重要手段。吊放聲納作為航空搜潛的重要裝備, 以尺寸小、重量輕、使用機動靈活等優點而在實際作戰訓練中得到廣泛使用。使用吊放聲納搜索和跟蹤潛艇是航空反潛的主要手段之一[2]。本文主要研究存在溫躍層條件下直升機使用吊放聲納搜潛的作戰使用策略。

1 潛艇與直升機的對抗策略模型

1.1 潛艇運動學模型

1.2 直升機運動學模型

反潛直升機使用吊放聲納搜潛時, 常用的搜索算法有方形、扇形、鋸齒形、矩形、螺旋線形和擴展螺旋線形。方形搜索算法的航線如圖1所示, 其中:為吊放間距, csp為起始搜索點。

圖1 方形搜索算法示意圖

1.3 吊放聲納探測模型

反潛直升機完成一次探測所需的平均時間稱為搜索周期, 它包括水下分機下放時間、聲納搜索時間、水下分機提升時間、直升機飛向下一個吊放點所用時間以及直升機在單個搜索周期內轉彎、懸停所耗費時間。直升機使用吊放聲納時主要考慮吊放深度的影響。

1.4 水聲傳播模型

聲波在海洋中的傳播滿足基本的波動規律, 即波動方程, 所有聲場模型的理論基礎均為波動方程。波動方程從基本的狀態方程、連續方程和運動方程中導出。海洋聲場理論的核心問題就是求解滿足相應邊界條件的波動方程

嚴格求解方程(4)是復雜的甚至是不可能的。為了得到一般條件下波動方程的解只能利用數值算法。根據使用的特定幾何假設及解的表達式, 波動方程有多種類型的數值解。不同解的形式形成了不同的聲場模型。

對水平變化的問題, 拋物近似方法被證明是一個有效的手段。拋物方程法(parabolic equation, PE)最初是由Tappert引入海洋聲學的[5]。之后, PE技術發展得非常快, 并已經成為解決水平變化的水聲問題最有效的方法之一。目前已有的2D PE聲場計算程序很多, 關于PE進展可參閱文獻[6], 如UM模型[7]、FE模型[8]和RAM模型[9]等。在計算精度上, RAM等同于其他高階PE解, 但在同樣的計算精度要求下, RAM允許更大的計算步長, 從而大為減少了計算時間[10]。鑒于RAM的諸多優點, 本文主要采用RAM模型來進行聲場的數值預報。

2 仿真結果與分析

2.1 參數設置

圖2 聲速剖面圖

2.2 聲場計算結果

在計算過程中, 設聲源深度srcDep={10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 400} m。設接收深度recDep={50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 200, 250} m, 利用MOATL程序計算不同距離上的傳播損失, 其中直升機吊放聲納的吊放深度在50 m、120 m和150 m時在6 km距離上傳播損失如圖3所示。

圖3 吊放深度在50 m、120 m和150 m下的傳播損失

2.3 仿真過程

仿真過程如下。

1) 隨機產生10000組潛艇的運動策略: 速度在[6, 20] kn之間均勻產生, 航向在[0, 360]°內均勻產生; 航深在srcDep數組內隨機選擇。

2) 隨機產生10000組直升機的運動策略: 吊放聲納的吊放間隔系數在[1.2, 2.0]內隨機產生, 吊放深度在recDep數組內隨機選擇。

3) 潛艇每組策略與隨機抽取的1000組直升機策略逐一對抗, 累計對抗的勝負結果。

4) 直升機每組策略與隨機抽取的1000組潛艇策略逐一對抗, 累計對抗結果。

5) 結果判定: 潛艇和直升機每分鐘更新一次位置, 計算兩者之間的距離; 根據潛艇航速修正吊放聲納的優質因子, 根據潛艇深度(聲源深度)和吊放聲納深度(接收深度)以及兩者之間的距離查表得到傳播損失。如果優質因子大于傳播損失則潛艇被發現, 直升機獲勝, 否則繼續。若5 h后聲納仍未發現目標, 則潛艇獲勝, 對抗結束。

2.4 結果分析

從預警系統發現潛艇的概略位置到直升機趕赴該位置的時間定義為時延。時延對直升機發現潛艇的概率影響非常大, 如圖4所示, 其中折線為直升機發現潛艇的概率。這就要求反潛預警系統具有快速反應能力。

