被動定向浮標(biāo)探潛模型研究

戰(zhàn)和，楊日杰，金中原

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被動定向浮標(biāo)探潛模型研究

戰(zhàn)和1,2，楊日杰1，金中原1

(1. 海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001；2. 92074部隊，浙江寧波 315020)

反潛戰(zhàn)中，被動定向聲吶浮標(biāo)是一種主要的探潛手段，兩枚被動定向浮標(biāo)同時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即可對其進(jìn)行定位。研究了初始浮標(biāo)陣中僅有一枚浮標(biāo)能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)但不能實現(xiàn)定位的情況下，如何通過補(bǔ)投被動定向浮標(biāo)對目標(biāo)進(jìn)行定位的模型問題。根據(jù)水下目標(biāo)和反潛機(jī)的運(yùn)動特點，將實際中所有可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行了分類討論，建立了被動定向浮標(biāo)的補(bǔ)投模型。通過仿真分析了模型的探測效能，驗證了模型的正確性和可用性，為被動定向浮標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)使用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

航空反潛；被動定向浮標(biāo)；發(fā)現(xiàn)概率

0 引言

反潛戰(zhàn)中，航空搜、探潛發(fā)揮著重要的作用，反潛機(jī)扮演著水面艦艇編隊探路者和保衛(wèi)者的重要角色[1-2]。對于反潛機(jī)(尤其是固定翼反潛機(jī))而言，聲吶浮標(biāo)是對水下目標(biāo)進(jìn)行探測的一種主要手段。浮標(biāo)按聲吶工作方式分為主動浮標(biāo)和被動浮標(biāo)，按數(shù)據(jù)處理能力分為全向浮標(biāo)和定向浮標(biāo)，兩者均為全向監(jiān)聽，其中被動定向浮標(biāo)能夠?qū)Πl(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行定向，因此，兩枚同時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即可進(jìn)行定位[3-4]。本文的研究內(nèi)容即是在原始浮標(biāo)陣中僅有一枚被動定向浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，反潛直升機(jī)如何進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)投及補(bǔ)投后浮標(biāo)的探測效率問題。

1 問題描述

假設(shè)布設(shè)的原始浮標(biāo)陣為圓形陣[5]，圓陣半徑為，其中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的浮標(biāo)編號定義為1，坐標(biāo)為(，)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方位（與正東方向的夾角）為，反潛機(jī)坐標(biāo)為(，)，反潛機(jī)航速為。由于被動浮標(biāo)的隱蔽性能非常好，潛艇不會發(fā)現(xiàn)威脅而采取規(guī)避措施，故可以假設(shè)其航速不變，記為。浮標(biāo)探測半徑由被動聲吶方程=1－++確定，其中被動聲源級1與潛艇航速有關(guān)，且滿足

式中：為噸位，單位t；為頻率，單位kHz[6]。態(tài)勢如圖1所示。為統(tǒng)一編號和明確物理意義，將后續(xù)補(bǔ)投的浮標(biāo)記為2、3、…，對應(yīng)的坐標(biāo)記為(2，2)，(，)，…；反潛機(jī)在布放2過程中1能發(fā)現(xiàn)潛艇的最后方位角記為；反潛機(jī)到達(dá)投放點時目標(biāo)活動范圍的半徑記為。

2 被動定向浮標(biāo)補(bǔ)投模型

2.1 潛艇尚未逃出浮標(biāo)1的探測范圍

2.2 潛艇已逃出浮標(biāo)1的探測范圍

2.2.1 浮標(biāo)2發(fā)現(xiàn)潛艇

2.2.2 浮標(biāo)2未發(fā)現(xiàn)潛艇

投放完3、4、5號浮標(biāo)后，應(yīng)持續(xù)監(jiān)聽，若其中有兩枚能夠發(fā)現(xiàn)潛艇則可以對其進(jìn)行定位，若其中只有一枚能夠發(fā)現(xiàn)潛艇，則可按2.1節(jié)的方法補(bǔ)投一枚浮標(biāo)，若仍無法發(fā)現(xiàn)，則認(rèn)為潛艇已逃逸。

3 效能分析

3.1 發(fā)現(xiàn)概率隨初始距離的變化關(guān)系

假設(shè)潛艇航速為10 kn，當(dāng)初始距離在25~50 km變化時，被動定向浮標(biāo)補(bǔ)投模型的發(fā)現(xiàn)概率變化情況如圖5所示。

由圖5可見，發(fā)現(xiàn)概率隨初始距離的增大而減小。當(dāng)初始距離小于30 km時，此時直升機(jī)的監(jiān)聽位置距浮標(biāo)較近，前往補(bǔ)投位置的時間較短，潛艇在該時間段內(nèi)的活動半徑較小，補(bǔ)投的浮標(biāo)能夠完全覆蓋潛艇的活動區(qū)域，發(fā)現(xiàn)概率為100%。當(dāng)初始距離達(dá)到監(jiān)聽距離極限的50 km時，直升機(jī)前往補(bǔ)投位置的時間較長，潛艇活動半徑較大，可能存在的位置較分散，發(fā)現(xiàn)概率下降至57%。

3.2 發(fā)現(xiàn)概率隨潛艇航速的變化關(guān)系

假設(shè)初始距離為35 km，當(dāng)潛艇航速在6~16 kn變化時，被動定向浮標(biāo)補(bǔ)投模型的發(fā)現(xiàn)概率變化情況如圖6所示。

