浮標布陣投放航線實驗與誤差分析

蔡愛華，何建偉，王　鵬

(中國電子科學研究院，北京　100041)

蔡愛華(1962—)，男，江蘇鹽城人，中國電子科技集團公司首席專家，研究員級高工，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)；

E-mail：caiaihua62@163.com

何建偉(1982—)，男，海南儋州人，工學博士，高級工程師，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)總體技術；

王　鵬(1990—)，男，陜西富平人，碩士，助理工程師，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)總體技術。

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工程與應用

浮標布陣投放航線實驗與誤差分析

蔡愛華，何建偉，王鵬

(中國電子科學研究院，北京100041)

摘要：針對航空反潛聲吶浮標布陣精度問題，提出一種減小浮標布陣誤差的航線實驗和分析方法。根據(jù)浮標布陣精度需求，設計浮標方形陣投放航線；進行飛行實驗，分析浮標投放誤差；分析風對浮標投放誤差的影響。實驗表明，通過合理的航線設計及誤差控制，可改善浮標陣型的布陣誤差。

關鍵詞：航空反潛；浮標陣型；投放航線；投放誤差

0引言

空投浮標布陣反潛是航空反潛的重要手段[1]，控制浮標投放精度是提升浮標陣反潛效率的有效措施，規(guī)劃浮標投放航線是實現(xiàn)浮標高精度布陣投放的關鍵。規(guī)劃浮標布陣航線目的是選擇滿足浮標布陣性能指標要求且滿足飛機飛行性能的合理航線[2]。目前國內(nèi)該領域主要開展了提高浮標陣搜索概率的聲納浮標布放陣型仿真研究[3-6]，關于浮標投放誤差對陣型搜潛效能影響的研究未見報道。而在實際工程應用中，我們發(fā)現(xiàn)浮標投放誤差對浮標陣效能發(fā)揮的影響是不可忽視的。投放誤差過大可能導致陣型搜潛效能下降，甚至會使陣型中出現(xiàn)大的間隙而造成漏警。本文從工程實踐角度提出一種減小浮標布陣誤差的航線實驗與誤差分析方法，可以實現(xiàn)有效控制浮標布陣誤差的目的。

1浮標陣型最大投放誤差需求

圖1　浮標陣型不漏警最大投放誤差示意

在規(guī)劃浮標搜潛陣型時，通常要使兩浮標作用區(qū)域有一定的重疊。浮標布陣允許的最大誤差應滿足浮標陣不漏警覆蓋條件，即陣型內(nèi)兩枚浮標間不應產(chǎn)生覆蓋空白，導致潛艇可能穿過浮標之間的空白而不被探測到。如圖1所示。圖1中，Δd為兩浮標作用距離圓相切時，浮標實際位置與規(guī)劃陣點位置之間的偏離距離。為避免出現(xiàn)漏警情況，將兩浮標作用距離圓正好相切時的誤差Δd定義為最大投放誤差。

假設浮標作用距離為3 km，規(guī)劃的浮標間距為4.8 km，由幾何關系可知，浮標陣不漏警最大投放誤差為600 m。在隨機投放過程中，以正態(tài)分布模型描述誤差分布，則要求±3σ范圍為(-600 m,600 m)，即誤差分布標準差要求3σ<600 m、 1σ<200 m。以此為例進行分析實驗。

2航線實驗與誤差分析

浮標陣投放誤差來源，一是采用自動導航飛行時產(chǎn)生的偏離航線誤差，由偏航距描述，可稱為橫向誤差(以航線方向為縱向)；二是浮標前飛投放時產(chǎn)生的偏離目標點誤差，由投放射表描述，可稱為縱向誤差；三是風速風向的影響。

