艦載反潛直升機(jī)蛇形機(jī)動(dòng)前方護(hù)航搜索方法及其仿真

叢紅日，周海亮，陳鄧安

(海軍航空工程學(xué)院　a.指揮系; b.研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺(tái)　264001)

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艦載反潛直升機(jī)蛇形機(jī)動(dòng)前方護(hù)航搜索方法及其仿真

叢紅日a，周海亮b，陳鄧安a

(海軍航空工程學(xué)院a.指揮系;b.研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺(tái)264001)

摘要：使用艦載反潛直升機(jī)進(jìn)行護(hù)航反潛是保證航渡過程中的水面艦艇編隊(duì)對(duì)潛防御安全的重要方法。針對(duì)編隊(duì)前方護(hù)航反潛的實(shí)際需要和反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索的特點(diǎn)，提出了蛇形機(jī)動(dòng)前方護(hù)航搜索方法，建立了同步模型，提出了提高搜索效能的基本方法。通過建立仿真模型對(duì)蛇形機(jī)動(dòng)搜索方法的搜索效能進(jìn)行了仿真，得出了一些有益結(jié)論，為艦載反潛直升機(jī)護(hù)航反潛的作戰(zhàn)使用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：艦載反潛直升機(jī)；蛇形機(jī)動(dòng)搜索法；護(hù)航反潛；前方反潛防護(hù)；吊放聲納

本文引用格式：叢紅日，周海亮，陳鄧安.艦載反潛直升機(jī)蛇形機(jī)動(dòng)前方護(hù)航搜索方法及其仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):158-161.

Citationformat:CONGHong-ri,ZHOUHai-liang，CHENDeng-an.CarrierAntisubmarineHelicopterSnakelikeMoveSearchMethodWhenAnteriorConvoyAntisubmarineDefendingandItsSimulationStudy[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):158-161.

水面艦艇編隊(duì)在航渡過程中通常會(huì)受到敵潛艇的威脅，其中，來(lái)自編隊(duì)前方的敵潛艇威脅尤為嚴(yán)重[1]。艦載反潛直升機(jī)是為航渡中的水面艦艇編隊(duì)提供反潛防護(hù)的主要兵力[2]，為了有效應(yīng)對(duì)來(lái)自編隊(duì)前方的敵潛艇威脅，通常使用吊放聲納在編隊(duì)前方建立反潛巡邏線。

由于航渡中的水面艦艇編隊(duì)處于持續(xù)的運(yùn)動(dòng)過程中，為了在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)為水面艦艇編隊(duì)提供反潛防護(hù)，反潛巡邏線應(yīng)能與水面艦艇編隊(duì)同步運(yùn)動(dòng)[3]。本文結(jié)合吊放聲納作戰(zhàn)使用的特點(diǎn)和前方反潛防護(hù)的要求，提出蛇形機(jī)動(dòng)搜索方法并對(duì)其作戰(zhàn)效能進(jìn)行仿真，為部隊(duì)訓(xùn)練和作戰(zhàn)提供參考。

1　蛇形機(jī)動(dòng)前方防護(hù)搜索方法

1.1基本方法

蛇形機(jī)動(dòng)搜索法就是在水面艦艇編隊(duì)前方一定距離[4]，艦載反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行曲折運(yùn)動(dòng)搜索。由于搜索路徑類似蛇形，因此稱之為蛇形機(jī)動(dòng)搜索法。既可以單機(jī)組織實(shí)施，也可以雙機(jī)組織實(shí)施，如圖1所示。

圖1　蛇形機(jī)動(dòng)搜索法(雙機(jī))示意圖

蛇形機(jī)動(dòng)搜索法的關(guān)鍵是保證反潛直升機(jī)搜索過程與水面艦艇編隊(duì)保持同步。

1.2主要參數(shù)關(guān)系分析

蛇形機(jī)動(dòng)搜索具有明顯的周期性，取一個(gè)周期(該周期主要是為了進(jìn)行同步分析，稱為同步周期，以便與吊放聲納搜索時(shí)的探測(cè)周期相區(qū)別)為例進(jìn)行主要參數(shù)關(guān)系的分析。

圖2　蛇形機(jī)動(dòng)搜索周期分析圖

如圖2所示，設(shè)水面艦艇編隊(duì)的航速為V編，敵潛艇的航速為V潛，吊放聲納的有效探測(cè)距離為D測(cè)，每相鄰兩個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)之間的間距為d，搜索過程中每個(gè)直線搜索段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，巡邏搜索線的反潛防護(hù)寬度為上級(jí)要求我反潛直升機(jī)負(fù)責(zé)的防護(hù)寬度L敵，曲折運(yùn)動(dòng)的角度(相鄰兩個(gè)直線搜索段之間的夾角)為α，在一個(gè)直線搜索段內(nèi)的探測(cè)點(diǎn)數(shù)量為n，則在一個(gè)同步周期內(nèi)，探測(cè)點(diǎn)數(shù)量為2n-1。

