戰(zhàn)略戰(zhàn)役兵棋系統(tǒng)中的被動(dòng)聲納探測(cè)仿真

董迎濤，柳少軍，丁光照，王 燕

(國(guó)防大學(xué)信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部，北京 100091)

戰(zhàn)略戰(zhàn)役兵棋系統(tǒng)是從作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)、歷史經(jīng)驗(yàn)的角度去思考戰(zhàn)爭(zhēng)問(wèn)題，具有抽象程度高、模擬實(shí)體多、戰(zhàn)場(chǎng)范圍廣、作戰(zhàn)樣式全、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，為便于處理，模型采用基于六角格地形的計(jì)算方式。被動(dòng)聲納探測(cè)(Passive Sonar Detection)是對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)、定位、識(shí)別的有效手段，是反潛作戰(zhàn)能夠取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素。準(zhǔn)確有效地仿真被動(dòng)聲納探測(cè)，是反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)能否反映實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程的重要因素之一。

國(guó)外對(duì)戰(zhàn)略戰(zhàn)役反潛作戰(zhàn)模擬的研究開(kāi)展較早，也形成了一些成熟的反潛作戰(zhàn)模型，并在一些大型作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，如 JWARS，JSIMS 等［1-3］。國(guó)內(nèi)對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)的研究主要集中在裝備論證或戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用層面［4-5］，還沒(méi)有比較成熟的戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的反潛作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。本文給出了一種面向戰(zhàn)略戰(zhàn)役兵棋系統(tǒng)的被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型，對(duì)被動(dòng)聲納的整個(gè)探測(cè)過(guò)程進(jìn)行了研究，合理考慮了探測(cè)過(guò)程中的各種影響因素，建立了探測(cè)時(shí)間模型和海洋聲學(xué)環(huán)境下的噪聲傳播模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 被動(dòng)聲納探測(cè)仿真流程

戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的仿真建模，強(qiáng)調(diào)的是對(duì)“指揮”或“協(xié)同”的模擬，反映了“決策”、“技術(shù)”與“技能”兼具的特點(diǎn)。面向戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的被動(dòng)聲納仿真模型，模擬的重點(diǎn)是被動(dòng)聲納系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的交互。在實(shí)時(shí)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，被動(dòng)聲納探測(cè)對(duì)作戰(zhàn)的影響主要體現(xiàn)在探測(cè)時(shí)間的變化上。

被動(dòng)聲納探測(cè)仿真流程如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)打開(kāi)，首先掃描被動(dòng)聲納探測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有敵方潛艇存在，掃描到目標(biāo)后，系統(tǒng)提取潛艇和探測(cè)艦艇基本參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算探測(cè)時(shí)間，生成探測(cè)觸發(fā)事件。例如，假設(shè)某型潛艇在6點(diǎn)時(shí)進(jìn)入被動(dòng)聲納探測(cè)范圍區(qū)域，模型計(jì)算出探測(cè)到潛艇需要4h，在各種條件不變的情況下，模型生成一個(gè)10點(diǎn)時(shí)觸發(fā)的事件，時(shí)間到達(dá)，模型輸出潛艇相關(guān)信息，顯示潛艇具體位置。

2 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間建模

對(duì)被動(dòng)聲納的仿真，主要是模擬海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下被動(dòng)聲納探測(cè)到目標(biāo)所需要的時(shí)間，被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與被動(dòng)聲納系統(tǒng)性能、探測(cè)目標(biāo)性能、海洋環(huán)境等有關(guān)，探測(cè)時(shí)間根據(jù)影響因素的變化而改變。本文用Gamma分布隨機(jī)變量值來(lái)確定被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間。

Gamma分布是統(tǒng)計(jì)學(xué)的一種連續(xù)概率函數(shù)，兼有指數(shù)分布和冪分布的特點(diǎn)。在被動(dòng)聲納探測(cè)中探測(cè)時(shí)間主要與被探測(cè)目標(biāo)的類別和噪聲值有關(guān)，而且目標(biāo)類別α(形狀參數(shù))和最大最小探測(cè)時(shí)間β(尺度參數(shù))均為定值，其復(fù)雜程度(熵)最大，因此被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間的出現(xiàn)概率服從Gamma分布［6］。

圖1 被動(dòng)聲納探測(cè)仿真流程圖

被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間是指從潛艇進(jìn)入探測(cè)區(qū)域到被聲納探測(cè)識(shí)別定位所用的時(shí)間，這里把被動(dòng)聲納探測(cè)、識(shí)別、定位三個(gè)過(guò)程合而為一，被動(dòng)聲納探測(cè)到目標(biāo)信號(hào)，就認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)被識(shí)別并定位，系統(tǒng)輸出目標(biāo)信息，屏幕顯示目標(biāo)標(biāo)識(shí)。

