反潛直升機“弓”字形前方護航搜索方法及其仿真*

叢紅日　周海亮　沙德鵬

(1.海軍航空工程學院指揮系　煙臺　264001)(2.海軍航空工程學院研究生管理大隊　煙臺　264001)

反潛直升機“弓”字形前方護航搜索方法及其仿真*

叢紅日1周海亮2沙德鵬2

(1.海軍航空工程學院指揮系煙臺264001)(2.海軍航空工程學院研究生管理大隊煙臺264001)

摘要使用艦載直升機進行伴隨護航反潛是保證水面艦艇編隊對潛防御安全的重要方法。針對編隊前方反潛護航的實際需要和反潛直升機使用吊放聲納搜索的特點,提出了“弓”字形護航搜索法這一新的作戰使用方法,建立了同步模型,提出了提高搜索效能的基本方法。通過建立仿真模型對“弓”字形護航搜索方法的搜索效能進行了仿真,并根據仿真結果對“弓”字形護航搜索法的具體作戰使用方法進行了優化,為直升機采用前置法進行伴隨護航反潛的作戰使用提供了理論依據。

關鍵詞反潛直升機; “弓”字形護航搜索法; 前置法; 吊放聲納; 伴隨護航反潛; 仿真模型

Class NumberV249

1引言

在現代的編隊反潛護航中主要是采用艦載反潛直升機伴隨護航反潛[1],在艦載反潛直升機進行伴隨護航反潛時,通常由反潛直升機在編隊周圍受敵潛艇威脅最大的方向建立反潛巡邏線[2]。

對于航渡過程中的水面艦艇編隊,受敵潛艇威脅最大的方向一般為編隊航向的前方或側前方[3]。為此,需要在編隊前方建立反潛巡邏線進行護航反潛,稱為前置法。艦載反潛直升機進行前置法護航反潛時,通常使用吊放聲納建立反潛巡邏線。為了長時間地持續為編隊提供反潛防護,需要反潛直升機與編隊之間密切進行協同,特別是要保持反潛巡邏線與編隊之間的同步[4]。

本文結合吊放聲納作戰使用的特點和前置法護航反潛的要求,提出一種新的作戰使用方法并對其作戰效能進行仿真,為部隊訓練和作戰提供參考。

2“弓”字形搜索法

2.1基本方法

“弓”字形搜索法就是反潛直升機在艦艇編隊航向的正前方一定距離上進行類似“弓”字形的曲折搜索運動,通常單機組織實施,也可以雙機、甚至多機組織實施,如圖1所示。

圖1　“弓”字形搜索法(雙機)示意圖

“弓”字形搜索法的關鍵是保證反潛直升機搜索推進過程與艦艇編隊保持同步。在確保同步的基礎上,根據兵力數量、裝備性能、敵潛艇速度和上級要求我反潛直升機所擔負的防護寬度(防止敵潛艇突防寬度)等綜合因素確定搜索寬度、探測點間距。

2.2主要參數關系分析

“弓”字形搜索呈現明顯的的周期性,這里取一個同步周期為例進行主要參數關系分析。

圖2　“弓”字形搜索周期分析圖

由圖2可知:

D寬=(n-1)d+D測

(1)

其中:D測為吊放聲納的探測圓直徑,D寬為搜潛寬度。

反潛直升機在伴隨護航反潛時核心任務是搜潛,為編隊提供預警信息[5]。因此,在整個過程中最重要的效能指標就是探測概率P,此外搜潛寬度D寬也是一個重要指標,D寬越大,搜潛的范圍就越大。

影響P的因素有很多,主要包括:吊放聲納的探測圓直徑D測,每相鄰兩個懸停探測點之間的間距d,在一個直線搜索段內的探測點數量n,從一個探測點飛向另一個探測點的時間t巡,反潛直升機使用吊放聲納搜索時的探測周期t探(包括:下放吊放聲納至預定深度的時間t放、收起吊放聲納的時間t收、在懸停探測點聽測的時間t測[6]),反潛直升機飛行的速度V直,敵潛艇的航速V潛等。另外,海區天氣狀況、水文環境、裝備性能和機組訓練水平等因素也會對P產生影響[7]。綜合分析,在搜潛過程中d、n是影響P的主要因素。

2.3保持同步的方法

反潛直升機在艦艇編隊航向前方進行類似“弓”字形型搜索,使得反潛直升機使用吊放聲納進行搜索時的平均搜索速度在編隊航向上的分量與編隊的航速相當,從而保持與艦隊編隊同步運動。

從圖2可以看出,“弓”字形搜索法具有明顯的周期性,因此,只需對其中一個同步周期進行分析即可。一個同步周期是指反潛直升機使用吊放聲納沿著垂直于編隊航向的方向上的一個直線搜索段從第一個懸停探測點開始依次懸停探測直至轉移到下一個直線搜索段的時間周期。

