爆炸輔助的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)及戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用

王建國(guó)，鄂群，姚科明，門金柱，萬(wàn)新龍

(大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連　116018)

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爆炸輔助的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)及戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用

王建國(guó)，鄂群，姚科明，門金柱，萬(wàn)新龍

(大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連116018)

根據(jù)遠(yuǎn)程反潛作戰(zhàn)的需求，提出了一種以爆炸輔助的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)想：該系統(tǒng)以小當(dāng)量TNT爆炸產(chǎn)生的沖擊波為聲源，采用異地收發(fā)的方式，根據(jù)水聽(tīng)器接收到的直波和反射波的時(shí)刻，可對(duì)潛艇進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)定位。在分析系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的組成、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用進(jìn)行了討論，并總結(jié)了該系統(tǒng)的特點(diǎn)及其探測(cè)性能。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，搜索效率高，組織兵力簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可為編隊(duì)遠(yuǎn)程反潛體系的建設(shè)提供參考。

海軍戰(zhàn)術(shù)學(xué)；遠(yuǎn)程反潛；爆炸輔助；異地收發(fā)；預(yù)警系統(tǒng)；戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用

0　引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力日益增強(qiáng)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的安全利益已遍及全球。海軍除需要加強(qiáng)對(duì)空中、水面力量的建設(shè)之外，還必須對(duì)獨(dú)具海軍特色的水下作戰(zhàn)力量加強(qiáng)建設(shè)。重要海區(qū)與基地防御作戰(zhàn)等對(duì)遠(yuǎn)距離水下核動(dòng)力攻擊性潛艇、常規(guī)動(dòng)力潛艇威脅的預(yù)警探測(cè)定位是現(xiàn)代反潛戰(zhàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，也是海軍當(dāng)前裝備發(fā)展中的一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)[1]。限于技術(shù)條件的限制，目前國(guó)內(nèi)外海軍的水下探測(cè)設(shè)備[2]，主動(dòng)聲吶作用距離在10 n mile左右，被動(dòng)聲吶作用距離可達(dá)主動(dòng)聲吶的2～3倍，但受海洋水聲環(huán)境影響[3]，其可靠性(發(fā)現(xiàn)目標(biāo))不穩(wěn)定。采用反潛巡邏機(jī)、反潛直升機(jī)可以提供遠(yuǎn)距離水下探測(cè)，但需要相當(dāng)數(shù)量的飛機(jī)和聲吶浮標(biāo)，用比較長(zhǎng)的作戰(zhàn)時(shí)間，因?yàn)榈醴怕晠群吐晠雀?biāo)水聽(tīng)器作用距離較小[4-5]。被動(dòng)探測(cè)時(shí)，還受敵潛艇輻射噪聲功率的影響。對(duì)于核動(dòng)力潛艇和超靜型常規(guī)動(dòng)力潛艇，艦載聲吶、吊放聲吶和聲吶浮標(biāo)的作用距離，均無(wú)法提供先敵發(fā)現(xiàn)的可能。即使有了大射程反潛武器，由于缺乏對(duì)遠(yuǎn)距離水下潛艇的有效探測(cè)定位手段，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離敵潛艇的精確打擊[6]。爆炸輔助的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)，有望提供對(duì)水下遠(yuǎn)距離潛艇的可靠有效的探測(cè)定位信息，為對(duì)敵水下遠(yuǎn)程潛艇的精確打擊提供及時(shí)可靠的保障，同時(shí)，可對(duì)敵潛艇產(chǎn)生震懾作用。

1　遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)原理

理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，水聲探測(cè)器是對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)的有效工具，現(xiàn)實(shí)的探測(cè)方法是基于主動(dòng)或被動(dòng)方式工作的聲吶設(shè)備[2，5]。遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)以小當(dāng)量炸藥爆炸裝置為聲源，利用水聽(tīng)器被動(dòng)接收方式組成相當(dāng)于異地收發(fā)功能的水聲探測(cè)系統(tǒng)。相對(duì)于常規(guī)水下聲吶產(chǎn)生的聲波，小當(dāng)量炸藥爆炸產(chǎn)生的聲波具有以下特點(diǎn)[7]：一是爆炸產(chǎn)生的聲波能量大；二是爆炸產(chǎn)生的聲波能量大小可控；三是爆炸產(chǎn)生的能量包含的頻譜范圍廣。但是，同時(shí)由于爆炸持續(xù)時(shí)間有限，因此，遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)對(duì)潛探測(cè)預(yù)警是間斷式的，而不是連續(xù)式的。遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)爆炸產(chǎn)生的聲波通過(guò)2條路徑被水聽(tīng)器探測(cè)到：一條路徑是由爆炸點(diǎn)D直接傳到水聽(tīng)器A(水面艦艇)的直波，另一條是由爆炸點(diǎn)D經(jīng)目標(biāo)潛艇M反射后再傳到水聽(tīng)器A的反射波，如圖1所示。水聽(tīng)器根據(jù)接收到直波和發(fā)射波的時(shí)間，根據(jù)聲吶方程[5]和解析幾何二次曲線的特性，可知M點(diǎn)位于以A，D為2焦點(diǎn)的橢圓上。

