超視距空戰條件下艦載機空中巡邏研究

孫衛東，王　勃，2

（1.海軍大連艦艇學院；2.92819部隊，遼寧大連116018）

超視距空戰條件下艦載機空中巡邏研究

孫衛東1，王勃1，2

（1.海軍大連艦艇學院；2.92819部隊，遼寧大連116018）

根據超視距空戰條件下艦載機空中巡邏的特點，建立艦載機空中巡邏的戰術行為模型；采用蒙特卡洛法對巡邏效果進行模擬統計，分析雷達最遠發現距離、巡邏區間距、艦載機定常平飛距離、巡邏飛行航線類型與飛行協同方式對艦載機空中巡邏效果的影響；最終給出超視距協同空戰條件下，艦載機空中巡邏的組織方法。

超視距空戰；空中巡邏；蒙特卡洛

通常殲擊機的對空作戰活動主要有空中待戰、空中巡邏和空中阻擊3種。其中，空中巡邏是指殲擊機在指定空域和規定時間內，以一定規模的兵力進行的警戒飛行，其目的是監視空中情況，及早發現空中目標。對于航母艦載機來說，由于受載艦數量和起降空間的影響，其空中巡邏行動還應當強化2個作用，一是作為編隊預警系統的組成部分，實施空中警戒性巡邏，增加預警時間，及時準確掌握敵情，發現敵情后，迅速判明情況，及時報告指揮所；二是作為空中主要待戰兵力，出現敵情后根據具體任務要求，迅速投入戰斗［1］。可見，艦載機的空中巡邏實際應綜合具備陸基殲擊機空中待戰、空中巡邏和空中阻擊三種樣式的作戰功能，需要在組織實施方法上進行更加科學、精確的分析與籌劃。

隨著機載探測設備作用距離的增大及空空導彈射程的增長，超視距空戰（BVR）已成為艦載機空戰的主要作戰方式［2］。傳統視距內空戰（WVR）通常包括搜索、接敵、占位攻擊和退出戰斗4個階段［3］，而超視距空戰的搜索、接敵和占位攻擊3個階段可在一條直線上完成［4］，搜索的過程就是在接敵，接敵也是在搜索中實現，使用空空導彈迎頭攻擊方式時，艦載殲擊機無需大動作的機動占位，只要在發現目標后的接敵過程中，做好武器發射的最后準備，接近到導彈最大有效發射距離，實施攻擊即可［5］。可見，超視距空戰將以搜索和攻擊為主，其過程特點是“發現—攻擊”［6］，先敵發現并先敵攻擊的一方將在空戰中占有絕對優勢。

因此，可將“先敵發現概率”作為評估超視距空戰條件下艦載機空中巡邏效果的主要指標［7］。采用蒙特卡洛仿真法，通過建立艦載機空中巡邏的戰術行為仿真模型，模擬艦載機在空中巡邏活動中搜索、發現目標的全過程，并利用計算機進行大量的模擬統計，分析各種情況下艦載機空中巡邏的先敵發現概率，進而總結得出超視距空戰條件下艦載機空中巡邏的具體組織實施方法。

1　艦載機空中巡邏模型

由于本模型主要研究艦載機空中巡邏的戰術行為，關注的是艦載機質心在空間的位置變化，因而只需根據運動學方程建立艦載機運動模型即可，無需考慮動力學方程及氣動力計算等［8］。同樣，對于艦載機機載雷達系統的仿真，只需對雷達搜索發現目標的戰術行為進行模擬，無需模擬雷達系統搜索、跟蹤目標的工作機理。依此原則建立艦載機的巡邏活動模型、目標入侵活動模型和機載雷達搜索模型［9］。

1.1艦載機巡邏活動模型

艦載機在巡邏空域內的飛行航線主要有3種：雙180°轉彎平行航線（簡稱平行航線）、三角航線和“8”字航線［10-11］。無論何種類型的飛行軌跡都由定常直線平飛和正常盤旋2種軌跡構成［12］。以（0，0）點為坐標原點，x軸為橫軸，y軸為縱軸，建立飛機巡邏的直角坐標系，艦載機巡邏活動模型如下。