圖4 時延對直升機發現潛艇概率的影響

吊放聲納的優質因子對直升機發現潛艇概率點影響也非常大, 如圖5所示。

優化得到直升機吊放聲納的吊放深度(m)分別為: 60, 90, 130, 70, 70, 120, 180, 140, 150, 70, 130, 160, 150, 80, 170, 150, 90, 50, 150, 160, 110, 110, 90, 200, 50, 140, 100, 170, 160, 90。這說明吊放聲納的吊放深度不能固定, 應該在允許的深度范圍內隨機變化。

圖5 吊放聲納優質因子對直升機發現潛艇概率的影響

直升機能執行任務的時間長度也影響了發現概率, 如圖6所示。可以看出, 任務時間達到190 min左右后發現概率的變化不太明顯, 這是因為此時目標的散布范圍非常大了。

圖6 任務時間對直升機發現潛艇概率的影響

3 結束語

本文建立了直升機和潛艇的運動學模型、吊放聲納的探測模型和水聲傳播模型, 基于蒙特卡洛仿真定量分析了溫躍層環境下影響直升機吊放聲納反潛效果的關鍵作戰因素。

下一步將研究直升機不同搜索模型對發現概率的影響, 并從博弈的角度研究直升機以及直升機編隊搜潛的作戰策略及其優化。

[1] 湯智胤, 何琳. 基于直升機聲納探測的潛艇被發現概率仿真[J]. 系統仿真學報, 2008, 20(17): 4751-4755. Tang Zhi-yin, He Lin. Simulation Research of Counter- detection Probability of Submarine Based on Antisubmarine Helicopter Sonar Detection[J]. Journal of System Simulation, 20(17): 4751-4755.

[2] 高學強, 楊日杰, 安昕, 等. 潛艇機動規避對抗吊放聲納搜索技術仿真研究[J]. 測試技術學報, 2009, 23(1): 14-18. Gao Xue-qiang, Yang Ri-jie, An Xin, et al. Simulation Research on Submarine Evasion to Fight Against Dipped Sonar Searching[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2009, 23(1): 14-18.

[3] 高學強, 楊日杰. 潛艇輻射噪聲聲源級經驗公式修正[J]. 聲學與電子工程, 2007(3): 17-18.

[4] 李凡, 郭圣明, 王魯軍, 等. 一種新的聲納作用距離指標評估方法[J]. 聲學技術, 2009, 28(3): 235-239. Li Fan, Guo Sheng-ming, Wang Lu-jun, et al. A New Approach to Prediction of Sonar Detection Range Index[J], Acoustic Technology, 2009, 28(3): 235-239.

[5] Hardin R H, Tappert F D. Application of the Split-step Fourier Method to Numerical Solution of Nonlinear and Variable Coefficient Wave Equations[J]. SIAM Review, 1973(15): 423.

[6] Lee D, Pierce A D, Shang E C. Parabolic Equation Development in the Twentieth Century[J]. Journal of Computational Acoustics, 2000, 8(4): 527-639.

[7] Smith K B, Tappert F D. UMPE: The University of Miami Parabolic Equation Model Version 1.0[R]. MPL Technical Memorandum, 1993: 432.

[8] Collins M D. FEPE Users′ Guide[R]. Mississippi: Naval Ocean Research and Development Activity Stennis Space Center, 1988.

[9] Collins M D. A Split-step Pade Solution for the Parabolic Equation Method[J], Journal of the Acoustical Society of America, 1993, 93(4): 1736-1742.

[10] Michael D, Collins. Comparison of Algorithms for Solving Parabolic Wave Equations[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1996, 100(1): 178-182.

Operational Strategy for Helicopter with Dipping Sonar to Search Submarine

NI Chun-guang, CHEN Ying-chun, WANG Xian-hua

(Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Zhanjiang 524022, China)

The operational strategy for a helicopter with dipping sonar to search submarines under sea environment of thermocline is studied. The movement models of the helicopter and submarine are established, followed with the detection model of dipping sonar and the model of acoustic propagation model. The later considers the influences of sound velocity profile and sea bottom parameters. The influences of time delay of a helicopter, mission time of a helicopter, and merit factor of dipping sonar on the effectiveness of anti-submarine are analyzed based on Monte Carlo simulation, and the quantitative analysis result are given.

helicopter; dipping sonar; submarine; operational strategy

TJ67

A

1673-1948(2012)04-0317-04

2013-04-15;

2013-06-15.

水聲對抗技術重點實驗室基金資助項目(2011ssdkzd03.02).

倪春光(1968-), 男, 工程師, 研究方向為水聲對抗技術.

(責任編輯: 許 妍)