反潛巡邏機與無人艇應召反潛中協同聲納搜潛研究

潘 磊，潘宣宏

（海軍指揮學院，南京 210016）

0 引言

如何能夠實現對水下目標的有效探測是研究反潛作戰的核心內容。而隨著主動降噪、無人潛航器、AIP 推進、水下網絡等新技術、新裝備的應用，水下作戰平臺隱蔽性不斷提升，以往單平臺、單聲納、以被動探測為主的水下搜潛方式越來越難以應對。近年來，隨著人工智能、高性能傳感器與寬帶數據鏈等技術的進步，新型無人艇逐步體現出優異的反潛作戰能力，未來將在反潛作戰中發揮重要作用。利用反潛巡邏機與無人艇的作戰能力互補性，開展兩者的協同反潛作戰行動可以顯著提高反潛作戰效能。因此，針對反潛巡邏機與無人艇協同聲納搜潛，對其運用過程、實施方式與平臺航路規劃進行預先研究，對提高反潛作戰能力具有前瞻性與現實意義。本文針對應召反潛作戰中的行動特點，提出反潛巡邏機與無人艇協同使用聲納設備，實現多基地聲納搜潛的方法，并對其中涉及到的重要參數間關系、應用實例進行了分析。

1 反潛巡邏機與無人艇協同聲納搜潛可行性分析

1.1 反潛巡邏機與無人艇的聲納搜潛能力互補性分析

對反潛巡邏機與無人艇的反潛能力互補性進行分析，首先要對兩者的聲納裝備特性與平臺特性進行對比，再找出此弱彼長之處，通過戰術設計使兩者能力互補，發揮協同交戰的優勢。

與協同聲納搜潛相關的反潛巡邏機與無人艇特性對比主要涉及以下幾個方面：平臺續航能力，平臺機動能力，聲納持續工作時間，聲納探測能力，受威脅性。平臺續航能力方面，反潛巡邏機的續航時間較長，普遍能夠達到8 h 以上；無人艇最長能夠在海上連續部署90 d，有極長的續航時間［1］。平臺機動能力方面，反潛巡邏機的巡航速度在400 km/h以上，能夠迅速到達作戰區域；無人艇雖然區域機動性不足，但可以保持拖曳聲納使用所需的較低航速。聲納持續工作時間方面，機載被動聲納浮標能夠持續工作6 h～8 h，主動聲納浮標僅能工作2 h～3 h，且機載聲納浮標為消耗品攜帶數量有限；無人艇搭載的雙波段聲納能夠持續工作較長時間，基本只受到裝備連續工作時限的限制。聲納性能方面，機載被動聲納的探測距離最大為10 km 左右，但能夠通過合理布設來彌補探測距離的不足；無人艇載拖曳聲納有效探測距離在30 km 左右［2］。

從反潛巡邏機與無人艇的特性對比來看，反潛巡邏機使用靈活，區域覆蓋范圍廣，但持續作戰能力與單元水聲探測能力較弱，無人艇可以保持前沿長期存在，與高性能聲納裝備相結合能夠發揮極強的跟蹤能力，但其區域快速覆蓋能力不足，應對突發情況不夠靈活。反潛巡邏機與無人艇在平臺特性與聲納裝備特性上有較強的互補性，具備實施協同作戰的理論依據與基礎。

1.2 反潛巡邏機與無人艇的協同能力分析

反潛巡邏機裝備了多種探測設備，能夠對較大范圍的海區與中低空區域進行態勢感知與偵察監視；新型反潛巡邏機平臺除了傳統的短波/超短波、戰術數據鏈、衛通等通信手段外，還加裝了寬帶數據鏈，能夠直接參與無人作戰平臺的數據讀取與控制引導。這使得反潛巡邏機可以通過數據鏈通信、實時監控等手段全面掌握無人艇的運行情況，便于實施有效協同。新式中型反潛無人艇智能化水平較高，不需要人在回路全程控制，可以節省寶貴的通信帶寬資源分配給目標與協同信息的傳輸；出于海上長時間部署的需要，中型反潛無人艇裝備了較為齊全的通信設備，能夠通過多種手段保障上下行通信的暢通。