2.1 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間方程

探測(cè)一艘潛艇的實(shí)際時(shí)間是不確定的，是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程:當(dāng)一艘潛艇進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，先產(chǎn)生一個(gè)服從Gamma分布(均值為探測(cè)平均最短時(shí)間Tmin)的隨機(jī)變量值作為理論上探測(cè)潛艇所需要的最少時(shí)間，再產(chǎn)生另一個(gè)服從Gamma分布(均值為探測(cè)最長(zhǎng)時(shí)間Tmax)的隨機(jī)變量值作為理論上探測(cè)潛艇所需要的最長(zhǎng)時(shí)間，然后根據(jù)探測(cè)時(shí)間與噪聲的關(guān)系，計(jì)算出實(shí)際探測(cè)時(shí)間。

被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與接收到的噪聲級(jí)存在以下關(guān)系:

式中，TV為考慮噪聲損失時(shí)所需的探測(cè)時(shí)間;NV為聲納接收到的噪聲級(jí)。

如表1所示，由服從Gamma分布的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生5組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)噪聲損失處理后，得到表中探測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)。假設(shè)探測(cè)平均最短時(shí)間為18h，探測(cè)最長(zhǎng)時(shí)間為120h，Gamma分布的形狀參數(shù)為 3.0。

為便于計(jì)算，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，結(jié)果是最長(zhǎng)探測(cè)時(shí)間為125h，在最大100dB下探測(cè)時(shí)間為20h，如圖2所示。

表1 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)

如圖2所示，當(dāng)噪聲是25dB，則聲吶需要98.75h才能發(fā)現(xiàn)潛艇。

圖2 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與噪聲關(guān)系圖

2.2 多重被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間方程

假設(shè)同一平臺(tái)上多個(gè)被動(dòng)聲納同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，各聲納之間不會(huì)形成干擾。此時(shí)探測(cè)時(shí)間的計(jì)算有兩種可能的方式:一種是各個(gè)聲納作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行探測(cè)，最先探測(cè)到目標(biāo)的被動(dòng)聲納所用時(shí)間即為探測(cè)時(shí)間;另一種方法是把多個(gè)被動(dòng)聲納看作一個(gè)系統(tǒng)，各個(gè)被動(dòng)聲納之間有信息交互。模型使用第二種方法進(jìn)行多重聲納建模，探測(cè)時(shí)間方程為

式中，HT為多重聲納同時(shí)探測(cè)所需時(shí)間，H1，…，Hn為各個(gè)聲納單獨(dú)探測(cè)所需時(shí)間。

2.3 狀態(tài)改變時(shí)探測(cè)時(shí)間的確定

真實(shí)海戰(zhàn)中，探測(cè)艦艇和目標(biāo)潛艇狀態(tài)都在不斷地變化。當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，系統(tǒng)將重新計(jì)算探測(cè)時(shí)間，生成探測(cè)事件。

·多聲納系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)聲納被動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉;

·聲納毀壞或正在修理中;

·探測(cè)艦艇或潛艇航速調(diào)整;

·探測(cè)艦艇或潛艇進(jìn)入新的六角格。

再次確定探測(cè)時(shí)間，并不是丟棄已用的探測(cè)時(shí)間，而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算法則如表2所示。

表2 探測(cè)時(shí)間運(yùn)算法則

3 被動(dòng)聲納探測(cè)噪聲建模

由方程(2)可知探測(cè)時(shí)間與被動(dòng)聲納接收到目標(biāo)噪聲級(jí)近似為線性關(guān)系。接收到的噪聲級(jí)主要受目標(biāo)聲源級(jí)、傳播損失、背景噪聲等因素的影響。

被動(dòng)聲納接收到的噪聲級(jí)方程為［7］

式中，各參數(shù)的量綱均為分貝(dB);NV為聲納接收到的噪聲級(jí);SL為聲源級(jí);TL為傳播損失;BL為海洋環(huán)境噪聲。

3.1 目標(biāo)噪聲聲源級(jí)SL

根據(jù)輻射噪聲聲源級(jí)的大小，潛艇目標(biāo)可分為四種類型:高噪聲潛艇、噪聲潛艇、安靜型潛艇、極安靜型潛艇。考慮輻射噪聲隨航速的變化特性和臨界航速對(duì)噪聲的影響，聲源級(jí)方程表示如下［8］:

式中，V為潛艇的實(shí)時(shí)航速;a=1，2，3，4為潛艇的類型級(jí)別，分別為極安靜型潛艇、安靜型潛艇、噪聲潛艇、高噪聲潛艇;VL是潛艇的臨界航速;Δ=20dB-50dB(Δ的選取依據(jù)不同類型潛艇的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo))是潛艇到達(dá)臨界航速后噪聲聲源級(jí)的增量;b是潛艇達(dá)到臨界航速后輻射噪聲隨航速變化的斜率，b∈［1.5，2］。