1）定常直線平飛模型：

式（1）中：xf、yf為艦載機在巡邏坐標系中的坐標；vf為艦載機巡邏時的飛行速度；θf為艦載機飛行航跡相對于坐標橫軸的偏角。

2）正常盤旋模型

式（2）中：ω為艦載機盤旋時的角速度；R為艦載機盤旋時的回旋半徑；xf0、yf0為艦載機由平飛轉入盤旋時在巡邏坐標系中的坐標；θf0為艦載機由平飛轉入盤旋時，飛行航跡相對于坐標橫軸的偏角。

3）轉彎與直飛轉換模型：

式（3）中：t為直飛時間；θf1為艦載機轉彎時的盤旋角。

1.2目標入侵活動模型

設定來襲目標與巡邏艦載機始終處于空中同一高度，目標初始位置為巡邏區正面警戒寬度范圍內的隨機點。在目標被發現，或目標機發現巡邏艦載機之前，目標作勻速直線運動，飛行軌跡為：

式（4）中：xm、ym為目標在巡邏坐標系中的坐標；vm為目標的飛行速度；θm為目標飛行航跡相對于坐標橫軸的偏角，向編隊直飛時，θm=180°。

1.3機載雷達搜索模型

雷達工作時，天線須在方位和俯仰的一定范圍內作二維掃描，以滿足雷達搜索、探測目標的需要［13-14］。以艦載機當前位置作為極點，以艦載機雷達的搜索扇面的中軸線作為極軸，建立機載雷達搜索極坐標系。空間內某點到極點的距離用r表示，該點和極點的連線與極軸之間的夾角為θ，θ從極軸出發以逆時針方向為正。雷達波束移動模型為：

式（5）中：φ為雷達天線波束軸移動的角速度；?為雷達天線波束軸在搜索坐標系內的角度值；A為雷達天線波束搜索的角度范圍（大區±60°、中區±30°、小區±10°）［15］；B為雷達天線波束的角度（默認4°）。

只要目標處于艦載機機載雷達搜索波束角之內，則視目標被發現［16］，雷達發現目標模型為：

式（6）中：D為目標與艦載機的距離；α為目標相對于艦載機的方位角，其它符號含義同上。

2　模型的驗證與應用

根據艦載機超視距空戰的特點，約定“先敵發現=先敵發射”，只要巡邏艦載機發現目標或被目標機發現，則停止當次仿真。在N次仿真中，巡邏艦載機發現目標的次數為Nfind；目標機發現巡邏艦載機的次數為Nfound；巡邏艦載機與目標機在相向運動中同時發現對方的次數為Nff。如果敵我雙方相互處于迎頭攻擊態勢時的生存概率均為0.5，則巡邏艦載機的先敵發現概率為：

同樣，可得目標機發現巡邏艦載機的概率為：

為驗證模型的有效性、以及超視距空戰條件下空中巡邏的優勢，設置1種視距內空戰態勢與2種超視距空戰態勢進行模擬。

態勢一：如圖1所示，按照傳統視距內空戰條件下空中巡邏的組織要求，巡邏區的長邊垂直于目標來襲方向。設置3個巡邏區，每個巡邏區內艦載機的平飛距離為Dp=40km，艦載機的旋回半徑R=10km，飛行員目視距離 Rv=15km，則巡邏警戒寬度為Dw=5×Rv+3×Dp。

圖1　傳統視距內空戰條件下的巡邏區Fig.1 Traditional patrol area of WVR

態勢二：在超視距空戰條件下，巡邏區的長邊垂直于目標來襲方向。機載雷達最遠發現距離Rr=80km，其它設置同態勢一。

態勢三：在超視距空戰條件下，巡邏區的長邊方向與目標來襲方向相同。其它設置同態勢二。則巡邏警戒寬度為：Dw=5×R+3×Rr，如圖2所示。

3種態勢下的仿真結果如表1所示。

[6]For all is not well in Xinjiang,traditional home to the Muslim Uighur people,where discontent with China’s iron rule runs high and a new terrorist threat has emerged in recent months,apparently inspired by a dangerous blend of separatism and radical Islam.

