艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索*

尹成義,譚安勝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連　116018)

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艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索*

尹成義,譚安勝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018)

針對艦載預(yù)警直升機對海搜索存在的問題,以提高艦載預(yù)警直升機對海搜索的隱蔽性與安全性為目標,結(jié)合艦載無人機被動探測區(qū)的特點,提出了艦載預(yù)警直升機機載雷達斷續(xù)主動搜索與艦載無人機“Z”字形航線被動搜索相結(jié)合的協(xié)同對海搜索方式與策略,并給出了艦載預(yù)警直升機斷續(xù)搜索周期計算模型及艦載無人機“Z”字形航線要素計算模型,通過仿真計算,驗證了該協(xié)同方式的有效性,為艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索提供了方法和依據(jù)。

艦載預(yù)警直升機;艦載無人機;協(xié)同對海搜索

隨著艦載反艦導(dǎo)彈射程的不斷增加,水面艦艇編隊進行遠程對海攻擊時,對超視距目標指示提出了更高的要求[1-2]。超視距目標指示可由作戰(zhàn)體系(如衛(wèi)星、預(yù)警機)、艦載預(yù)警直升機或水面艦艇等擔任。其中,艦載預(yù)警直升機具有對海探測距離遠,搜索范圍廣的優(yōu)勢,又可伴隨水面艦艇作戰(zhàn),組織協(xié)同較為簡單,是水面艦艇編隊進行對海遠程搜索的重要兵力[3-4]。但艦載預(yù)警直升機對海搜索時需使用主動雷達,易暴露自身甚至編隊的位置,從而可能遭到敵水面艦艇遠程艦空導(dǎo)彈的攻擊或?qū)е戮庩犗萦诒粍?。因?單一使用艦載預(yù)警直升機進行偵察引導(dǎo),存在一定不足,有時效果并不理想。

現(xiàn)在,水面艦艇已經(jīng)開始裝備艦載無人機,艦載無人機具有續(xù)航時間長的優(yōu)勢,同時可掛載電子偵察載荷對輻射源目標進行測向和定位[5],從而可長時間對目標區(qū)進行監(jiān)視,又可較好地隱蔽自己,可有效彌補艦載預(yù)警直升機對海搜索的不足,對目標海區(qū)進行預(yù)先搜索。但艦載無人機雖可發(fā)現(xiàn)輻射源,但單機機動定位誤差相對較大、機動定位時間相對較長,難以滿足超視距目標指示的精度要求,同時敵艦載雷達可能采用斷續(xù)式工作方式,大大增加了被動定位的難度[6]。而且,艦載無人機探測到的輻射源還極有可能是敵雷達哨艦或艦載直升機,只對其定位難以掌握敵編隊的實際情況,因此也難以實施有效攻擊。

為此,可使用艦載無人機和艦載預(yù)警直升機進行協(xié)同對海搜索,從而充分發(fā)揮艦載無人機被動探測與艦載預(yù)警直升機主動探測的優(yōu)勢,克服各自的不足。

1　協(xié)同對海搜索方式與策略

為盡量降低搜索過程中敵艦對艦載預(yù)警直升機的威脅,艦載預(yù)警直升機應(yīng)盡量減少搜索過程中的電磁輻射暴露時間和高空飛行時間,以降低被敵發(fā)現(xiàn)的概率?？紤]到艦載預(yù)警直升機對水面目標發(fā)現(xiàn)距離相對較遠、發(fā)現(xiàn)概率較高[7],且水面目標運動速度相對較慢,艦載預(yù)警直升機可采用斷續(xù)方式進行搜索,即采用低空飛行、高空搜索相結(jié)合,機載雷達斷續(xù)工作的方式,這樣可大大減少機載雷達開機時間和艦載預(yù)警直升機暴露時間。但艦載預(yù)警直升機雷達靜默時,在降低敵發(fā)現(xiàn)概率的同時,也導(dǎo)致自身無法探測目標。同時,由于多數(shù)艦載預(yù)警直升機未配備雷達偵察儀[4],艦載預(yù)警直升機無論是處于低空飛行、雷達靜默時,還是處于高空飛行、雷達開機時,對敵編隊的探測威脅均無法感知,高空搜索時,仍存在被敵編隊殺傷的風險。

艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索,可較好彌補艦載預(yù)警直升機無法感知敵探測威脅的不足,為艦載預(yù)警直升機提供威脅警告。而為達到最佳的協(xié)同效果,一是要保證艦載無人機被動探測能對搜索區(qū)進行充分覆蓋,以便及時發(fā)現(xiàn)輻射源信號,為艦載預(yù)警直升機機載雷達適時開機提供依據(jù);二是要保證艦載無人機能為艦載預(yù)警直升機提供及時的告警信息,以便艦載預(yù)警直升機采取相應(yīng)規(guī)避措施。由于目前裝備的艦載無人機掛載的雷達偵察載荷的探測范圍為機身兩側(cè)左右各90°[6],在其飛行方向的前后方存在較大的探測盲區(qū)。且艦載無人機的巡航速度相對其探測范圍較慢,為實現(xiàn)短時間對特定范圍搜索區(qū)的探測覆蓋,艦載無人機可采用近似“Z” 字形飛行航線,且保持航向改變量為90°,如圖1折線ABCDE所示。通過改變艦載無人機飛行航向可改變探測區(qū)域,填補搜索盲區(qū),從而達到對搜索區(qū)的快速有效覆蓋。

圖1　艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索示意圖

為能給艦載預(yù)警直升機提供及時的水面威脅告警信息,艦載無人機應(yīng)先于艦載預(yù)警直升機到達目標搜索區(qū)進行預(yù)先探測。在圖1中,艦載無人機完成AB段航線,轉(zhuǎn)入BC段航線一定時間(保證能完成雷達信號的接收、分析與判斷)后,即完成對搜索區(qū)一側(cè)的威脅信號的探測。若未發(fā)現(xiàn)敵探測威脅,則艦載預(yù)警直升機可適時爬升高度并開啟機載雷達進行搜索,若開機一定時間未發(fā)現(xiàn)目標,則艦載預(yù)警直升機可關(guān)閉機載雷達,并根據(jù)情況選擇降低飛行高度低空飛行或按搜索高度飛行。同理,當艦載無人機完成BC段航線,轉(zhuǎn)入CD段航線一定時間后,若未發(fā)現(xiàn)敵探測威脅,則艦載預(yù)警直升機可進行下一次開機搜索,以此類推。根據(jù)艦載預(yù)警直升機與艦載無人機協(xié)同對海搜索的過程分析可知,為達成這種協(xié)同的最佳效果,應(yīng)著重解決艦載預(yù)警直升機斷續(xù)搜索周期的確定與艦載無人機協(xié)同機動航線優(yōu)化兩個主要問題。

2　艦載預(yù)警直升機斷續(xù)搜索周期計算模型

艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索時,為盡量減少電磁輻射暴露時間,艦載預(yù)警直升機應(yīng)采用斷續(xù)搜索方式。為此,首先應(yīng)確定艦載預(yù)警直升機斷續(xù)搜索周期。所謂斷續(xù)搜索周期是指艦載預(yù)警直升機兩次雷達開機之間的時間間隔,其包括機載雷達開機搜索時間和雷達關(guān)機靜默時間兩部分。通過合理分配和優(yōu)化這兩部分時間,可在滿足艦載預(yù)警直升機安全及保證機載雷達有效覆蓋的前提下,使機載雷達開機次數(shù)盡可能少，從而最大限度減少開機時間。