在信息化條件下，反潛巡邏機與無人艇都將被融入到海上作戰體系中，未來在實現了整個體系內互聯互通、態勢共享的基礎上，反潛巡邏機與無人艇的協同搜潛行動將成為整個協同交戰的一部分，得到整個作戰體系的支持。

1.3 雙基地聲納基本原理與實現條件

反潛巡邏機與無人艇協同實施聲納搜潛行動的基礎是構建有效的雙基地聲納系統，實現擴展區域的水下探測。雙基地聲納通過聲納信號雙基地收發分置，獲得相較于收發合置的單聲納系統更遠的探測距離；而且聲納信號的收發分置也便于聲納信號數據的接收與分析。一般的雙基地聲納配置如圖1 所示［3］：T/R 為聲源，向水中發射聲波；R 為被動聲納浮標，為了充分發揮雙基地聲納的性能，采用定向被動聲納浮標，通過單組雙基地聲納系統就可獲得目標位置信息。S 為可疑水下目標；D 為主動輻射源與接收基地連成的基線長度；RT、RR分別為聲源、接收基地與目標間的距離。通過聲源與接收設備時間同步后，信號延時之和R∑是可以通過測量收發時延得到的。相應的在二維雙基地平面內，具有相同R∑的目標軌跡集合構成等時到達橢圓。結合定向被動聲納測得的目標反射聲波的方向，可以解算出可疑目標的位置信息。

圖1 雙基地聲納基本原理圖

根據文獻［4］的論述，雙基地聲納的有效探測區域為卡西尼卵形。當主動聲源與接收聲納間的距離過遠時，雙基地聲納探測區域不連續。同時，設置適當的聲納位置距離，能夠增強有效探測區域內的聲學信號強度，增大對潛艇的發現概率。在確定了雙基地聲納等效工作半徑（即收發分置的聲納系統等效為收發合置的單基地聲納的工作半徑）后，收/發基地間的距離小于等效工作半徑的兩倍就可以獲得連續的探測區域［4］。

雙基地聲納等效探測距離是設置雙/多基地聲納系統的基礎參數。等效探測距離是通過基于能量的雙基地聲納方程與球面波衰減關系推導得出的。基于能量的雙基地聲納方程可表示為［5］：

其中，SL 為聲源級，TLT為聲波從聲源到目標處的傳播損失，TS 為目標的聲波反射強度，NL 為環境噪聲損失，DI 為接收指向性，DT 為監測閾值，TLR為聲波從目標到接收端的傳播。按球面波衰減計算并忽略吸收衰減，則有如下數學關系：

2 反潛巡邏機與無人艇應召反潛中協同聲納搜潛過程

反潛巡邏機與無人艇協同聲納搜潛，首先通過被動探測，預測敵方水下目標的機動方式，逐步接近敵方水下目標；再通過突然發起的協同主動聲納探測，增大對敵方潛艇的發現效率，使敵水下目標難以脫離主動聲納探測的不可逃逸區，迅速完成對敵水下目標的精確定位與瞄準，為發起攻潛行動作好準備。協同聲納搜索的流程如圖2 所示，作戰單元交互關系如圖3 所示。行動要點是充分發揮空中平臺機動能力強的特點：在無人艇的引導下，反潛巡邏機迅速接近敵水下目標后布設被動聲納浮標，無人艇主動聲納與被動聲納浮標組成探測范圍覆蓋目標散布區域的多基地聲納系統，恢復與目標信號接觸并進行精確定位。