從圖2可知：

(1)

(2)

艦載反潛直升機(jī)為航渡中的水面艦艇編隊(duì)提供前方反潛防護(hù)時(shí)，核心任務(wù)是搜潛，為編隊(duì)提供預(yù)警信息[5]，因此，最重要的效能指標(biāo)就是探測(cè)概率P，此外搜潛寬度也是一個(gè)重要指標(biāo)，越大，搜潛的范圍就越大。

影響P的因素有很多[6]，主要包括：吊放聲納的有效探測(cè)距離D測(cè)、每相鄰兩個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)之間的間距d、一個(gè)直線搜索段內(nèi)的探測(cè)點(diǎn)數(shù)量n、曲折運(yùn)動(dòng)的角度α、反潛直升機(jī)從一個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)飛向另一個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)的時(shí)間t巡，下放吊放聲納入水的時(shí)間t放，收起吊放聲納的時(shí)間t收，在懸停探測(cè)點(diǎn)探測(cè)的時(shí)間t測(cè)，反潛直升機(jī)飛行的速度V直，敵潛艇的航速V潛等。此外，裝備性能、機(jī)組訓(xùn)練水平以及作戰(zhàn)海區(qū)天氣狀況、水文環(huán)境等因素也會(huì)對(duì)P產(chǎn)生影響。

在具體搜索過程中，D測(cè)、t放、t收和V直通常是一定的，V潛通?？梢栽谝欢ǚ秶鷥?nèi)合理假定，而t測(cè)與d互相影響，因此，d、n、α是影響P的主要因素。

1.3保持同步的方法

在蛇形機(jī)動(dòng)搜索法中，采取了在與水面艦艇編隊(duì)航向成一定角度的直線上進(jìn)行曲折搜索的方式，使得反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行搜索時(shí)的平均搜索速度在編隊(duì)航向上的分量與編隊(duì)的航速相當(dāng)，從而保持與水面艦艇編隊(duì)同步運(yùn)動(dòng)。

為保持同步，必須對(duì)反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制[7]。如圖2所示，蛇形機(jī)動(dòng)搜索法的一個(gè)同步周期就是呈V字型的兩個(gè)直線搜索段的時(shí)間周期。

當(dāng)一個(gè)同步周期結(jié)束時(shí)，水面艦艇編隊(duì)的航行時(shí)間t編為

(3)

反潛直升機(jī)的搜索時(shí)間t直為

(4)

為了保持同步，在一個(gè)同步周期內(nèi)，兩者運(yùn)動(dòng)的時(shí)間應(yīng)相等，即

(5)

因此

(6)

式(6)中，V編、V直、t放、t收和D測(cè)在具體作戰(zhàn)過程中通常是一定的，因此影響同步的主要因素就取決于d、t測(cè)、α和n。

1.4滿足防護(hù)寬度要求的方法

在保持同步的同時(shí)，還需調(diào)整搜索過程中每個(gè)直線段的長(zhǎng)度L和曲折運(yùn)動(dòng)的角度α，從而使得反潛直升機(jī)在水面艦艇編隊(duì)正面搜索的寬度必須大于上級(jí)要求我反潛直升機(jī)所承擔(dān)的防護(hù)寬度，即

(7)

D寬越大，就能獲得更大的有效搜索寬度，從總體上有效降低敵潛艇的突防概率。

通過分析可知

(8)

D測(cè)在具體作戰(zhàn)時(shí)是一定的，所以d、n和α是決定搜索寬度能否大于上級(jí)要求我反潛直升機(jī)所承擔(dān)的防護(hù)寬度的主要因素。

2　仿真模型建立

2.1反潛直升機(jī)運(yùn)動(dòng)模型

1) 反潛直升機(jī)的位置表示

建立如圖3所示的平面直角坐標(biāo)系。

圖3　蛇形機(jī)動(dòng)搜索周期坐標(biāo)系

以蛇形機(jī)動(dòng)搜索法任意一個(gè)同步周期為例進(jìn)行分析。顯然，反潛直升機(jī)第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的位置為

(9)

根據(jù)周期性，可以遞推出第k個(gè)探測(cè)點(diǎn)的位置為

當(dāng)k∈[n+(2k1-1)(n-1)，n+2k1(n-1)]，k1=0，1，2,…時(shí)：

(10)

