UUV集群探雷效能評估方法

陳 強， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

UUV集群探雷效能評估方法

陳 強， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

針對UUV探雷作業任務，建立UUV集群探雷作業效能評估模型。針對UUV集群搜索和探測水雷2種機動方式，進行集群探雷作業效能評估分析，給出UUV集群搜索效率和發現目標概率。

UUV；集群探雷；效能評估

0 引 言

本文主要研究典型作業條件下，UUV集群探雷作業效能評估問題。在以典型作業為背景進行效能評估時，效能評估方法和評估結果實際上與UUV裝備性能、作戰環境、作業方法密切相關，應該考慮這3個方面的要素。實際進行評估時，為簡化工作量，減少評估的復雜性，常常會假定某個條件，或簡化模型，以突出某個階段重點關注的問題，淡化其他影響因素。例如，在主要考慮UUV機動方式或主要戰術技術性能影響因素時，可能會取典型海洋環境條件下探測傳感器的性能指標，從而弱化不同海洋環境因素對探測傳感器性能和作業效能的影響。UUV探測水雷一般有2種方式：一是在某個區域以固定航速沿直線方向搜索和探測水雷；二是在某個區域按“梳”字形機動搜索和探測水雷。

典型想定為：UUV由Ngc個探測傳感節點和Ntx個通信節點構成1個群使用。UUV探測傳感節點之間的距離為d/m，探測水雷距離為Rgc/m。探雷作業區域大小，橫向寬度為Bhx/n mile，縱向長度為Lzx/n mile，作業區域面積Ssq/n mile2，考察UUV集群探雷作業效能。

1 在某個區域以固定航速沿直線方向搜索和探測探雷

UUV集群以航速Vgc/kn沿著作業區縱向搜索。UUV群可采用橫向線式隊形搜索，也可采用三角形隊形搜索。

對于采用三角形分布的集群，領航者在前面，其他UUV在其后面跟隨。領航者與各UUV之間的間距為d，其在橫向方向投影為dhx，在縱向方向投影為dzx，UUV集群隊形長度Lhx與作業區域寬度Bhx相同，dhx由下式確定：

Lhx=(dhx(Ngc-1)+2Rgc)/1852，

(1)

圖1 搜索區域為一個縱向長度遠大于橫向長度的矩形Fig.1 Rectangle search area (lognitudinal length more longer then transverse length)

圖2 UUV橫向間距的確定Fig.2 Establish transverse distance between a UUV and another UUV

(2)

當UUV群采用橫向線式分布時，只需將UUV間距d替換原來的橫向間距dhx，即可利用上述公式計算橫向線式分布情況下的集群搜索效率和發現目標概率。當給定UUV探測距離Rgc時，可根據搜索區域橫向總寬度，確定UUV之間的橫向間距。若2個UUV之間的橫向間距大于UUV探測距離2倍時；二者之間會出現空隙區；若小于UUV探測距離2倍時，二者之間會出現重疊區。設：

Zpj=dhx-2Rgc。

(3)

若Zpj<0，則出現重疊區；若Zpj>0，則出現空隙區；若Zpj=0，則既沒有空隙區，也沒有重疊區，此時，UUV隊形為最優配置。取各UUV探測覆蓋范圍在橫向投影寬度之和與搜索區域橫向寬度之比作為發現目標概率，可計算得到UUV集群搜索發現目標概率。

Pfx=各UUV探測覆蓋范圍在橫向投影寬度之和
/搜索區域橫向寬度。

(4)

UUV集群搜索效率分以下2種情況進行計算。

有空隙區時：

Cjq=(2RgcNgc)Vgc/1852；

(5)

有重疊區時：

Cjq=(2RgcNgc-abs(Zpj)
(Ngc-1))Vgc/1852。

(6)

1)算例1

假設Ngc=3，Ntx=2，橫向寬度Bhx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業區域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=3 kn，作業時間需6～7 h。將基本數據帶入式(1)～式(6)，可計算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區或重疊區、發現目標概率和集群搜索效率。

計算結果表明：若UUV探測距離小于140 m，則2個UUV之間有空隙區域，目標會有遺漏；若UUV探測距離大于140 m，則2個UUV之間有重疊區域。2個UUV有空隙區時，發現目標概率較低,空隙區減小，發現目標概率增加；有重疊區時，發現目標概率達到1，重疊區增加對目標發現概率沒有影響。UUV探測距離增加，集群搜索效率提高；出現重疊區后，重疊區增加對集群搜索效率沒有影響。