圖2 應召反潛中艇-機協同聲納搜潛流程

圖3 應召反潛中艇-機協同聲納搜潛作戰單元交互關系

3 反潛巡邏機與無人艇應召反潛中協同聲納搜潛方式

3.1 目標散布區域分析

由于具有超長的續航能力與持續水下監視能力，無人艇在反潛作戰中會被長期部署在前沿，處于水下潛航機動狀態的敵方水下目標被無人艇首先發現的可能性較大。當無人艇通過被動聲納發現敵方潛艇時，實際上自身也處于可被敵方潛艇發現的位置。目標在意識到被發現后必定采取減速緩行、下潛、改變航行等措施力圖脫離與我方無人艇的信號接觸。在水面艇初次發現目標并脫離信號接觸到反潛巡邏機布設主動聲納再次探測到目標的時間間隔內，目標位置點會散布在一定區域內。

目標的散布范圍與兩個方面有關：一是初次發現目標傳感器的定位誤差；二是由于目標機動造成的目標位置點散布。本文考慮目標在脫離信號接觸后航速未知、航向任意且均勻分布時的情況。設初次發現目標位置為P敵潛初（x0，y0），初次發現目標傳感器定位誤差為σ0，V潛se為目標平均隱蔽巡航速度，t 為初始發現時刻到聲納系統開始工作時刻間的時間間隔。目標最大散布區域為一個以P敵潛初（x0，y0）為圓心、rz=σ0+V潛set 半徑的圓形區域［6］。

3.2 多基地聲納系統的構建

通過協同聲納搜潛重新實現與目標的信號接觸，要使多基地聲納探測區域將目標散布區域覆蓋。要確定主動聲納浮標的布設，首先要根據聲納系統參數與探測條件確定雙基地聲納系統的等效聲納探測距離，再根據多基地聲納系統連續有效探測距離，以及隨時間變化的目標散布區域來最后確定被動聲納浮標位置，使多基地聲納系統無盲區探測區域有效覆蓋目標散布區域［7］。

整個聲納浮標布設籌劃如圖4 所示：初始發現目標位置為P敵潛初（x0，y0）；反潛巡邏機初始位置為P機初（x'0，y'0）；無人艇初始位置為P艇初（x0，0）；T 為總耗時，反潛巡邏機機動耗時t飛行，浮標布設耗時t布設（T=t飛行+t布設）；在聲納浮標開始工作時刻無人艇的坐標為P艇（x0，y''）；反潛巡邏機將被動浮標布設在目標散布區域中軸線兩側，圖中所示為布設5 部聲納浮標的情況；D 為被動聲納浮標與無人艇的距離。圖中連續虛直線所圍成的卡西尼卵形線為每組雙基地聲納系統的有效探測區域，它們之間的交點與無人艇之間的距離R1為多基地聲納系統無盲區搜索區域半徑。如圖4 中所示，被動聲納浮標與無人艇組成的以R1為半徑、張角為θ總的扇形無盲區探測區域覆蓋了目標散布區域。

圖4 聲納浮標布設籌劃圖

3.2.1 無盲區探測區域相關參數計算

如果要使得多基地聲納系統的無盲區探測區域覆蓋目標散布區域，無論θ總如何小、至少要作到圖4 中所示的扇形區域兩側邊界與目標圓形散布區域相切。可獲得幾何關系：θ總/2=arcsin［rz/（y0-y''）］，y''=V潛seT，整理得：

下面計算需要布設的被動聲納浮標數量，如圖5所示。設相鄰被動聲納與無人艇連線的夾角為θ，根據文獻［8］的論述，θ、R1與D 存在如下幾何關系［8］：

圖5 被動聲納與無人艇連線夾角示意圖

根據聲納浮標的布設數量N 與θmax求解過程，關于N 的計算中涉及到向上取整的過程，那么布設聲納浮標后實際獲得的無盲區探測區域張角θ總實際=Nθmax一般大于θ總。在下面的討論中，θ總實際將被作為最終結果計入多基地聲納系統參數中，θ總則作為中間變量在涉及臨界狀態與參數上限中運用。