當(dāng)k∈[n+2k1(n-1)，n+(2k1+1)(n-1)]，k1=0，1，2,…時(shí)：

(11)

在蛇形機(jī)動(dòng)搜索法中，每一個(gè)同步周期都是2n-2個(gè)t直周期的重復(fù)，以一個(gè)周期的第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的起始時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)間，則一個(gè)同步周期的時(shí)間表示如圖4所示。

通過分析可知，在每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，探測(cè)周期結(jié)束的時(shí)刻tn為

(12)

圖4　蛇形機(jī)動(dòng)搜索時(shí)間軸

2.2敵潛艇運(yùn)動(dòng)模型

在前方反潛防護(hù)時(shí)，反潛直升機(jī)通過使用吊放聲納探測(cè)，在航母編隊(duì)前方一定距離上建立反潛巡邏線，并且與航母編隊(duì)保持同步運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)敵潛艇進(jìn)入到反潛直升機(jī)建立的反潛巡邏線搜索范圍時(shí)，反潛直升機(jī)才有可能搜索到敵潛艇。

設(shè)敵潛艇在任意時(shí)刻t的位置為(x潛t，y潛t)，則[8]

(13)

其中：V潛為敵潛艇航速；ε1、ε2為獨(dú)立的服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)，且：0≤ε1≤1，0≤ε2≤1。

2.3探測(cè)效果判別

反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行探測(cè)時(shí)，是否能探測(cè)到目標(biāo)，取決于能否滿足一定條件。即需要對(duì)探測(cè)效果進(jìn)行判別[9]。

由于各個(gè)同步周期的情況類似，因此，仿真時(shí)僅對(duì)一個(gè)同步周期進(jìn)行仿真即可。根據(jù)吊放聲納的工作原理，如果不考慮裝備可靠性、機(jī)組訓(xùn)練水平等因素的影響，則當(dāng)敵潛艇進(jìn)入到吊放聲納當(dāng)前懸停探測(cè)點(diǎn)的實(shí)際有效探測(cè)范圍(即敵潛艇與反潛直升機(jī)之間的水平距離小于D測(cè))，且處于吊放聲納有效工作時(shí)間內(nèi)，則認(rèn)為搜索到敵潛艇[10]。

3　仿真分析

根據(jù)以上模型，使用Matlab編寫仿真程序，在想定條件下對(duì)蛇形機(jī)動(dòng)前方防護(hù)搜索方法的搜索效能進(jìn)行仿真研究。

3.1仿真想定

我水面艦艇編隊(duì)航速v編為18kn。反潛直升機(jī)轉(zhuǎn)移探測(cè)點(diǎn)時(shí)的飛行速度v直為180km/h，吊放聲納有效探測(cè)距離D測(cè)為8km，在每個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)收、放吊放聲納的時(shí)間 t收、t放均為1min，在每個(gè)懸停探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聽測(cè)的時(shí)間 t測(cè)為5min，轉(zhuǎn)折角α為60°，每個(gè)直線搜索段上的懸停探測(cè)點(diǎn)數(shù)n為3個(gè)。

3.2仿真結(jié)果

為了對(duì)所提出的作戰(zhàn)使用方法進(jìn)行驗(yàn)證，并通過仿真得出一些有益結(jié)論，主要針對(duì)影響搜索效能的兩個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行仿真。一是反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行探測(cè)時(shí)相鄰兩探測(cè)點(diǎn)間距，取值在1～2倍的D測(cè)(根據(jù)仿真想定，在8～16km之間)；二是敵潛艇試圖突破我反潛巡邏線從而威脅我水面艦艇編隊(duì)安全時(shí)的航速，其取值設(shè)定為5～20kn。

使用仿真程序在想定條件下通過以上兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化，得出仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5　蛇形機(jī)動(dòng)搜索法仿真效果

3.3仿真結(jié)果分析

1) 所提出作戰(zhàn)使用方法的搜索概率較高

從仿真結(jié)果可以看出，本文所提出的蛇形機(jī)動(dòng)搜索方法有著較高的搜索概率。與文獻(xiàn)[8]等所提出的搜索方法相比，該搜索方法在某些條件下搜索概率更高，而且組織實(shí)施更為簡(jiǎn)便，是一種較好的搜索方法，可以為艦載反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行編隊(duì)前方反潛警戒搜索的作戰(zhàn)使用提供有益參考。