圖1　爆炸點(diǎn)聲波傳播示意圖Fig.1　Acoustic propagation of explosion point

同理，如果再增加1個(gè)水聽(tīng)器B或2個(gè)水聽(tīng)器B，C(可為水面艦艇，也可為艦載直升機(jī)的吊放聲吶或布放的聲吶浮標(biāo))，可組成兩站式定位系統(tǒng)(圖2)或三站式水聽(tīng)器(圖3)所示，這里以兩站式水聽(tīng)器為例說(shuō)明定位原理。利用M到達(dá)A，B的時(shí)間特性，可以計(jì)算出DM+MA；DM+MB；MA-MB，根據(jù)解析幾何二次曲線的特性，目標(biāo)M點(diǎn)應(yīng)分布在以下3條軌跡曲線上：

(1) 以D，A2點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓，橢圓上任一點(diǎn)M至A，D2點(diǎn)的距離和為DM+MA；

(2) 以D，B2點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓，橢圓上任一點(diǎn)M至B，D2點(diǎn)的距離和為DM+MB；

(3) 以A，B2點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線，雙曲線上任一點(diǎn)M至A，B2點(diǎn)的距離和為MA-MB。

圖2　兩站式定位原理示意圖Fig.2　Principle of two-station positioning

求解以上3條曲線的公共交點(diǎn)就是M點(diǎn)的唯一解，由此可得目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

圖3　三站式定位原理示意圖Fig.3　Principle of three-station positioning

由于在相同誤差情況下，圓交匯的定位精度要高于雙曲線[8]。因此在選擇定位方法時(shí)，可優(yōu)先選用橢圓交叉定位方法， 雙曲線定位方法可作為輔助方法。在兩站式定位系統(tǒng)中，由于只能確定2個(gè)橢圓((1)，(2)所述)，而2個(gè)橢圓的交點(diǎn)可能有多個(gè)(2個(gè)、4個(gè))，可以通過(guò)海區(qū)實(shí)際情況或增加一條雙曲線((3)所述)來(lái)進(jìn)一步確定潛艇位置。同時(shí)也可通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整爆炸點(diǎn)D或水聽(tīng)器A，B的位置，再次進(jìn)行探測(cè)，增加遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度和能力。

2　遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)定位原理，以兩站式爆炸回聲探測(cè)定位系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)原理框圖如下圖4所示。

A，B兩站水聽(tīng)器探測(cè)直波、反射波并進(jìn)行預(yù)處理，機(jī)動(dòng)位置由指揮控制系統(tǒng)統(tǒng)一指揮控制工作狀態(tài)。指揮控制系統(tǒng)、求解定位信息處理系統(tǒng)可以與A，B站水聽(tīng)器平臺(tái)組合在一起，例如，A，B站為水面艦艇或反潛飛機(jī)時(shí)。

爆炸聲源D為浮標(biāo)，可用反潛飛機(jī)或直升機(jī)在指揮控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)下適時(shí)布放。由指揮系統(tǒng)預(yù)置布放位置、時(shí)間、深度和控制引爆時(shí)間。

在指揮控制中心統(tǒng)一時(shí)標(biāo)指令控制下， 爆炸裝置在t0時(shí)刻于D點(diǎn)上起爆，產(chǎn)生強(qiáng)大的水聲超聲波，以球面波方式[6]向外擴(kuò)展傳播。A，B兩站分別在ta，tb時(shí)刻收到由D直接傳來(lái)的聲波； 同時(shí)， 爆炸

沖擊波到達(dá)目標(biāo)M后，從M產(chǎn)生反射波，在tdma，tdmb時(shí),A，B收到由M反射來(lái)的聲波。A，B兩站在收到直波和反射波后進(jìn)行相關(guān)分析和對(duì)時(shí)間特性進(jìn)行識(shí)別預(yù)處理，用專用頻率通信鏈路將預(yù)處理信息送向指控系統(tǒng)的水聲信息數(shù)據(jù)處理中心，可求得M的位置，然后再將目標(biāo)位置信息傳送給作戰(zhàn)中心。

從上述分析中可以看出，A，B兩水聽(tīng)器相對(duì)于爆炸聲源的位置影響系統(tǒng)的探測(cè)和定位性能，因此，水聽(tīng)器與爆炸聲源的相對(duì)態(tài)勢(shì)信息是系統(tǒng)使用首先要考慮的問(wèn)題；同時(shí)，系統(tǒng)的搜索范圍、定位范圍以及對(duì)應(yīng)的搜索和定位精度[9-11]也是影響系統(tǒng)應(yīng)用的重要影響因素。如何配置水聽(tīng)器和爆炸聲源的位置，是系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)使用的一個(gè)重要考慮因素，也是系統(tǒng)性能需要進(jìn)行驗(yàn)證的一個(gè)重要內(nèi)容[12-13]。