3.2 傳播損失TL

聲波在水下的傳播主要有三種傳播路徑:直接路徑傳播(DP)、海底反射傳播(BB)、會(huì)聚區(qū)傳播(CZ)。模型將傳播損失按距離分為兩個(gè)階段，距聲源1m到1000m之間的噪聲傳播主要為球面擴(kuò)展損失和吸收損失之和，大于1000m主要為柱面擴(kuò)展損失和吸收損失之和。

式中，R為傳輸距離，單位為km;A為吸收系數(shù)，取A=2dB/km;F為異常傳輸損耗，取F=4dB。

3.3 海洋環(huán)境噪聲BL

海洋環(huán)境噪聲是指海洋環(huán)境中產(chǎn)生的各種聲響，是聲納的重要背景噪聲，影響聲納的探測(cè)距離，干擾聲納系統(tǒng)的正常工作，主要有熱噪聲、聲納自噪聲PN、艦艇噪聲VN、其它艦艇噪聲SN和海洋動(dòng)力噪聲WN。背景噪聲方程為

熱噪聲是個(gè)絕對(duì)小的量，只有在不存在其它噪聲源的情況下才能探測(cè)到，與海洋噪聲相比，可以忽略。聲納自噪聲由具體聲納類型的噪聲參數(shù)確定。

3.3.1 艦艇平臺(tái)噪聲VN

艦艇平臺(tái)噪聲的聲源級(jí)是表征艦船聲隱蔽性的最基本參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式為［9］

3.3.2 其它艦艇噪聲SN

除平臺(tái)噪聲外，作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的其它艦艇產(chǎn)生的噪聲同樣會(huì)對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)產(chǎn)生干擾。模型中的其它艦艇噪聲是指與探測(cè)平臺(tái)或被探測(cè)目標(biāo)在同一六角格里的艦艇產(chǎn)生的噪聲，其它艦艇不予考慮，噪聲傳播損失計(jì)算方程與方程(5)相同。潛艇和艦船噪聲方程分別與方程(4)和方程(7)相同。

3.3.3 海洋動(dòng)力噪聲WN

海洋動(dòng)力噪聲主要與風(fēng)浪和降雨有關(guān)，是影響探測(cè)潛艇能力的重要部分。表3列出了不同氣象條件下海洋動(dòng)力噪聲參數(shù)。

4 實(shí)例分析

水面艦艇D在某海域執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，航速為20kn，氣象條件為4級(jí)海情，小雨。敵方潛艇S以在該區(qū)域內(nèi)低速航行(安靜級(jí) a=2，臨界航速 VL=11.51kn，Δ =30dB，b=1.8)，A1、A2、A3 為區(qū)域內(nèi)的其它艦艇。艦艇部署如圖3所示，水面艦艇和潛艇基本參數(shù)如表4所示。

表3 不同氣象條件下海洋動(dòng)力噪聲參數(shù)表

圖3 艦艇部署圖

表4 水面艦艇和潛艇基本參數(shù)表

想定一:艦艇部署如圖3(a)所示，作戰(zhàn)初始時(shí)間為X月1日0時(shí)，作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，只有探測(cè)艦艇D，和被探測(cè)潛艇S，在艦艇D航速為12kn，潛艇以航速10kn的情況下，探測(cè)時(shí)間概率密度分布如圖4(a)所示。

想定二:艦艇部署如圖3(b)所示，作戰(zhàn)初始時(shí)間為X月2日0時(shí)，作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，探測(cè)艦艇D與艦艇A1在同一六角格內(nèi)，被探測(cè)潛艇S與艦艇A2在同一六角格內(nèi)，艦艇A3在其它六角格內(nèi)，A1、A2、A3航速同為15kn，艦艇D航速為12kn，潛艇以航速10kn，探測(cè)時(shí)間概率密度分布如圖4(b)所示。

圖4 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間概率密度分布圖

由被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間概率密度分布圖可知，當(dāng)沒(méi)有其它外界因素影響時(shí)(想定一)，被動(dòng)聲納連續(xù)探測(cè)3～4小時(shí)時(shí)，探測(cè)概率最大，為20%左右，如圖4(a)所示;當(dāng)有其它外界因素影響時(shí)(想定二)，被動(dòng)聲納連續(xù)探測(cè)4～5小時(shí)時(shí)，探測(cè)概率最大，為18%左右，如圖4(b)所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次仿真特點(diǎn)，對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)功能進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)了被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型邏輯框架，建立被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型。根據(jù)被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間的隨機(jī)性，提出了服從Gamma分布的隨機(jī)探測(cè)時(shí)間函數(shù)，確定了探測(cè)時(shí)間與噪聲的關(guān)系方程。同時(shí)，根據(jù)水下噪聲傳播特性，建立了海洋環(huán)境下的噪聲傳播方程。

最后，對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間隨干擾因素的增大而增長(zhǎng)，較符合反潛作戰(zhàn)實(shí)際。除已完成的上述工作外，接下來(lái)還需要完成被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)與水面艦艇指揮系統(tǒng)的信息交互工作，建立完整的被動(dòng)聲納反潛作戰(zhàn)模型。

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