潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)方法研究*

紀(jì)金耀 薛 濤 樓曉平

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

1 引言

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)航空探潛的建模與仿真開展了大量的研究工作,取得了一定的成果[1～2]。聲納浮標(biāo)是反潛飛機(jī)和部分反潛直升機(jī)搜索、探測(cè)和跟蹤水下潛艇的主要器材。從工作方式上可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類[3]。由于被動(dòng)聲納浮標(biāo)屬于隱蔽性對(duì)潛觀察器材,通常情況下,處于水下的潛艇無(wú)法感知其對(duì)潛搜索、探測(cè)及跟蹤的征候,因而對(duì)被動(dòng)浮標(biāo)搜索往往無(wú)從進(jìn)行規(guī)避或?qū)?。而主?dòng)聲納浮標(biāo)屬于暴露性探測(cè)器材,易被潛艇所感知。機(jī)載監(jiān)視設(shè)備通過無(wú)線電超高頻指令控制浮標(biāo),并接收主動(dòng)聲納浮標(biāo)對(duì)水下目標(biāo)主動(dòng)測(cè)距、測(cè)向及多普勒信息[4]。主動(dòng)聲納浮標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇的精確定位,直接為對(duì)潛攻擊提供確定的位置信息,因而對(duì)潛艇的威脅常常是致命的[5]。所以,分析研究潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避主動(dòng)聲納浮標(biāo)方法,對(duì)于提高潛艇在作戰(zhàn)中的生存能力具有重要意義。

根據(jù)不同的海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、兵力態(tài)勢(shì)、浮標(biāo)數(shù)量的多少和浮標(biāo)陣布設(shè)時(shí)機(jī)等因素可以布設(shè)不同的陣形,所以,主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)的布陣方式可以是多種多樣的。在此,我們僅針對(duì)常用的三枚和四枚主動(dòng)浮標(biāo)陣形為例,分析潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避的方法。

2 主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)對(duì)潛跟蹤定位方法

反潛飛機(jī)在應(yīng)召搜索潛艇或發(fā)現(xiàn)潛艇之后以及使用武器之前,往往采用主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)對(duì)潛艇實(shí)施跟蹤和定位。主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)既能測(cè)定浮標(biāo)與潛艇之間的距離,又能測(cè)出方位。因此,使用主動(dòng)定向浮標(biāo)跟蹤潛艇時(shí),只需要一枚浮標(biāo)保持與潛艇接觸就能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。為了達(dá)成對(duì)潛攻擊的要求,通常情況下需要使用三枚或四枚主動(dòng)定向聲納浮標(biāo),根據(jù)潛艇可能散布區(qū)域的大小布設(shè)成一定的陣形,以便控制一定的區(qū)域范圍并實(shí)現(xiàn)定位。

2.1 三枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的布設(shè)陣形與布設(shè)方法

布設(shè)陣形與時(shí)機(jī)有很大的關(guān)系,布設(shè)三枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)的時(shí)機(jī)主要有:1)針對(duì)小區(qū)域?qū)嵤┎荚O(shè)。由于主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)作用距離往往較小,并且在最后攻擊階段要求定位誤差盡可能小,所以,主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)往往專用于小區(qū)域?qū)摱ㄎ桓櫋?)延遲時(shí)間在5min以內(nèi)。當(dāng)反潛飛機(jī)通過雷達(dá)或目視得到的潛艇概位(基準(zhǔn)點(diǎn)),同時(shí)潛艇通過雷達(dá)偵察儀或潛望鏡發(fā)現(xiàn)反潛飛機(jī)后立即下潛規(guī)避,為了能夠在較小區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)水下潛艇,延遲時(shí)間往往要求比較短,因此通常情況要求延遲時(shí)間在5min以內(nèi)。

具體布設(shè)時(shí),以潛艇概位(基準(zhǔn)點(diǎn))為中心、2000碼(1829m)或當(dāng)日主動(dòng)聲納浮標(biāo)偵測(cè)距離為半徑的圓周上,成等邊三角形的態(tài)勢(shì)布設(shè)3枚浮標(biāo),構(gòu)成一個(gè)聲納浮標(biāo)圓形陣,如圖1所示。布設(shè)時(shí),首先在潛艇的概略航向上布設(shè)一枚浮標(biāo),然后依次布設(shè)其他兩枚浮標(biāo),最后飛到潛艇概位點(diǎn)或疑似潛艇位置區(qū)上空進(jìn)行監(jiān)聽。