設(shè)艦載預(yù)警直升機對海搜索半徑為rc,首次開機時距搜索區(qū)一側(cè)的距離為安全距離dD,每次雷達開機搜索持續(xù)時間為tyj,則艦載預(yù)警直升機完成一次開機搜索后,探測到搜索區(qū)內(nèi)的最大縱深Dzs為

Dzs=rc+VEtyj-dD

(1)

此時艦載預(yù)警直升機距搜索區(qū)一側(cè)的距離為dD-VEtyj,假設(shè)敵編隊剛好位于首次搜索結(jié)束時機載雷達探測的邊緣,且其剛好位于艦載預(yù)警直升機的航線下方,則此時艦載預(yù)警直升機與敵編隊的距離Ddw為

Ddw=dD-VEtyj+Dzs

(2)

若敵編隊與艦載預(yù)警直升機相向而行,最大運動速度為Vm,當艦載預(yù)警直升機雷達靜默飛行時間為tjm時,則艦載預(yù)警直升機向前飛行了VEtjm,敵編隊最多航行了Vmtjm,當艦載預(yù)警直升機二次開機時,為保證其與敵編隊的距離仍不小于安全距離,應(yīng)滿足：

Ddw-VEtjm-Vmtjm≥dD

(3)

綜合式(1)—(3)可得艦載預(yù)警直升機每次雷達靜默飛行時間tjm應(yīng)滿足：

(4)

式(4)中,tjmax稱為最大雷達靜默飛行時間。若艦載預(yù)警直升機的雷達靜默飛行時間超過該值,則當艦載預(yù)警直升機再次開機搜索時,可能已進入敵編隊艦空導(dǎo)彈射程之內(nèi)。

若艦載預(yù)警直升機的搜索航線長度為Syj(該值主要由艦載預(yù)警直升機的續(xù)航時間和目標分布區(qū)的長度綜合確定),則覆蓋整個搜索區(qū)的最小開機次數(shù)Nkj為

(5)

若艦載預(yù)警直升機每個搜索周期都相同,則最小開機次數(shù)下對應(yīng)的搜索周期為

(6)

式(6)為達成對搜索區(qū)覆蓋的最小開機次數(shù),實際搜索時,開機次數(shù)不能小于該值,但可適當增加開機次數(shù)。開機次數(shù)的增加可提高預(yù)警直升機發(fā)現(xiàn)目標的概率,但也增加了暴露的風險,因此,應(yīng)酌情選擇。

3　艦載無人機協(xié)同機動航線優(yōu)化模型

確定了艦載預(yù)警直升機的斷續(xù)搜索周期后,還要確定如何與艦載無人機協(xié)同。即通過優(yōu)化艦載無人機的陣位配置、飛行航線和協(xié)同機動方式,使艦載無人機的被動探測與預(yù)警直升機的主動探測實現(xiàn)最佳結(jié)合。艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索時,艦載預(yù)警直升機是搜索的主要力量,而艦載無人機是艦載預(yù)警直升機的補充力量。因此,二者對海搜索時應(yīng)以艦載預(yù)警直升機為核心展開,其搜索過程應(yīng)選擇最有利于艦載預(yù)警直升機發(fā)現(xiàn)目標和保證自身安全的航線和方式,艦載無人機的陣位配置應(yīng)以保障艦載預(yù)警直升機搜索為中心展開。

為提高對海搜索效率,艦載預(yù)警直升機對海搜索時最有利的航線通常為直線[8]。而為保證對目標區(qū)的覆蓋效率,艦載無人機的航線以“Z” 字形時為佳。因此,為實現(xiàn)艦載預(yù)警直升機的斷續(xù)主動探測與艦載無人機連續(xù)被動探測的最佳結(jié)合,應(yīng)保證艦載無人機與艦載預(yù)警直升機的搜索航線與飛行速度的有效配合。由于目前艦載無人機被動探測距離與艦載預(yù)警直升機對大中型水面艦船目標的探測距離大致相同,因此,應(yīng)使艦載預(yù)警直升機與艦載無人機的探測區(qū)盡量重合,以實現(xiàn)主被動探測的相互支援。為此,艦載無人機的主航線應(yīng)與預(yù)警直升機的航線基本重合,并使艦載預(yù)警直升機的位置落后于艦載無人機,使二者保持一定距離,這樣即可保證艦載無人機能進行預(yù)先探測,也可避免二者在航線交叉和高度變換時發(fā)生飛行碰撞。