3.3.2 被動聲納浮標布設位置坐標計算

在確定了多基地聲納無盲區探測區域主要參數后，可以求出每個被動聲納浮標的位置坐標。下頁圖6 所示為聲納浮標布設位置與無人艇監聽位置的幾何關系：φ1、φ2、… φN為浮標1、浮標2、…浮標N 分別與無人艇位置的連線與水平軸的夾角（圖中所示為布設5 部聲納浮標的情況）。根據求得的θmax與所需浮標總數N，可得到以下幾何關系并求出聲納浮標布設位置坐標：

圖6 聲納浮標與無人艇相對位置

3.2.3 協同搜潛行動耗時計算

下面討論反潛巡邏機機動與布設聲納浮標中耗時的計算方法。討論反潛巡邏機行動總耗時T 的上限。隨著T 的不斷延長，目標散布區域將持續擴展，當其成為多基地聲納無盲區探測區域的內切圓時可視為臨界狀態，此時存在如下幾何關系：

如果T 繼續延長，無盲區探測區域將無法實現對目標散布區域的覆蓋。設該臨界狀態情況下總耗時存在最大值為T最大，由式（4）與式（6）聯立可得：

由此可見，當初始條件確定、裝備性能已知的情況下，T最大與無盲區探測半徑R1具有確定的數學關系。

接著再計算布設聲納浮標耗時t布設。易得t布設=S布設/V機布設（V機布設為反潛巡邏機布設聲納浮標平均速度，為已知）。出于計算方便，將反潛巡邏機布設聲納浮標路徑設置為圓弧形，可得：

最后，在求得T最大與t布設后，可獲得反潛巡邏機向聲納布設位置機動的耗時上限t機動動最，進而可以求得反潛巡邏機距離聲納布設區域的最大距離S機動動最。設最大巡航速度為V機巡高，則具體計算公式如下：

獲得S機動動最的值有助于在部署反潛巡邏機時預設其初始位置。

3.3 協同聲納搜潛航路

3.3.1 無人艇航路

在對特定目標的協同聲納探測行動中，無人艇的航路主要分為兩個部分：1）向目標初始位置機動；2）作為主動聲納信號源的相關作業。

在初次發現目標并失去信號接觸后，無人艇向目標初始位置機動，拉近與目標的距離，提高預設探測區域的主動聲納信號強度。對被動聲納系統而言，目標處的信號強度是決定探測效果的主要因素。單平臺被動聲納系統主要依靠目標自身輻射的聲信號，其強度級別顯然遠低于距離相近的主動聲納信號在目標位置形成的信號強度級別，這使得雙/多基地聲納的有效探測距離在傳感器性能相近時要遠大于單平臺被動聲納系統。從式（7）可以看出，無人艇在依靠被動聲納初次發現目標后，以低于目標平均航速并按預定方向機動，多基地聲納系統的探測區域完全能夠覆蓋目標的散布區域。

在反潛巡邏機布設的被動聲源浮標開始工作時，無人艇開啟主動聲納。為了保持整個多基地聲納系統的穩定性，探測實施過程中無人艇以低速在預設戰位進行小半徑圓形機動，在保持行動機械部分熱機狀態的同時盡量降低無人艇噪聲對探測的不利影響。

3.3.2 反潛巡邏機航路

反潛巡邏機的航路可以分為3 個部分：1）向預定布設聲源浮標的區域高速機動；2）到達布設區域后降低飛行高度與速度，進行浮標布設作業；3）布設浮標完畢后進行爬升，在中高空監聽聲納浮標、監控無人艇的工作狀態。