2) 探測(cè)點(diǎn)間距對(duì)搜索概率的影響

從圖5可以看出，探測(cè)點(diǎn)間距對(duì)以探測(cè)概率表示的搜索效能有重要影響，當(dāng)探測(cè)點(diǎn)間距為8km(即重疊系數(shù)為1)時(shí)，探測(cè)概率較高，最高時(shí)為0.89，最低時(shí)為0.72。由此可見，使用蛇形機(jī)動(dòng)搜索法時(shí)，當(dāng)懸停探測(cè)點(diǎn)間距大約為吊放聲納有效探測(cè)距離的1倍時(shí)，搜索效果最好。

3) 敵潛艇航速對(duì)搜索概率的影響

敵潛艇航速對(duì)搜潛效能也有重要影響，無(wú)論吊放聲納相鄰探測(cè)點(diǎn)間距為多少，總的趨勢(shì)是，敵潛艇航速越高，探測(cè)概率越低，因此，對(duì)于有可能高速突防的敵潛艇，需要建立更加嚴(yán)密的反潛防御體系。

4　結(jié)論

本文針對(duì)編隊(duì)前方護(hù)航反潛的實(shí)際需要和反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索的特點(diǎn)，研究提出了蛇形機(jī)動(dòng)前方護(hù)航搜索方法，有效解決了直升機(jī)反潛搜索與編隊(duì)運(yùn)動(dòng)之間的同步問題，并能夠提供較大的防護(hù)寬度。通過建立仿真模型，對(duì)所提出的蛇形機(jī)動(dòng)搜索方法的搜索效能進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了該作戰(zhàn)使用方法的有效性，并根據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的分析得出了一些有益結(jié)論，能為艦載反潛直升機(jī)護(hù)航反潛的作戰(zhàn)使用和訓(xùn)練提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳金平，楊必奉，劉國(guó)光.編隊(duì)護(hù)航HVU反潛威脅軸[J].火力與指揮控制，2010，35(12)：83-85.

[2]吳福初,石文星,劉衛(wèi)東.某型艦近程反潛防御區(qū)反潛直升機(jī)配置[J].指揮控制與仿真，2014，36(4)：68-71.

[3]叢紅日,肖明強(qiáng),陳鄧安.直升機(jī)反潛巡邏線與編隊(duì)之間同步問題研究[J].艦船電子工程，2011，31(8)：8-10.

[4]樸成日.航渡中反潛直升機(jī)的配置[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(3)：118-121.

[5]叢紅日，沈培志，王偉.直升機(jī)側(cè)翼法伴隨護(hù)航反潛作戰(zhàn)使用方法及其仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(3)：115-119.

[6]陳輝,鄭楊.反潛直升機(jī)吊放聲吶應(yīng)召搜潛效能建模與仿真分析[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013(6)：638-642.

[7]羅木生,姜青山,侯學(xué)隆.反潛直升機(jī)艦艇編隊(duì)尾后截?fù)魸撏ЫJ].電光與控制，2012，19(12)：6-13.

[8]叢紅日，李韜,肖明強(qiáng).反潛直升機(jī)平行跳躍護(hù)航搜索方法及其仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(2)：137-142.

[9]盛文平，王磊，王浩,等．反潛直升機(jī)吊放聲納應(yīng)召搜潛仿真研究[J]．指揮控制與仿真，2009，31(6)：84-88.

[10]吳芳，楊日杰，徐俊艷.對(duì)潛的吊放聲納應(yīng)召搜索技術(shù)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(13)：3989-3992.

(責(zé)任編輯楊繼森)

doi:【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】10.11809/scbgxb2016.06.037

收稿日期：2015-11-28；修回日期：2016-01-06

作者簡(jiǎn)介：叢紅日(1966—)，男，博士，副教授，主要從事航空反潛戰(zhàn)術(shù)、裝備管理研究。

中圖分類號(hào)：E843

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0158-04

CarrierAntisubmarineHelicopterSnakelikeMoveSearchMethodWhenAnteriorConvoyAntisubmarineDefendingandItsSimulationStudy

CONGHong-ria,ZHOUHai-liangb，CHENDeng-ana

(a.DepartmentofCommand;b.GraduateStudents’Brigade,NavalAeronauticalEngineeringInstitute,Yantai264001,China)

Abstract:Escort antisubmarine with shipborne antisubmarine helicopter is an important method to protect a surface ship formation in sail. According to the actual needs of preposing escort antisubmarine and the search method characteristics of antisubmarine helicopter when using dipping sonar, snakelike move search method was put forward, and its synchronization model was set up, and the basic methods to increase the search efficiency were put forward. On this basis, the simulation model was set up, and the searching effectiveness was studied with simulation method, and some useful results were deduced, which can offer foundation for the escort antisubmarine operating application of shipborne antisubmarine.

Key words:carrier antisubmarine helicopter; snakelike move search method; convoy antisubmarin; anterior antisubmarine defense; dipping sonar