當艦載無人機采用“Z” 字形航線搜索時,為實現(xiàn)主航線與艦載預(yù)警直升機的搜索航線相重合,同時便于實際操作,可使艦載無人機的航線一部分與艦載預(yù)警直升機的航線平行(稱為平行段),一部分航線與艦載預(yù)警直升機的航線垂直(稱為垂直段),且使艦載無人機“平行段”航線到艦載預(yù)警直升機航線的垂直距離為艦載無人機“垂直段”航線長度的一半,如圖1所示。

為實現(xiàn)二者速度的配合,其基本要求就是使艦載無人機完成一次“平行段”+“垂直段”航線的飛行時間應(yīng)與艦載預(yù)警直升機一個斷續(xù)搜索周期相一致。為此,設(shè)艦載無人機的搜索時的飛行速度為Vu,艦載無人機平行段長度為|BC|,垂直段長為|AB|,應(yīng)有

(|AB|+|BC|)/Vu=Ts

(7)

為保證艦載無人機總能先于艦載預(yù)警直升機對目標分布區(qū)進行預(yù)先搜索,除安排艦載無人機先于艦載預(yù)警直升機到達目標搜索區(qū)進行探測外,還應(yīng)保持艦載預(yù)警直升機與艦載無人機的相對位置基本不變?？紤]到艦載無人機在垂直段飛行時,其在主航線上的移動距離為0,因此,應(yīng)使艦載無人機水平段的距離與艦載預(yù)警直升機一個搜索周期的飛行距離相等,則有

(8)

艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索時,由于艦載無人機采用“Z” 字形航線搜索,因此為保證二者協(xié)同搜索時,在不同搜索周期相對位置的穩(wěn)定性,艦載無人機搜索時的速度應(yīng)大于艦載預(yù)警直升機搜索時的速度。

4　仿真計算與分析

仿真目的:分析在不同情況下艦載預(yù)警直升機采用斷續(xù)搜索所需的搜索次數(shù)以及艦載無人機采用“Z” 字形航線的基本參數(shù)。

仿真條件:設(shè)艦載預(yù)警直升機對海探測距離為260km,搜索速度50km/h～90km/h,機載雷達開機搜索時間3min,敵編隊最大運動速度30kn,對艦載預(yù)警直升機的威脅距離分別為120km和160km,艦載無人機的飛行速度為100km/h,對不同搜索航線下相關(guān)參數(shù)進行仿真計算,結(jié)果見表1和表2。

表1　艦載預(yù)警直升機與艦載無人機協(xié)同對海搜索參數(shù)表(威脅距離120km)

表2　艦載預(yù)警直升機與艦載無人機協(xié)同對海搜索參數(shù)表(威脅距離160km)

由表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出:

1)當艦載預(yù)警直升機對海探測距離不變時,其最大靜默飛行時間與搜索航線長度無關(guān),而與搜索速度和敵威脅距離有關(guān),搜索速度越快,最大靜默飛行時間越短,威脅距離越大,最大靜默飛行時間越短;

2)當艦載預(yù)警直升機對海探測距離不變時,其斷續(xù)搜索的搜索次數(shù)與搜索航線長度、搜索速度和敵威脅距離有關(guān)。搜索航線長度越長,搜索次數(shù)越多;航速越快,搜索次數(shù)越少;威脅距離越大,搜索次數(shù)越多;