圖2　超視距空戰條件下的巡邏區Fig.2 Patrol area of BVR

表1　超視距空戰與視距內空戰條件下空中巡邏的仿真比較Tab.1 Aerial patrol simulation comparison between WVR and BVR

通過對仿真結果進行分析，可以得到結論：①在視距內空戰條件下的空中巡邏中，艦載機對目標的發現概率為0.6，與相關權威文獻給出的0.5～0.8值基本一致，說明本模型有效，可用于相關的研究；②超視距空戰條件下空中巡邏的警戒寬度大于視距內空戰條件下空中巡邏的警戒寬度；③超視距空戰中，態勢二對目標的先敵發現概率（0.5）遠小于態勢三（0.75），可見，在超視距空戰中，為得到較高的先敵發現概率，需將巡邏區順目標來襲方向設置。

3　艦載機空中巡邏分析

艦載機及機載雷達的性能、巡邏區的參數設置均會對艦載機的先敵發現概率造成影響。下面分別以平行航線和三角航線為研究對象，仿真分析各種參變量對巡邏效果的影響。

設定巡邏艦載機的巡邏飛行速度：vf=1 200km/h，艦載機的旋回半徑：R=10km。機載雷達搜索扇面：A=60°，最遠發現距離：Rr=80km。飛行員的目視距離：Rv=10km，視野角為±94°。

1）雷達最遠發現距離。設定目標機載雷達最遠發現距離為80km，艦載機機載雷達最遠發現距離范圍為40～100km，對不同雷達最遠發現距離下的艦載機先敵發現概率進行仿真計算，結果如圖3、4所示。圖中橫坐標為艦載機雷達最遠發現距離，單位為km；縱坐標為艦載機先敵發現概率。由圖可見，不管是平行航線還是三角航線，機載雷達最遠發現距離較大的一方其先敵發現概率明顯高于對方。即便是雷達最遠發現距離上的微弱優勢，也會帶來先敵發現概率的顯著變化。說明在超視距空戰中，機載雷達性能及空戰信息優勢對空戰效能的影響非常顯著。

圖3　平行航線巡邏效果—雷達最遠發現距離Fig.3 Parallel route patrol effect-radar farthest distance

圖4　三角航線巡邏效果—雷達最遠發現距離Fig.4 Triangle route patrol effect-radar farthest distance

2）巡邏區間距。設艦載機機載雷達的搜索半寬為 d=Rr×sinA/2，各巡邏區的間距設置范圍為0.5d～6.5d，對不同間距下的艦載機先敵發現概率進行仿真計算，結果如圖5、6所示。圖中橫坐標是機載雷達搜索半寬的倍數，用來表示巡邏區間距；縱坐標為艦載機先敵發現概率。

圖5　平行航線巡邏效果—巡邏區間距Fig.5 Parallel route patrol effect-distance of patrol area

圖6　三角航線巡邏效果—巡邏區間距Fig.6 Triangle route patrol effect-distance of patrol area

由圖可見，巡邏區間距的調整對交戰雙方相互之間先敵發現概率的影響程度是一致的，即如果增大巡邏區間距，空戰雙方對對方的先敵發現概率變小。當巡邏區間距繼續增大，目標機和艦載機互為不被發現的概率增大，造成目標的“漏防”。巡邏區間距為0.8倍的雷達搜索半寬時，艦載機對目標的先敵發現概率大、而目標對艦載機的先敵發現概率小且漏防概率小。

3）艦載機定常平飛距離。設定艦載機在巡邏區內的定常平飛距離范圍為40～140km（2～7min的平飛距離）［17］，對不同定常平飛距離下的艦載機先敵發現概率進行仿真計算，結果如圖7、8所示。圖中橫坐標為艦載機定常平飛距離，單位為km；縱坐標為艦載機先敵發現概率。

