UUV集群探雷效能評估方法

陳 強， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

UUV集群探雷效能評估方法

陳 強， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

針對UUV探雷作業(yè)任務，建立UUV集群探雷作業(yè)效能評估模型。針對UUV集群搜索和探測水雷2種機動方式，進行集群探雷作業(yè)效能評估分析，給出UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率。

UUV；集群探雷；效能評估

0 引 言

本文主要研究典型作業(yè)條件下，UUV集群探雷作業(yè)效能評估問題。在以典型作業(yè)為背景進行效能評估時，效能評估方法和評估結(jié)果實際上與UUV裝備性能、作戰(zhàn)環(huán)境、作業(yè)方法密切相關(guān)，應該考慮這3個方面的要素。實際進行評估時，為簡化工作量，減少評估的復雜性，常常會假定某個條件，或簡化模型，以突出某個階段重點關(guān)注的問題，淡化其他影響因素。例如，在主要考慮UUV機動方式或主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能影響因素時，可能會取典型海洋環(huán)境條件下探測傳感器的性能指標，從而弱化不同海洋環(huán)境因素對探測傳感器性能和作業(yè)效能的影響。UUV探測水雷一般有2種方式：一是在某個區(qū)域以固定航速沿直線方向搜索和探測水雷；二是在某個區(qū)域按“梳”字形機動搜索和探測水雷。

典型想定為：UUV由Ngc個探測傳感節(jié)點和Ntx個通信節(jié)點構(gòu)成1個群使用。UUV探測傳感節(jié)點之間的距離為d/m，探測水雷距離為Rgc/m。探雷作業(yè)區(qū)域大小，橫向?qū)挾葹锽hx/n mile，縱向長度為Lzx/n mile，作業(yè)區(qū)域面積Ssq/n mile2，考察UUV集群探雷作業(yè)效能。

1 在某個區(qū)域以固定航速沿直線方向搜索和探測探雷

UUV集群以航速Vgc/kn沿著作業(yè)區(qū)縱向搜索。UUV群可采用橫向線式隊形搜索，也可采用三角形隊形搜索。

對于采用三角形分布的集群，領航者在前面，其他UUV在其后面跟隨。領航者與各UUV之間的間距為d，其在橫向方向投影為dhx，在縱向方向投影為dzx，UUV集群隊形長度Lhx與作業(yè)區(qū)域?qū)挾菳hx相同，dhx由下式確定：

Lhx=(dhx(Ngc-1)+2Rgc)/1852，

(1)

圖1 搜索區(qū)域為一個縱向長度遠大于橫向長度的矩形Fig.1 Rectangle search area (lognitudinal length more longer then transverse length)

圖2 UUV橫向間距的確定Fig.2 Establish transverse distance between a UUV and another UUV

(2)

當UUV群采用橫向線式分布時，只需將UUV間距d替換原來的橫向間距dhx，即可利用上述公式計算橫向線式分布情況下的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率。當給定UUV探測距離Rgc時，可根據(jù)搜索區(qū)域橫向總寬度，確定UUV之間的橫向間距。若2個UUV之間的橫向間距大于UUV探測距離2倍時；二者之間會出現(xiàn)空隙區(qū)；若小于UUV探測距離2倍時，二者之間會出現(xiàn)重疊區(qū)。設：

Zpj=dhx-2Rgc。

(3)

若Zpj<0，則出現(xiàn)重疊區(qū)；若Zpj>0，則出現(xiàn)空隙區(qū)；若Zpj=0，則既沒有空隙區(qū)，也沒有重疊區(qū)，此時，UUV隊形為最優(yōu)配置。取各UUV探測覆蓋范圍在橫向投影寬度之和與搜索區(qū)域橫向?qū)挾戎茸鳛榘l(fā)現(xiàn)目標概率，可計算得到UUV集群搜索發(fā)現(xiàn)目標概率。

Pfx=各UUV探測覆蓋范圍在橫向投影寬度之和
/搜索區(qū)域橫向?qū)挾取?/p>

(4)

UUV集群搜索效率分以下2種情況進行計算。

有空隙區(qū)時：

Cjq=(2RgcNgc)Vgc/1852；

(5)

有重疊區(qū)時：

Cjq=(2RgcNgc-abs(Zpj)
(Ngc-1))Vgc/1852。

(6)

1)算例1

假設Ngc=3，Ntx=2，橫向?qū)挾菳hx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=3 kn，作業(yè)時間需6～7 h。將基本數(shù)據(jù)帶入式(1)～式(6)，可計算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標概率和集群搜索效率。