3)當艦載無人機飛行速度不變時,艦載無人機采用“Z”字形航線其平行段長度只與艦載預(yù)警直升機搜索航線長度和搜索次數(shù)有關(guān),而垂直段長度還與艦載預(yù)警直升機的搜索速度有關(guān),搜索速度越快,垂直航線長度越短。

通過仿真計算可以看出,采用斷續(xù)搜索時,在不降低發(fā)現(xiàn)目標概率的情況下,艦載預(yù)警直升機在一次搜索過程中機載雷達平均只需開機3～4次,若每次開機時間3～5分鐘,則累計開機時間只有10～20分鐘。而連續(xù)開機搜索則需1.5～2小時,減少了80%以上的開機時間,因此可大大降低被敵被動探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的可能。

5　結(jié)束語

本文針對目前艦載預(yù)警直升機對海搜索存在的隱蔽性與安全性的不足,提出了艦載預(yù)警直升機與掛載電子偵察載荷的艦載無人機協(xié)同對海搜索方式,并給出了艦載預(yù)警直升機斷續(xù)搜索方法和艦載無人機的協(xié)同機動方法,為提高協(xié)同使用效果提供了參考。

艦載無人機與艦載預(yù)警直升機協(xié)同對海搜索,可結(jié)合艦載預(yù)警直升機主動探測與艦載無人機被動探測的優(yōu)勢,彌補各自的不足,即可提高水面艦艇編隊對海上目標的搜索效率,又可顯著增強艦載預(yù)警直升機的安全性。

[1]萬淳.水面艦艇戰(zhàn)術(shù)[M].南京：海軍指揮學(xué)院,2010.

[2]譚安勝.水面艦艇編隊作戰(zhàn)運籌分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.

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[4]譚安勝,郭江龍,尹成義.艦載預(yù)警直升機機載雷達有效探測距離模型[J].指揮控制與仿真,2014，36(4): 56-59.

[5]胡錚濤,譚安勝.艦載無人機系統(tǒng)在海戰(zhàn)場的運用及發(fā)展[J].海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報,2009(4):15-19.

[6]朱青松,譚安勝,王新為,等.艦載無人機雙機無源定位機理與戰(zhàn)術(shù)運用分析[J]. 電光與控制, 2015,22(8):23-28.

[7]譚安勝,郭江龍,尹成義.艦載預(yù)警直升機機載雷達發(fā)現(xiàn)概率與建航概率模型研究[J].指揮控制與仿真,2014，36(3): 44-46.

[8]譚安勝,尹成義,郭江龍.艦載預(yù)警直升機線式搜索模型[J].指揮控制與仿真,2014，36(5): 32-34.

Collaborative Sea Searching by Shipborne Early-Warning Helicopter and UAV

YIN Cheng-yi, TAN An-sheng

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Aiming at the problem of early-warning helicopter sea searching, on the target of improving the concealment and safety of UVA and early-warning helicopters coordinating sea searching, combining the characteristics of UVA’s passive detection zone, the synergistic sea searching method and tactics of combining the shipboard early-warning helicopters’ radar intermittent active searching and UVA “Z” route passive searching ars proposed, the cycle calculation model of shipboard early-warning/anti-submarine helicopters’ radar intermittent active searching and the element calculation model of UVA “Z” route are offered. Through simulation calculation, the synergistic effectiveness is verified, which provides the method and references to UVA and shipboard early-warning/anti-submarine helicopters synergistic sea searching.

shipborne early-warning helicopter; shipborne UAV; collaborative sea searching

1673-3819(2016)04-0028-04

2016-01-11

2016-04-12

全軍軍事類研究生資助課題(2013JY446)

尹成義(1977-),男,遼寧鐵嶺人,博士研究生,講師,研究方向為作戰(zhàn)指揮、水面艦艇編隊作戰(zhàn)運籌分析。

譚安勝(1963-),男,教授,博士生導(dǎo)師。

E926.3

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.006