圖7　平行航線巡邏效果—定常平飛距離Fig.7 Parallel route patrol effect-constant flight distance

圖8　三角航線巡邏效果—定常平飛距離Fig.8 Triangle route patrol effect-constant flight distance

由圖可見，艦載機在巡邏區內定常平飛距離為80km（4min的平飛距離）左右時，對目標的先敵發現概率大、而目標對艦載機的先敵發現概率小且漏防概率小。

4）巡邏飛行航線類型與飛行協同方式。空中巡邏過程中，不同巡邏區內的艦載機可采用飛行航線協同的方式，對飛行航跡進行協同規劃，以保證在任何時刻至少有1架戰斗機機首朝向目標來襲方向［18］。如圖9所示，以三角航線為例，采用飛行航線協同時，艦載機的飛行航線分解為3段，分別用數字符號①、②或③表示，若不同巡邏區內航線段的數字符號相同，則表示它們在相同時間內執行，箭頭表示艦載機飛行方向。

不同航線類型和不同飛行協同方式下的巡邏效果仿真結果見表2。

圖9　三角航線的飛行協同規劃Fig.9 Flight collaborative planning of triangle route patrol

表2　各種航線警戒寬度與先敵發現概率Tab.2 First discovery probability of various routes alert width

仿真分析可見，對巡邏區內的飛行航線進行協同規劃，可以顯著提高巡邏艦載機對目標的發現概率。其中，平行航線改為順目標來襲方向設置，由于機載雷達可直接對準目標的幾率增大，因此其對目標的先敵發現概率也相對較高，其次是“8”字航線，相對較差的是三角航線。但是，“8”字航線和三角航線在目標來襲方向所形成的警戒寬度較大，而且三角航線對除正面方向的其他方向來襲目標仍具有較高發現概率。

4　結論

對仿真結果進行分析總結，可以得到超視距協同空戰條件下，艦載機空中巡邏的組織方法。

1）采用平行航線或“8”字航線時，巡邏空域的長邊順敵來襲方向設置，擔任空中巡邏的艦載機沿長邊飛行；

2）艦載機數量充足或威脅扇面較大時，空中巡邏盡量采用平行航線，以保證對正面來襲目標具有較高的先敵發現概率；艦載機數量較少或威脅扇面較小時，可采用三角航線，以保證在敵來襲方向正面形成足夠的警戒寬度；

3）不同巡邏區之間應執行飛行航線協同，巡邏艦載機嚴格按照預先設置的巡邏路線和時間飛行，保證隨時都有一定數量的艦載機面向敵威脅方向飛行；

4）若條件允許應盡可能增大機載雷達的探測距離；

5）巡邏區之間的間距不低于0.8倍的雷達搜索半寬（這個距離是傳統設置距離的2倍左右）；

6）艦載機在巡邏區內的定常平飛距離為80km（4min的平飛距離）。

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Research on Aerial Patrol about Carrier Aircraft under Circumstances of Beyond Visual Range Air Battle

SUN Weidong1，WANG Bo1，2
（1.Dalian Naval Academy；2.The 92819thUnit of PLA，Dalian Liaoning 116018，China）

In terms of the characteristic of aerial patrol about carrier aircraft under circumstances of beyond visual range air battle，the model of aerial patrol about carrier aircraft was established.Monte Carlo method was used to simulate the statistics on the effect of patrol.All sort of factors on the effect of air patrol about aircraft carrier was analyzed，which included radar farthest distance，distance of patrol area，constant flight distance，patrol flight route type and cooperative mode of flight.And then the organization method of the air patrol of the carrier aircraft was given，under circumstances of beyond visual range cooperative air combat.

beyond visual range air combat；aerial patrol；Monte Carlo method

E926.392

A

1673-1522（2016）05-0589-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.016

2016-07-23；

2016-09-12

中國博士后科學基金資助項目（2014M562557）

孫衛東（1977-），男，助理研究員，博士。