計算結(jié)果表明：若UUV探測距離小于140 m，則2個UUV之間有空隙區(qū)域，目標會有遺漏；若UUV探測距離大于140 m，則2個UUV之間有重疊區(qū)域。2個UUV有空隙區(qū)時，發(fā)現(xiàn)目標概率較低,空隙區(qū)減小，發(fā)現(xiàn)目標概率增加；有重疊區(qū)時，發(fā)現(xiàn)目標概率達到1，重疊區(qū)增加對目標發(fā)現(xiàn)概率沒有影響。UUV探測距離增加，集群搜索效率提高；出現(xiàn)重疊區(qū)后，重疊區(qū)增加對集群搜索效率沒有影響。

表1 UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率計算

2)算例2

假設Ngc=3，Ntx=2，搜索區(qū)縱向長度Lzx=20 n mile。UUV航速Vgc=3 kn，作業(yè)時間需6～7 h。航向器探測距離為Rgc，UUV之間的橫向間距為dhx,則搜索區(qū)橫向?qū)挾菳hx可根據(jù)UUV探測距離和UUV之間的橫向間距來確定。將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計算得到搜索區(qū)橫向?qū)挾?、UUV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標概率和目標搜索效率。

表2 UUV探測距離為100 m時的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率

表3 UUV探測距離為140 m時的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率

表4 UUV探測距離為180 m時的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率

計算分析表明：UUV探測距離增加，在保持相同發(fā)現(xiàn)目標概率條件下，搜索區(qū)域橫向?qū)挾瓤稍龃?，集群搜索效率增加；有重疊區(qū)時，重疊區(qū)越大，集群搜索效率越低，發(fā)現(xiàn)目標概率不變保持為1；有空隙區(qū)時，空隙區(qū)越大，發(fā)現(xiàn)目標概率越低，而集群搜索效率不變。

3)算例3

UUV主要性能如表5所示。假設Ngc=3～5，Ntx=2，作業(yè)區(qū)域橫向?qū)挾菳hx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=4 kn，作業(yè)時間需5 h。將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標概率和目標搜索效率。

表5 典型UUV主要性能參數(shù)

Tab.5 Typical UUV main performance parameter

項 目UUV-AUUV-B搜索速度/kn44續(xù)航力/km100180搜索時間/h1324側(cè)掃聲吶工作頻率/kHz300400側(cè)掃聲吶覆蓋角/(°)150128側(cè)掃聲吶側(cè)掃范圍/m100200

表6 典型UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率

從表中計算結(jié)果可知，UUV-A由于探測目標距離近，配置3個UUV-A不能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，存在較大空隙區(qū)，發(fā)現(xiàn)目標概率為0.656，集群搜索效率為1.296；配置4個UUV-A仍不能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，存在一定空隙區(qū)，發(fā)現(xiàn)目標概率提高到0.875，集群搜索效率提高到1.728；配置5個UUV-A能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，發(fā)現(xiàn)目標概率達到1.00，集群搜索效率達到1.974，與配置3個UUV-B的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標概率相同。因此，在上述假設條件下，所需UUV-A與UUV-B數(shù)量之比為5∶3， 即3艘UUV-B相當于5艘UUV-A的作業(yè)效果，說明探測目標距離對集群搜索效率有很大影響。

在發(fā)現(xiàn)目標概率為1.00條件下，集群搜索效率為1.974，假設目標落入探測聲吶作用區(qū)域的概率為P接觸，則UUV在單位時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標的期望數(shù)為：

γ期望= (C集群/Ssq)×P接觸。

(7)

取接觸概率P接觸為1.0，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)，得到單位時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標的期望數(shù)為：

γ期望=(1.974/9.8)×1.00=0.2(1/h)。

搜索整個區(qū)間所需時間為5 h，5 h發(fā)現(xiàn)目標期望數(shù)為1.0，即采用上述搜索方法和搜索隊形參數(shù)，搜索5 h必定能夠發(fā)現(xiàn)目標。

2 在某個區(qū)域按“梳”字形機動搜索和探測水雷

假定UUV采用“梳”字形機動搜索一個面積為Ssq(n mile2)的區(qū)域。作業(yè)區(qū)域橫向?qū)挾菳hx=2 n mile，縱向長度Lzx=10 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約20 n mile2。探測UUV數(shù)量Ngc=3～5，通信UUV數(shù)量Ntx=2，航速Vgc=4 kn，UUV探測距離Rgc為100 m或200 m。UUV采用橫線式隊形搜索目標，UUV之間的橫向間距d=2Rgc，發(fā)現(xiàn)目標概率Pfx=1，將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計算得到UUV隊形長度Lhx和集群搜索效率。

圖3 “梳”字形機動搜索和探測作業(yè)示意圖Fig.3 Mobile search and detection operation in comb form

UUV類型UUV數(shù)量NgcUUV探測距離Rgc/mUUV之間的橫向間距d/mUUV隊形長度Lhx/mUUV航速Vgc/kn集群搜索效率Cjq/nmile2·h-1UUV-A310020060041296UUV-A410020080041728UUV-A5100200100042160UUV-B3200400120042592UUV-B4200400160043456UUV-B5200400200044320