設相鄰兩個直線搜索段之間的間距為L,當一個同步周期結束時,反潛直升機使用吊放聲納進行搜索的時間t直為

t直=[(n-1)d+L]/V直+n(t放+t測+t收)

(2)

此時,航母編隊的航行時間t編為

t編=L/V編

(3)

為保持同步,應使:

t編=t直

(4)

即:

L/V編=[(n-1)d+L]/V直+n(t放+t測+t收)

(5)

式中,V編、V直、t放和t收通常是一定的,因此,為保持同步,主要應合理調整d、t測、L和n的取值。

2.4提高搜索效能的方法

為提高搜潛效能,每相鄰兩個探測圓之間距離d必須滿足一定條件[8],通常按照戰術原則設定:

D測/2≤d≤D測

(6)

但是在特殊情況下,比如上級要求的搜潛寬度很寬,而我反潛直升機數量不夠時,可以采取擴大d的辦法以增加搜潛寬度。

3仿真模型建立

3.1反潛直升機運動模型

1) 反潛直升機的位置表示

建立如圖3所示的平面直角坐標系。

可以看出,反潛直升機第一個探測點的位置為

(7)

則第k個探測點的位置為

當k∈[2k1n+1,(2k1+1)n],k1=0,1,2…時:

(8)

當k∈[(2k1+1)n+1,2(k1+1)n],k1=0,1,2…時:

(9)

圖3　“弓”字形搜索周期坐標系

2) 時間表示

假設以反潛直升機在首個懸停探測點開始探測時為基準時間(即時間為0),則在第k個懸停探測點結束探測時的時間tk為

tk=k·(t放+t測+t收)

(10)

3.2敵潛艇運動模型

1) 敵潛艇的初始位置分布

只有當敵潛艇有可能進入到反潛直升機建立的反潛巡邏線搜索范圍內,反潛直升機才有可能搜索到,否則對搜索效果不產生影響[9]。在前置法護航搜潛時,反潛直升機在編隊前方建立巡邏搜索線進行搜索,因此,敵潛艇的初始位置(x潛0,y潛0)可以表示為

(11)

其中,可假設yε在D寬范圍內服從均勻分布。設ε1為服從均勻分布的隨機數,且0≤ε1≤1,則:

yε=ε1·D寬

(12)

2) 敵潛艇的航向分布

設敵潛艇航向為θ,由于敵潛艇是正面突防,如果θ過大,則會駛離反潛直升機的搜索范圍,所以θ的范圍可設為

4/3π≤θ≤5/3π

(13)

設θ在(4/3π,5/3π)范圍內服從均勻分布,ε2為服從均勻分布的隨機數,且0≤ε2≤1,則:

θ=4/3π+ε2/3π

(14)

3) 敵潛艇航速

敵潛艇在接近艦艇編隊時,通常會采取高速突破的方式,但是一般不會使用最大速度。

4) 敵潛艇的運動模型

在當前同步周期內的較短時間,可假設敵潛艇的航向和航速是恒定的,中途不發生改變。設敵潛艇航速為V潛,則敵潛艇在任意時刻t的位置坐標為

(15)

3.3探測效果的判別

反潛直升機使用吊放聲納進行探測時,是否能探測到目標,取決于能否滿足一定條件。即需要對探測效果進行判別。

由于各個同步周期的情況類似,因此,仿真時,僅對一個同步周期進行仿真即可。在一個同步周期內,要對每一時刻敵潛艇和反潛直升機的位置進行計算,然后判斷兩者之間的距離。如果兩者的距離小于D測/2,這時說明敵潛艇已經進入我反潛直升機吊放聲納可能的探測范圍內[10]。如果此時反潛直升機正處于一個搜索周期內的t測階段(即有效工作時間),則如果不考慮裝備的可靠性、機組的訓練水平、海區天氣水文等影響,則敵潛艇被探測到,該次仿真結束。否則,說明沒有探測到敵潛艇,需要進入下一個探測周期急需進行判別,直至發現敵潛艇或到達預定結束時間(該同步周期的結束時間)。

4仿真分析

4.1仿真目的

把吊放聲納相鄰探測點間距d和敵潛艇航速v潛作為變量進行仿真,得出d和v潛取不同值時的搜潛概率P,通過分析仿真結果,得出能用于指導作戰使用的結論。

4.2仿真想定

水面艦艇編隊航速為18kn,吊放聲納實際有效探測距離為8km,在每個懸停探測點收、放吊放聲納的時間分別為1min,在每個懸停探測點進行聽測的時間為5min,轉移懸停探測點時直升機的飛行速度為150km/h,n為4個。