反潛巡邏機從初始部署位置向預定布設聲納浮標區域機動時，要保持最大巡航速度，盡量壓縮此階段的耗時。在多基地聲納無盲區探測距離、雙基地聲納有效探測最大覆蓋角與艇-浮標距離已相繼確定的情況下，反潛巡邏機布設聲納浮標的路徑也基本確定。布設聲納浮標時反潛巡邏機要在低空保持低速穩定的飛行狀態，無法通過增加速度的辦法進一步壓縮布設聲納耗時。因此，只有通過壓縮高速機動階段的耗時來減小總耗時，這樣就能夠在目標散布區域過于擴大前構建起多基地聲納系統。同時，總耗時的降低也能夠為持續探測目標留有余量，通過時間積累能夠增大探測到目標的概率。在高速機動過程中，反潛巡邏機應當及時更新戰場態勢，監控無人艇工作狀態，進行被動聲納浮標投放前準備。

反潛巡邏機在接近首個聲納浮標投放點時，要降低飛行高度與速度、調整飛行姿態與航向，在預設地點依次投下被動聲納浮標。接著，反潛巡邏機增大速度、爬升到中空，進入聲納監聽航路、開啟被動聲納浮標。由于聲納浮標陣型基本按扇形分布，反潛巡邏機在聲納浮標陣上空巡航，保持對每個聲納浮標的全時監聽即可。

4 實例分析

假設無人艇載聲納發射聲源級SL=220 dB［9］；淺海環境下1.5 kHz 頻率下環境噪聲譜級NL=67 dB；被動聲納浮標采用擴展陣聲納浮標，其接收指向性DI=14 dB，接收信號監測閾值DT=6 dB；目標聲波反射強度TS=10 dB。無人艇初次發現目標坐標為P敵潛初（x0，y0）=（30 km，25 km），平均低噪聲機動速度V潛se=9 km/h；反潛巡邏機初始位置為P機初（x'0，y'0）=（30 km，-50 km），最大巡航速度為V機巡高=550 km/h，最低巡航速度V機巡低=320 km/h；無人艇初始位置為P艇初（x0，0）=（30 km，0），平均速度V艇se=2 km/h，艇載被動聲納測距誤差σ0=100 m。

首先，求取雙基地聲納系統的主要參數。根據式（3），可求得當前的雙基地聲納系統的等效探測距離R=18.8 km。為了保持雙基地聲納探測區域的連續完整，取無人艇與被動聲納浮標之間的距離D=1.9R=35.7 km。根據式（5）的推導過程，可以得到為使單組雙基地聲納探測角度最大時的多基地聲納無盲區探測半徑R1=1.94R=36.5 km，單組雙基地聲納最大探測角度θmax=31°，需要布設被動聲納浮標的數量N=4，無盲區探測角度為θ總=124°。根據式（7），可求得總耗時上限T最大=1.2 h，進而可以求得目標最大散布區域半徑rz=10.9 km。根據式（10），浮標布設位置坐標為：P浮標1=（4.10 km，26.97 km），P浮標2=（20.46 km，36.80 km），P浮標3=（39.54 km，36.80 km），P浮標4=（55.89 km，26.97 km）。

根據式（8），可求得浮標布設路徑長度S布設=57.95 km，布設時間t布設=0.18 h。根據式（9），可求得反潛巡邏機向聲納布設位置機動的耗時上限t機動動最≈1 h，則允許的反潛巡邏機初始位置與浮標投放點距離上限為500 km 左右；以本實例中設定的反潛巡邏機初始位置P機初到達第1 個浮標布設位置P浮標1的航程為81 km，完全能夠及時按照要求布設聲納浮標。

5 結論

本文介紹了應召搜潛時反潛巡邏機與無人艇協同運用過程，在此基礎上提出了無人艇與被動聲納浮標組成多基地聲納系統的設想，分析了相關的陣型設置、參數計算與聲納布設時限等問題，為今后研究反潛巡邏機與無人艇協同反潛作戰打下了一定基礎。反潛巡邏機與無人艇協同應召搜潛只是兩者協同反潛作戰的一部分，在檢查和巡邏反潛中對于協同方式、多基地聲納系統部署等問題上會存在明顯不同，這將是今后的研究方向。