UUV編隊沿著橫向走“梳”字形，根據(jù)UUV編隊長度Lhx和搜索區(qū)縱向長度Lzx，可確定編隊完成整個區(qū)域搜索沿著橫向需要搜索次數(shù)，即：

Nbs=INT(1852×Lzx/Lhx)。

(8)

式中：INT為取整數(shù)的函數(shù)。

根據(jù)幾何概率公式，在搜索區(qū)域內(nèi)編隊集群搜索時發(fā)現(xiàn)目標的概率為編隊搜索目標面積與搜索區(qū)域面積之比，并考慮UUV編隊縱向搜索發(fā)現(xiàn)目標概率，即：

Pjqfx=(Sgc/Ssq)×Pfx。

(9)

式中：

Sgc=Lhx×Bhx×Nbs/1852，

(10)

Ssq=Lzx×Bhx，

(11)

Pfx=1。

將基本參數(shù)代入式(8)～式(11)，可得編隊集群搜索該探雷作業(yè)區(qū)的發(fā)現(xiàn)目標概率。

表8 編隊集群搜索探雷作業(yè)區(qū)的發(fā)現(xiàn)目標概率

UUV作業(yè)效能可用UUV在單位時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標的期望數(shù)γ期望和期望時間T期望表征。對于編隊集群搜索，在單位時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標的期望數(shù)為：

γ期望=C集群/Ssq，

(12)

若搜索整個區(qū)域所需時間為Tssh，則在Tssh發(fā)現(xiàn)目標期望數(shù)為：

γ=Tss×γ期望。

(13)

編隊搜索整個探雷作業(yè)區(qū)時間為編隊航行距離除以航行速度。顯然，編隊航行距離等于作業(yè)區(qū)橫向?qū)挾瘸艘跃庩犓阉魍荡螖?shù)。采用上述搜索方法和搜索隊形參數(shù)，搜索Tssh發(fā)現(xiàn)目標期望數(shù)與編隊發(fā)現(xiàn)目標概率一致，在95%以上。

表9 “梳”字型編隊搜索探雷作業(yè)區(qū)發(fā)現(xiàn)目標期望數(shù)

分析表7～表9的計算結(jié)果可知：UUV-B的集群搜索效率和UUV-B隊形長度為UUV-A的2倍，編隊搜索往返次數(shù)和搜索目標時間減少一半，UUV-B采用3 kn或5 kn航速發(fā)現(xiàn)目標概率最大，4 kn航速時續(xù)航時間約為27 h，滿足上述給定區(qū)域搜索作業(yè)時間的需求；UUV-A采用4 kn航速發(fā)現(xiàn)目標概率最大，由于4 kn航速時續(xù)航時間為13 h，難以滿足上述給定區(qū)域搜索作業(yè)時間的需求。

3 結(jié) 語

本文針對UUV的探雷任務，提出了典型的探雷作業(yè)方法。按照設定的典型探雷作業(yè)想定，建立了集群探雷作業(yè)效能評估模型，給出了不同裝備性能參數(shù)、編隊隊形要素對作業(yè)效能的影響規(guī)律。針對典型UUV裝備性能參數(shù)，根據(jù)設定作業(yè)海區(qū)開展了不同搜索樣式下的效能評估分析。研究和分析結(jié)果可用于UUV裝備型號研制立項綜合論證，也可為部隊使用UUV進行探雷作業(yè)訓練提供參考。

[1] В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達爾.搜索目標法[M].中國系統(tǒng)工程學會軍事系統(tǒng)工程委員會，1982.

В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達爾.Searching target method[M].Systems Engineering Society of China Military Syst-ems Engineering Committee，1982.

[2] 武器裝備論證通用規(guī)范：戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標論證[S].GJBz 20221.6-94.

General specification for demonstration of weapon and equipment Tactical and technical goal demonstration.GJBz 20221.6-94.

[3] WILLCOX S,et al.Multi-vehicle cooperative navigation and autonomy with the bluefin cadre system[M].Cambridge, MA:Bluefin Robotics Corporation.

Research on efficiency evaluation method of UUV group detection mine

CHEN Qiang，YUAN Si-ming

(Navy Equipment Academe，Beijing 100161,China)

Paper established efficiency evaluation model of UUV group detection mine for UUV detection mine task. This progressed efficiency evaluation analysis of UUV group detection mine and presented search efficiency and find target probability in UUV group manner for two kind of mobile manner of UUV group search and detection mine.

UUV;group detection mine;efficiency evaluation

2014-01-17;

2014-03-24

陳強(1961-)，男，研究員，從事艦艇和水下無人航行器論證研究。

TP242

A

1672-7649(2014)12-0178-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.001