2.1橫向誤差

為分析橫向誤差，對方形浮標陣，針對某型直升飛機，設計兩種飛行航線,如圖2所示。

圖2　方形陣飛行航線

直接飛行的軌跡如圖3所示。

圖3　直接飛行軌跡

用偏航距描述橫向誤差，偏航距分布如圖4所示。

圖4　直接飛行偏航距分布

由圖4，在方形陣轉(zhuǎn)彎點(A2、A3)，偏航距先迅速變大再逐漸收斂。對時速150 km/h，A2轉(zhuǎn)彎點后飛行10 km，偏航距收斂至241 m；A3轉(zhuǎn)彎點后飛行10 km，偏航距收斂<200 m。A3偏航距超過陣型最大投放誤差需求。

交叉繞飛的飛行軌跡如圖5所示。

圖5　交叉繞飛軌跡

偏航距分布如圖6所示。

圖6　交叉繞飛偏航距分布

由圖6，通過增加導引點，使所有方形陣點(A1~A4)均在飛行直線。對飛行時速150 km/h，導引點A01與A1間距大于6.2 km、導引點A02與A3間距大于9 km時，可使陣點(A1-A4)偏航距均<200 m。

通過前述分析，為滿足浮標陣型最大投放誤差需求，設計投放航線時，可在陣型航線轉(zhuǎn)彎點前增加航線導引點，導引點距離航線轉(zhuǎn)彎點大于9 km。

2.2縱向誤差

縱向誤差是飛機沿航線方向前飛投放時，浮標實際入水點與規(guī)劃陣點間偏離的距離，可通過計算浮標投放射表，按射表進行投放來控制縱向誤差。

不考慮風影響時，浮標離機后，在垂直方向上自由落體、開傘入水；在水平方向上進行勻速運動、開傘減速。各時間段如圖7所示。

圖7　浮標投放時間段示意

圖7中，t0為投放按鈕按下至浮標離機時間，即響應滯后時間；t1為浮標離機至浮標開傘時間；t2為浮標開傘后至浮標入水時間。

開傘后至入水浮標的運動模型如下：

浮標出艙后約1 s降落傘打開，在不考慮風速影響下，浮標運動受重力G和阻力Fs共同作用，如圖8所示。

圖8　浮標空中運動示意

圖8中，F(xiàn)s為降落傘阻力，G為重力，θ為速度方向與水平方向之間的夾角。開傘后浮標空中運動用以下方程組表示[7]：

(1)

式中,v為浮標空中運動速度;g為重力加速度;Cd為降落傘阻力系數(shù);S為傘阻力面積;ρ為空氣密度，一般為1.225 kg/m3;m為浮標質(zhì)量。

縱向位移L及高度H與時間T的關系為：

(2)

(3)

(4)

式中,v載機為載機飛行速度;t1為開傘時間;g為重力加速度;t2為浮標開傘后入水時間;v、θ由公式(1)確定，T為浮標入水時間。

由上述模型計算典型投放條件100 m投放高度、150 km/h投放速度下的浮標射表如表1。

表1　浮標投放射表

縱向誤差σL主要來源是投放時刻載機位置誤差σD、投放按鈕響應滯后時間誤差產(chǎn)生的位移st0、浮標出艙后開傘時間誤差產(chǎn)生的位移st1、開傘后至浮標運動穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的縱向位移誤差ss，風的影響sw。

由各誤差源可得到：

(5)

不考慮風的影響時，縱向誤差為

(6)

假設各參數(shù)取值為：

載機位置誤差為載機導航誤差，設為σD=30 m；投放按鈕響應滯后時間產(chǎn)生的位移誤差為σt0=v載機Δt0,v載機為載機速度；Δt0為響應滯后時間誤差，設為Δt0=0.5 s；浮標出艙后開傘時間產(chǎn)生的位移誤差為σt1=v載機Δt1，v載機為載機速度；Δt1為出艙后開傘時間誤差，設為Δt1=1 s；開傘后至浮標運動穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的位移誤差σs，設為σs=20 m。