2.2 四枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的布設(shè)陣形與布設(shè)方法

四枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)布設(shè)的一般適用時(shí)機(jī)為:1)當(dāng)使用布設(shè)三枚浮標(biāo)時(shí)的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣無(wú)法有效定位潛艇時(shí)。2)通過雷達(dá)或目視得到的潛艇概位(基準(zhǔn)點(diǎn))或者當(dāng)反潛飛機(jī)進(jìn)行應(yīng)召搜索時(shí),反潛飛機(jī)抵達(dá)基準(zhǔn)點(diǎn)上空的遲到時(shí)間在10min以內(nèi)。

具體布陣為:在以潛艇概位(基準(zhǔn)點(diǎn))為中心、4000碼(3658m)為半徑的圓周上,每間隔90°布設(shè)l枚主動(dòng)聲納浮標(biāo),構(gòu)成聲納浮標(biāo)圓形陣。該陣形要求單枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)的當(dāng)日偵測(cè)距離大于2000碼(1829m),以使各浮標(biāo)的搜索區(qū)域有一定程度的重疊。如圖2所示。具體布設(shè)過程類似于三枚聲納浮標(biāo)陣的布設(shè)。

3 潛艇規(guī)避主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的仿真計(jì)算

為了更好地分析研究潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的探測(cè)跟蹤,我們借助于Window s平臺(tái),采用編程工具Visual C++6.0,對(duì)主動(dòng)聲納浮標(biāo)的探測(cè)區(qū)域進(jìn)行模擬仿真。通過模擬仿真,計(jì)算出潛艇規(guī)避聲納浮標(biāo)陣探測(cè)的速度和時(shí)間,進(jìn)而得出潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避聲納浮標(biāo)陣跟蹤的一般方法。

3.1 仿真軟件的運(yùn)行界面

仿真軟件運(yùn)行界面如圖3所示。

潛艇規(guī)避主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣仿真過程的邏輯描述為:

1)確定聲納浮標(biāo)陣形和參數(shù);

2)將潛艇的位置、聲納浮標(biāo)陣的基準(zhǔn)點(diǎn)位置、每個(gè)聲納浮標(biāo)的位置轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo);

3)根據(jù)潛艇規(guī)避航向,生成潛艇在規(guī)避時(shí)的相應(yīng)態(tài)勢(shì);

4)在每一步,實(shí)時(shí)解算潛艇與每個(gè)聲納浮標(biāo)之間的距離、舷角,結(jié)合潛艇規(guī)避聲納浮標(biāo)陣各要素的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

5)仿真結(jié)束后,輸出計(jì)算結(jié)果。

3.2 潛艇規(guī)避聲納浮標(biāo)陣各要素的計(jì)算

3.2.1 三枚聲納浮標(biāo)的機(jī)動(dòng)規(guī)避計(jì)算

潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避布設(shè)三枚浮標(biāo)時(shí)的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣示意圖如圖4所示。

潛艇駛出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣作用區(qū)域所經(jīng)過的最小距離Dmin由下式計(jì)算:

式中:MDR為主動(dòng)聲納浮標(biāo)偵測(cè)距離。

潛艇駛出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣作用區(qū)域所經(jīng)過的最大距離Dmax由下式計(jì)算:

潛艇規(guī)避航向上航行時(shí)間Tgb由下式計(jì)算:

圖3 仿真軟件運(yùn)行界面

式中:O1O2、O2O3、O3O1為主動(dòng)聲納浮標(biāo)之間的距離;Vbs為反潛飛機(jī)布設(shè)主動(dòng)聲納浮標(biāo)時(shí)的速度;Tjt為反潛飛機(jī)從布設(shè)完主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣至飛至聽測(cè)空域的時(shí)間。

潛艇走出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的規(guī)避速度Vqgb由下式計(jì)算:

3.2.2 四枚聲納浮標(biāo)的機(jī)動(dòng)規(guī)避計(jì)算

潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避布設(shè)四枚浮標(biāo)時(shí)的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣示意圖如圖5所示。

潛艇駛出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣作用區(qū)域所經(jīng)過的最小距離Dmin由下式計(jì)算:

式中:MDR為主動(dòng)聲納浮標(biāo)偵測(cè)距離。

潛艇駛出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣作用區(qū)域所經(jīng)過的最大距離Dmax由下式計(jì)算:

式中 :O1O2、O2O3、O3O4、O4O1為主動(dòng)聲納浮標(biāo)之間的距離;Vbs為反潛飛機(jī)布設(shè)主動(dòng)聲納浮標(biāo)時(shí)的速度;Tjt為反潛飛機(jī)從布設(shè)完主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣至飛至聽測(cè)空域的時(shí)間。

潛艇走出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的規(guī)避速度Vqgb由下式計(jì)算:

4 計(jì)算結(jié)果與分析

主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)通過發(fā)射和接收主動(dòng)聲納脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)定目標(biāo)與浮標(biāo)間的距離,水下潛艇在聽測(cè)到主動(dòng)聲納浮標(biāo)聲脈沖信號(hào)時(shí)(意味著將被攻擊),可以根據(jù)主動(dòng)浮標(biāo)的使用特點(diǎn)和信號(hào)特征識(shí)別出主動(dòng)聲納浮標(biāo)的探測(cè),并可以通過各主動(dòng)聲納浮標(biāo)的聲納方位判斷出大致的態(tài)勢(shì),合理利用當(dāng)時(shí)情況下的水文條件,采取適合的規(guī)避措施,以擺脫主動(dòng)聲納浮標(biāo)對(duì)本艇的探測(cè)、跟蹤,減少被攻擊的可能性或降低被反潛武器毀傷的概率。

4.1 計(jì)算結(jié)果

假設(shè)反潛飛機(jī)以220km/h的速度依次布設(shè)主動(dòng)聲納浮標(biāo),第一枚布設(shè)在潛艇的概略航向線前方。潛艇聲納突然聽測(cè)到航向線附近有聲納浮標(biāo)落水噪音或聲納浮標(biāo)脈沖信號(hào)。

據(jù)此,利用仿真計(jì)算可得出不同主動(dòng)聲納浮標(biāo)偵測(cè)距離MDR(單位nm)時(shí),最小浮標(biāo)陣偵測(cè)距離Dmin(單位 nm),最大浮標(biāo)陣偵測(cè)距離Dmax(單位nm),潛艇規(guī)避時(shí)間Tgb(單位min),潛艇規(guī)避速度Vqgb(單位kn)。

基于聲波在水中直線傳播距離往往比較近,在此,我們僅針對(duì)MDR 分別為1nm、2nm、3nm、4nm的情況進(jìn)行仿真計(jì)算。三枚、四枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)布陣時(shí)各要素結(jié)果分別見表1,表2。

表1 潛艇規(guī)避三枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣時(shí)各要素的結(jié)果

表2 潛艇規(guī)避四枚主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣時(shí)各要素的結(jié)果

4.2 分析與結(jié)論

4.2.1 各要素計(jì)算結(jié)果的分析

1)聲納浮標(biāo)探測(cè)區(qū)域分析

由表1、表2及圖 4、圖 5可見,兩種陣形的聲納浮標(biāo)的最大探測(cè)區(qū)域所涵蓋的范圍都是平均探測(cè)距離的2倍,且都處于基準(zhǔn)點(diǎn)與聲納浮標(biāo)的連線上。而最小探測(cè)區(qū)域所涵蓋的范圍因陣形不同而有所不同:三枚時(shí),最小探測(cè)區(qū)域所涵蓋的范圍就是平均探測(cè)距離,且偏離于基準(zhǔn)點(diǎn)與聲納浮標(biāo)連線60°的方位上;四枚時(shí),最小探測(cè)區(qū)域所涵蓋的范圍是平均探測(cè)距離的 2倍,且偏離于基準(zhǔn)點(diǎn)與聲納浮標(biāo)連線45°的方位上。