表1 UUV集群搜索效率和發現目標概率計算

2)算例2

假設Ngc=3，Ntx=2，搜索區縱向長度Lzx=20 n mile。UUV航速Vgc=3 kn，作業時間需6～7 h。航向器探測距離為Rgc，UUV之間的橫向間距為dhx,則搜索區橫向寬度Bhx可根據UUV探測距離和UUV之間的橫向間距來確定。將基本數據代入式(1)～式(6)，可計算得到搜索區橫向寬度、UUV之間的橫向空隙區或重疊區、發現目標概率和目標搜索效率。

表2 UUV探測距離為100 m時的集群搜索效率和發現目標概率

表3 UUV探測距離為140 m時的集群搜索效率和發現目標概率

表4 UUV探測距離為180 m時的集群搜索效率和發現目標概率

計算分析表明：UUV探測距離增加，在保持相同發現目標概率條件下，搜索區域橫向寬度可增大，集群搜索效率增加；有重疊區時，重疊區越大，集群搜索效率越低，發現目標概率不變保持為1；有空隙區時，空隙區越大，發現目標概率越低，而集群搜索效率不變。

3)算例3

UUV主要性能如表5所示。假設Ngc=3～5，Ntx=2，作業區域橫向寬度Bhx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業區域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=4 kn，作業時間需5 h。將基本數據代入式(1)～式(6)，可計算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區或重疊區、發現目標概率和目標搜索效率。

表5 典型UUV主要性能參數

Tab.5 Typical UUV main performance parameter

項 目UUV-AUUV-B搜索速度/kn44續航力/km100180搜索時間/h1324側掃聲吶工作頻率/kHz300400側掃聲吶覆蓋角/(°)150128側掃聲吶側掃范圍/m100200

表6 典型UUV集群搜索效率和發現目標概率

從表中計算結果可知，UUV-A由于探測目標距離近，配置3個UUV-A不能完全覆蓋搜索區域橫向寬度，存在較大空隙區，發現目標概率為0.656，集群搜索效率為1.296；配置4個UUV-A仍不能完全覆蓋搜索區域橫向寬度，存在一定空隙區，發現目標概率提高到0.875，集群搜索效率提高到1.728；配置5個UUV-A能完全覆蓋搜索區域橫向寬度，發現目標概率達到1.00，集群搜索效率達到1.974，與配置3個UUV-B的集群搜索效率和發現目標概率相同。因此，在上述假設條件下，所需UUV-A與UUV-B數量之比為5∶3， 即3艘UUV-B相當于5艘UUV-A的作業效果，說明探測目標距離對集群搜索效率有很大影響。

在發現目標概率為1.00條件下，集群搜索效率為1.974，假設目標落入探測聲吶作用區域的概率為P接觸，則UUV在單位時間內發現靜止目標的期望數為：

γ期望= (C集群/Ssq)×P接觸。

(7)

取接觸概率P接觸為1.0，將有關數據代入式(7)，得到單位時間內發現靜止目標的期望數為：

γ期望=(1.974/9.8)×1.00=0.2(1/h)。

搜索整個區間所需時間為5 h，5 h發現目標期望數為1.0，即采用上述搜索方法和搜索隊形參數，搜索5 h必定能夠發現目標。

2 在某個區域按“梳”字形機動搜索和探測水雷

假定UUV采用“梳”字形機動搜索一個面積為Ssq(n mile2)的區域。作業區域橫向寬度Bhx=2 n mile，縱向長度Lzx=10 n mile，作業區域面積約20 n mile2。探測UUV數量Ngc=3～5，通信UUV數量Ntx=2，航速Vgc=4 kn，UUV探測距離Rgc為100 m或200 m。UUV采用橫線式隊形搜索目標，UUV之間的橫向間距d=2Rgc，發現目標概率Pfx=1，將基本數據代入式(1)～式(6)，可計算得到UUV隊形長度Lhx和集群搜索效率。