在上述假設參數(shù)下，對典型投放條件(高度100 m和時速150 km/h)，浮標入水縱向誤差為58.9 m。

在投放浮標時，根據(jù)浮標射表控制縱向偏移，可以實現(xiàn)對投放誤差的控制。

2.3風的影響

實際投放時，除了浮標射表，還應考慮風的影響。

風的影響是風速風向?qū)﹂_傘后浮標運動狀態(tài)產(chǎn)生影響，導致浮標投放位移偏差。浮標運動模型如下：

(7)

式中，v風為風速;φ為風向與載機航向間夾角(順時針為正);L為離機浮標在航向縱向上的位移距離;θ為浮標速度方向與水平方向之間的夾角。

風的影響還導致浮標運動過程中在風向方向上發(fā)生整體偏移，偏移量為：

(8)

式中，L0，縱、L0，橫為浮標在縱向和橫向上發(fā)生的整體偏移。

假設載機在100 m高度，150 km/h速度的條件下投放，對5級風，風速在8 m/s~10.7 m/s范圍，浮標投放縱向位移的變化情況如圖9所示。

圖9　風速起伏對縱向位移的影響(載機速度150 km/h)

由圖9可見，5級風力(平均風速10 m/s)，投放高度100 m，載機速度150 km/h條件下，風速起伏帶來的誤差為5~7 m。

投放時，風的影響可通過計算風偏移量進行實時校正進行消除，但風速起伏造成的誤差無法消除。

2.4總投放誤差

通過前述分析，不同橫向誤差條件下，浮標投放誤差如表2。

表2　浮標投放誤差(載機速度150 km/h，投放高度100 m)

從表2可知，減小橫向誤差(偏航距小于190 m)，可使總誤差滿足浮標陣型最大投放誤差需求，確保不漏警。對浮標方形陣投放航線，通過增加轉(zhuǎn)彎導引點減小偏航距，控制橫向誤差，使總誤差滿足要求。

如進一步提升投放精度，還可采取按投放射表

提前或延后投放來控制縱向誤差，或?qū)︼L偏移量進行補償修正等措施來減小總誤差，提升精度。

3結(jié)語

本文從工程實踐角度提出一種減小浮標布陣誤差的航線實驗與誤差分析方法。依據(jù)浮標陣不產(chǎn)生漏警間隙條件確定最大投放誤差需求；由最大投放誤差需求設計投放航線進行實驗，分析了橫向誤差、縱向誤差及風的影響，形成浮標投放誤差控制依據(jù)。提出利用導引點控制浮標布陣誤差的方法，能夠有效控制浮標陣型誤差。

參考文獻：

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[5]楊日杰，周旭，曾海燕. 被動全向聲納浮標跟蹤潛艇的優(yōu)化布放方法[J]. 指揮控制與仿真， 2011，33(5)：80-83.

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蔡愛華(1962—)，男，江蘇鹽城人，中國電子科技集團公司首席專家，研究員級高工，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)；

E-mail：caiaihua62@163.com

何建偉(1982—)，男，海南儋州人，工學博士，高級工程師，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)總體技術；

王鵬(1990—)，男，陜西富平人，碩士，助理工程師，主要研究方向為機載電子信息系統(tǒng)總體技術。

Experiment and Error Analysis of Path Planning for Sonobuoy Array Deployment

CAI Ai-hua, HE Jian-wei, WANG peng

(Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Abstract:An Experiment and error analysis of path planning for sonobuoy array deployment was presented to improve the precision of sonobuoy array deployment for airborne anti-submarine. A deploying path of sonobuoy square array was designed according to the precision demand of array deployment. On the basis of flight experimental data, the deploying error was analyzed, and then the optimal design was applied by adding the introductory way point. Influence of wind during the deployment was also analyzed theoretically. The experiment results indicated that with the rational design and error control, the precision of sonobuoy array deployment could improve.

Key words:airborne anti-submarine; sonobuoy array; deploying path; deploying error

作者簡介

中圖分類號：TP202.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5692(2016)01-021-05

基金項目：國家重大工程項目

收稿日期：2015-12-10

修訂日期：2016-01-10

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.004