2)規(guī)避速度分析

由表1、表2可見,潛艇規(guī)避速度取決于潛艇駛出主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣作用區(qū)域的最小距離Dmin和潛艇規(guī)避航向上航行時(shí)間Tgb。并且不同聲納浮標(biāo)的平均探測(cè)距離下,Dmin與Tgb的比值為一定值。

3)潛艇規(guī)避時(shí)間分析

由表1、表2可見,潛艇規(guī)避聲納浮標(biāo)陣所需時(shí)間與聲納浮標(biāo)的平均探測(cè)距離的大小成正比關(guān)系。即主動(dòng)聲納浮標(biāo)的平均探測(cè)距離越大,潛艇脫離聲納浮標(biāo)陣所需時(shí)間就越長(zhǎng)。

4.2.2 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果得出潛艇機(jī)動(dòng)規(guī)避主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣的具體行動(dòng)方法。當(dāng)潛艇航向線附近發(fā)現(xiàn)主動(dòng)聲納浮標(biāo)時(shí),根據(jù)浮標(biāo)陣的使用時(shí)機(jī)判斷可能將會(huì)布設(shè)的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣陣形,立即加速下潛到有利于規(guī)避的水層,同時(shí)大角度轉(zhuǎn)向,若判斷是由三枚浮標(biāo)組成的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣,則轉(zhuǎn)向±60°(如圖4所示,OA、OB航向可最快脫離聲納浮標(biāo)陣),采用20kn速度航行10min以上,然后改為最大小噪音航速沿規(guī)避航向航行。若判斷是由四枚浮標(biāo)組成的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣,則轉(zhuǎn)向±45°(如圖5所示,OA、OB航向可最快脫離聲納浮標(biāo)陣),采用25kn速度航行11min以上,然后改為最大小噪音航速沿規(guī)避航向航行。顯而易見,20kn和25kn的高速對(duì)于常規(guī)潛艇(“基洛”級(jí)常規(guī)動(dòng)力潛艇最大航速為19kn)而言是不可能達(dá)到的,所以,常規(guī)潛艇規(guī)避該陣形單純采用純機(jī)動(dòng)方法是不可行的,而對(duì)于核潛艇而言采用高速時(shí)的航行噪聲也必然很大,所以不宜長(zhǎng)時(shí)間使用高速進(jìn)行規(guī)避,應(yīng)該適時(shí)改為最大小噪音航速進(jìn)行規(guī)避航行。

對(duì)于潛艇規(guī)避航向上航行時(shí)間Tgb的計(jì)算是建立在不考慮浮標(biāo)接受指令激活時(shí)間和浮標(biāo)位置校正時(shí)間的假設(shè)基礎(chǔ)上。目前較先進(jìn)的主動(dòng)定向聲納浮標(biāo)大都具有指令控制功能,浮標(biāo)入水后接受指令激活。若布設(shè)浮標(biāo)陣時(shí)間增加1min,則由三枚浮標(biāo)組成的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣當(dāng)偵測(cè)距離為2nm時(shí)潛艇可以16.4kn的速度進(jìn)行規(guī)避。即在這種條件下布設(shè)浮標(biāo)陣的時(shí)間每分鐘約對(duì)應(yīng)2.7kn的規(guī)避速度。由四枚浮標(biāo)組成的主動(dòng)聲納浮標(biāo)陣當(dāng)偵測(cè)距離為2nm時(shí)潛艇可以22kn的速度進(jìn)行規(guī)避。即在這種條件下布設(shè)浮標(biāo)陣的時(shí)間每分鐘約對(duì)應(yīng)3.2kn的規(guī)避速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過仿真的方法得出潛艇在不同陣形中、不同態(tài)勢(shì)下的最優(yōu)規(guī)避方法。但本文討論的聲納浮標(biāo)陣僅以常用的三枚和四枚主動(dòng)浮標(biāo)陣為例,而在實(shí)際跟蹤過程中,反潛飛機(jī)可能追加聲納浮標(biāo)對(duì)潛艇實(shí)施探測(cè),還可能使用多種聲納浮標(biāo)或者其他聲納浮標(biāo)陣型進(jìn)行探測(cè),以上問題尚待進(jìn)一步研究。

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