由圖6可見，圖像大致呈現(xiàn)為“V”字型，當(dāng)潛艇航速低于12 kn時，發(fā)現(xiàn)概率隨航速增大而減小，這是因為在直升機(jī)執(zhí)行補(bǔ)投階段低航速潛艇的活動半徑較小，被浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)的概率則相對較大。特別是當(dāng)潛艇航速小于8 kn時，潛艇所有可能活動的區(qū)域均被按補(bǔ)投模型投放的浮標(biāo)所覆蓋，發(fā)現(xiàn)概率為100%。當(dāng)潛艇航速大于12 kn以后，輻射噪聲有所增加，使浮標(biāo)探測距離有明顯增大，發(fā)現(xiàn)概率也隨之增大，到16 kn時已可達(dá)97%。

3.3 發(fā)現(xiàn)潛艇的浮標(biāo)對分析

在以上的仿真分析中，所有成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況都是由至少一對浮標(biāo)完成的，下面在成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的案例中分析各浮標(biāo)對的表現(xiàn)情況，結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)論

在航空反潛作戰(zhàn)中，使用聲吶浮標(biāo)對潛艇進(jìn)行探測和定位是一種主要手段。本文研究了初始浮標(biāo)陣中已有一枚能夠探測到潛艇的情況下后續(xù)浮標(biāo)的補(bǔ)投問題，建立了補(bǔ)投模型，該模型確定了各枚補(bǔ)投浮標(biāo)的補(bǔ)投位置和補(bǔ)投順序，并使用蒙特卡洛方法仿真分析了在多種初始距離和潛艇航速條件下模型的探潛效能，分析了由補(bǔ)投浮標(biāo)兩兩組成的浮標(biāo)對在所有發(fā)現(xiàn)情況中的發(fā)現(xiàn)比重，驗證了模型的可用性，為被動定向浮標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)使用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

[1] 羅銳. 反潛巡邏機(jī)技術(shù)的發(fā)展動向與分析[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(10): 14-17.

LUO Ri. Development Trend and Analysis of the Anti-submarine Patrol Aircraft Technique[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(10): 14-17.

[2] 劉軍偉, 陳超, 杜正軍. 應(yīng)召搜潛中直升機(jī)六邊形搜索方法[J]. 火力與指揮控制, 2011, 36(11): 11-13.

CHEN Junwei, CHEN Chao, DU Zhengjun. Research on hexagonal serching method in answering the call to anti_submarine[J]. Fire Control & Command Control, 2011, 36(11): 11-13.

[3] 劉海波, 馬建毅. 反潛機(jī)技術(shù)的裝備與發(fā)展[J]. 艦船電子工程, 2015, 35(2): 17-21.

LIU Haibo, MA Jianyi. Equipment technique and development of the antisubmarine aircraft technique[J]. Ship Electronic Engineering, 2015, 35(2): 17-21.

[4] 劉波. 反潛直升機(jī)裝備技術(shù)與發(fā)展[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(11):16-18.

LIU Bo. Equipment technique and development of the anti- submarine helicopter[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(11): 16-18.

[5] 謝振華, 李林, 程江濤. 圓形浮標(biāo)陣搜潛效能評估研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(12): 168-170.

XIE Zhenhua, LI Lin, CHENG Jiangtao. Evalution of circinal sonobuoy array on the efficiency of searching submarine[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(12):168-170.

[6] 李啟虎. 聲吶信號處理引論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[7] De Groot M H, Optimal Statistical Decisions[M]. New York: McGraw-Hill, 1997.

[8] Grundel D A. Searching for a moving target: Optimal path planning[C]//Networking, Sensing and Control, 2005. Proceedings. 2005 IEEE. 2005: 867-872.

[9] 孫國振, 董真杰, 連麗婷. 多浮標(biāo)定位系統(tǒng)最優(yōu)布站分析[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2013, 32(6): 477-480.

SUN Guozhen, DONG Zhenjie, LIAN Liting. Optimal station arrangement of multi-buoy positioning system[J]. Technical Acoustics, 2013, 32(6): 477-480.

Research on detection model of passive directional buoys

ZHAN He1,2, YANG Ri-jie1, JIN Zhong-yuan1

(1. Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001, Shandong,China; 2.Unit 92074, Ningbo315020, Zhejiang,China)

In Anti-Submarine Warfare, passive directional sonar buoy is a main method to detect submarine. When two directional buoys have detected the same underwater target at the same time, its position could be fixed. A model about how to lay the supplementary passive directional buoys is researched to fix the position of underwater target in the condition that one and only one directional buoy in the original array has affirmed the existence of underwater target, but could not fix its position. According to the motion features of both underwater target and antisubmarine aircraft, supplementary dropping model of passive directional buoy is established in consideration that all possible situations may occur in practice. By simulation, the detection efficiency of the model is analyzed and the applicability is proved. All of these providea theoretical foundation for tactical uses of passive directional buoys.

aviation antisubmarine; passive directional buoy; detection probability

E273.3

A

1000-3630(2016)-02-0125-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.008

2015-10-10;

2016-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271444)

戰(zhàn)和(1984－), 男, 山東龍口人, 博士研究生, 研究方向為水聲工程與航空反潛。

戰(zhàn)和, E-mail: zhanhe@foxmail.com