圖3 “梳”字形機動搜索和探測作業示意圖Fig.3 Mobile search and detection operation in comb form

UUV類型UUV數量NgcUUV探測距離Rgc/mUUV之間的橫向間距d/mUUV隊形長度Lhx/mUUV航速Vgc/kn集群搜索效率Cjq/nmile2·h-1UUV-A310020060041296UUV-A410020080041728UUV-A5100200100042160UUV-B3200400120042592UUV-B4200400160043456UUV-B5200400200044320

UUV編隊沿著橫向走“梳”字形，根據UUV編隊長度Lhx和搜索區縱向長度Lzx，可確定編隊完成整個區域搜索沿著橫向需要搜索次數，即：

Nbs=INT(1852×Lzx/Lhx)。

(8)

式中：INT為取整數的函數。

根據幾何概率公式，在搜索區域內編隊集群搜索時發現目標的概率為編隊搜索目標面積與搜索區域面積之比，并考慮UUV編隊縱向搜索發現目標概率，即：

Pjqfx=(Sgc/Ssq)×Pfx。

(9)

式中：

Sgc=Lhx×Bhx×Nbs/1852，

(10)

Ssq=Lzx×Bhx，

(11)

Pfx=1。

將基本參數代入式(8)～式(11)，可得編隊集群搜索該探雷作業區的發現目標概率。

表8 編隊集群搜索探雷作業區的發現目標概率

UUV作業效能可用UUV在單位時間內發現靜止目標的期望數γ期望和期望時間T期望表征。對于編隊集群搜索，在單位時間內發現靜止目標的期望數為：

γ期望=C集群/Ssq，

(12)

若搜索整個區域所需時間為Tssh，則在Tssh發現目標期望數為：

γ=Tss×γ期望。

(13)

編隊搜索整個探雷作業區時間為編隊航行距離除以航行速度。顯然，編隊航行距離等于作業區橫向寬度乘以編隊搜索往返次數。采用上述搜索方法和搜索隊形參數，搜索Tssh發現目標期望數與編隊發現目標概率一致，在95%以上。

表9 “梳”字型編隊搜索探雷作業區發現目標期望數

分析表7～表9的計算結果可知：UUV-B的集群搜索效率和UUV-B隊形長度為UUV-A的2倍，編隊搜索往返次數和搜索目標時間減少一半，UUV-B采用3 kn或5 kn航速發現目標概率最大，4 kn航速時續航時間約為27 h，滿足上述給定區域搜索作業時間的需求；UUV-A采用4 kn航速發現目標概率最大，由于4 kn航速時續航時間為13 h，難以滿足上述給定區域搜索作業時間的需求。

3 結 語

本文針對UUV的探雷任務，提出了典型的探雷作業方法。按照設定的典型探雷作業想定，建立了集群探雷作業效能評估模型，給出了不同裝備性能參數、編隊隊形要素對作業效能的影響規律。針對典型UUV裝備性能參數，根據設定作業海區開展了不同搜索樣式下的效能評估分析。研究和分析結果可用于UUV裝備型號研制立項綜合論證，也可為部隊使用UUV進行探雷作業訓練提供參考。

[1] В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達爾.搜索目標法[M].中國系統工程學會軍事系統工程委員會，1982.

В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達爾.Searching target method[M].Systems Engineering Society of China Military Syst-ems Engineering Committee，1982.

[2] 武器裝備論證通用規范：戰術技術指標論證[S].GJBz 20221.6-94.

General specification for demonstration of weapon and equipment Tactical and technical goal demonstration.GJBz 20221.6-94.

[3] WILLCOX S,et al.Multi-vehicle cooperative navigation and autonomy with the bluefin cadre system[M].Cambridge, MA:Bluefin Robotics Corporation.

Research on efficiency evaluation method of UUV group detection mine

CHEN Qiang，YUAN Si-ming

(Navy Equipment Academe，Beijing 100161,China)

Paper established efficiency evaluation model of UUV group detection mine for UUV detection mine task. This progressed efficiency evaluation analysis of UUV group detection mine and presented search efficiency and find target probability in UUV group manner for two kind of mobile manner of UUV group search and detection mine.

UUV;group detection mine;efficiency evaluation

2014-01-17;

2014-03-24

陳強(1961-)，男，研究員，從事艦艇和水下無人航行器論證研究。

TP242

A

1672-7649(2014)12-0178-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.001