吊放聲納相鄰探測點間距d的取值分別為:8km、10km、12km、14km、16km;敵潛艇的航速介于5kn～20kn之間,級差為1kn。

仿真步長為1min,仿真次數為1000次。

4.3仿真結果

使用Matlab編寫仿真程序進行仿真。仿真結果如圖4所示。

4.4仿真結果分析

1) 探測點間距對搜索概率的影響

從圖4可以看出,使用“弓”字形搜索法時,對于速度11kn以下的敵潛艇,探測點間距14km時的探測概率較高,最高時為0.82;對于速度11kn以上的敵潛艇,探測點間距8km時的探測概率較高,最低時為0.68。

圖4　“弓”字形搜索法仿真效果圖

圖中曲線走勢比較復雜,但是可以看出探測點間距8km時,探測概率穩定性最好,所以對于不明速度的敵潛艇,最好是采用探測點間距8km實施“弓”字形搜索法。也就是說,最佳懸停探測點間距大約為吊放聲納實際有效探測距離的1倍。但是,探測點間距越小,則搜索寬度也越小。因此,實際確定探測點間距時,應綜合考慮防護寬度和搜索概率的要求。

2) 敵潛艇航速對搜索概率的影響

敵潛艇航速對搜潛效能有重要影響,無論吊放聲納相鄰探測點間距為多少,總的趨勢是:敵潛艇航速越高,探測概率越低,特別是當敵潛艇航速高于某一數值時,探測概率隨著敵潛艇航速的增加將加速降低。因此,對于有可能高速突防的敵潛艇,僅僅建立一道巡邏搜索線可能還難以保證我編隊的對潛防御安全,需要建立更加嚴密的反潛防御體系。

5結語

使用艦載直升機進行伴隨護航反潛是保證水面艦艇編隊對潛防御安全的重要方法。針對前置反潛護航的實際需要和反潛直升機使用吊放聲納搜索的特點,提出了“弓”字形搜索法這一新的作戰使用方法,不但有效解決了巡邏搜索線與編隊之間的同步問題,而且通過建立模型進行仿真表明,該方法可以取得比較理想的搜潛效果。同時,通過對仿真結果的分析,對“弓”字形搜索法的具體作戰使用方法進行了優化,能為部隊訓練和作戰提供參考。

參 考 文 獻

[1] 叢紅日.航空反潛戰術[D].煙臺:海軍航空工程學院,2008:31-37.

[2] 叢紅日,肖明強,陳鄧安.直升機反潛巡邏線與編隊之間同步問題研究[J].艦船電子工程,2011,31(8):8-10.

[3] 吳金平,楊必奉,劉國光.編隊護航HVU反潛威脅軸[J].火力與指揮控制,2010,35(12):83-85.

[4] 叢紅日,沈培志,王偉.直升機側翼法伴隨護航反潛作戰使用方法及其仿真[J].艦船科學技術,2011,33(3):115-119.

[5] 樸成日.航渡中反潛直升機的配置[J].艦船科學技術,2012,34(3):118-121.

[6] 王曉輝,陳建勇,趙紅軍.直升機吊放聲納搜索方法效能研究[J].火力與指揮控制,2009(9):18-20.

[7] 郭輝,錢學東,劉啟軍.直升機吊放聲納搜潛機動建模仿真[J].指揮控制與仿真,2009,31(1):87-89.

[8] 叢紅日,靳天宇,劉衛東.吊放聲納搜索效能通用仿真模型研究[J].系統仿真技術,2011,7(1):72-75.

[9] 盛文平,王磊,王浩,等.反潛直升機吊放聲納應召搜潛仿真研究[J].指揮控制與仿真,2009,31(6):84-88.

[10] 吳芳,楊日杰,徐俊艷.對潛的吊放聲納應召搜索技術仿真研究[J].系統仿真學報,2009,21(13):3989-3992.

A“Bow”-shape Search Method When Antisubmarine Helicopter Ahead Escort and Its Simulation

CONG Hongri1ZHOU Hailiang2SHA Depeng2

(1. Department of Command, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)(2. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractAccompanying escort antisubmarine with shipborne antisubmarine helicopter is an important method to protect a surface ship formation. According to the actual needs of preposing escort antisubmarine and the search method characteristics of antisubmarine helicopter when using dipping sonar, a new search method of “bow”-shape is put forward, synchronization model is set up, the basic methods to increase the search efficiency are put forward. On this base, the simulation model is set up, and the searching effectiveness is studied with simulation method. In the end the material search method is optimized by analysing the simulation result, and this can offer theoretic foundation for the helicopter preposing escort antisubmarine operating application.

Key Wordsantisubmarine helicopter, “bow”-shape search method, preposing method, dipping sonar, accompanying escort antisubmarine, simulation model

*收稿日期:2015年12月13日,修回日期:2016年1月27日

作者簡介:叢紅日,男,博士,副教授,研究方向:航空反潛戰術、裝備管理。周海亮,男,碩士研究生,研究方向:海軍兵種戰術。沙德鵬,男,碩士研究生,研究方向:海軍兵種戰術。

中圖分類號V249

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.007