3　遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用

根據(jù)反潛作戰(zhàn)任務(wù)與敵情信息，確定敵潛艇可能分布海區(qū)或需要對(duì)潛搜索清掃的海區(qū)，為節(jié)省兵力兵器，優(yōu)先選用兩站式定位方式進(jìn)行作戰(zhàn)規(guī)劃，如圖4所示。

取搜索海區(qū)中心作為爆炸回聲探測(cè)作業(yè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，即爆炸點(diǎn)D取敵可能威脅方向(威脅方向不明時(shí)可取正北方向)作為定位基準(zhǔn)方向。根據(jù)清掃定位海區(qū)選取主站A與海區(qū)中心點(diǎn)(炸點(diǎn))D的距離AD，按AD的大小選取在D點(diǎn)水下爆炸所需的炸藥當(dāng)量(即相當(dāng)于聲吶發(fā)射聲源級(jí)的功率)，按態(tài)勢(shì)控制要求，將反潛艦A，B展開(kāi)機(jī)動(dòng)至定位作業(yè)基準(zhǔn)方向兩側(cè)，若只有一艘反潛艦，則B可以用直升機(jī)或無(wú)人機(jī)投放一個(gè)聲吶浮標(biāo)， 在D點(diǎn)投放炸藥也可用直升機(jī)或無(wú)人機(jī)遙控實(shí)施。炸藥包投放深度應(yīng)由反潛艦上的溫深探測(cè)儀實(shí)測(cè)水聲聲道的深度分布情況而定。

圖4　兩站式爆炸回聲探測(cè)定位系統(tǒng)方框圖Fig.4　Block diagram of two-station type explosive echo detection and location system

在主站A統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)協(xié)調(diào)控制下，D點(diǎn)炸藥包起爆，產(chǎn)生強(qiáng)大的水下沖擊波(聲源脈沖波)。脈沖波按全向球面波方式傳播，借助水下通道可以遠(yuǎn)距離傳送至A，B和M(目標(biāo))，A，B的水聽(tīng)器(聲吶接收器)可以先接收到D點(diǎn)傳來(lái)的直達(dá)聲波，然后又可以收到由M點(diǎn)反射來(lái)的目標(biāo)發(fā)射回波。利用直波和反射波之間的時(shí)差關(guān)系，可以提取M點(diǎn)的分布軌跡——以A，B作基線的雙曲線和以AD，BD為焦點(diǎn)距離的橢圓曲線，經(jīng)軟件數(shù)學(xué)處理可以求解出雙曲線與橢圓的公共交點(diǎn)M(目標(biāo)點(diǎn))。

由于炸藥爆炸沖擊波脈沖遠(yuǎn)大于普通大型艦載聲吶的發(fā)射聲脈沖強(qiáng)度，這種利用異地收發(fā)的水聲探測(cè)定位距離要遠(yuǎn)大于艦載聲吶。這種爆炸回聲測(cè)距定位法，可探測(cè)的目標(biāo)距離的理論值可到320 km，研究開(kāi)發(fā)爆炸回聲探測(cè)定位系統(tǒng)，對(duì)海軍裝備形成對(duì)遠(yuǎn)程水下目標(biāo)的精確打擊能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

4　遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)性能分析

為便于快速準(zhǔn)確地探測(cè)發(fā)現(xiàn)分布在廣大海區(qū)內(nèi)的敵水下潛艇目標(biāo)。在對(duì)敵情分析評(píng)估預(yù)測(cè)條件下，需要合理組織反潛搜索兵力科學(xué)實(shí)施，用爆炸回聲探測(cè)技術(shù)對(duì)目標(biāo)散布區(qū)域進(jìn)行有效的、無(wú)遺漏搜索，并對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，以便反潛攻擊兵力及時(shí)對(duì)敵潛艇進(jìn)行近距離補(bǔ)充偵察確認(rèn)后實(shí)施精確打擊。

實(shí)施爆炸回聲探測(cè)定位的最基本也是最有效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為兩站式探測(cè)定位系統(tǒng)，其典型態(tài)勢(shì)如下圖5所示。

圖5　兩站式探測(cè)定位態(tài)勢(shì)圖Fig.5　Two-station positioning situation map

給定A，B單站水聽(tīng)器的最大有效偵聽(tīng)半徑R，A，B均采用全向被動(dòng)工作方式?；趦?yōu)化搜索定位要求，爆炸點(diǎn)D預(yù)定位于目標(biāo)M的散布中心，A，B兩站按D點(diǎn)為原點(diǎn)向搜索主航向(主軸)兩側(cè)對(duì)稱布放，并取AD=BD=r0， 不小于敵潛艇的攻擊威脅距離。AD，BD與主軸之間的夾角為β。AD，BD，AB各站點(diǎn)之間的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航距離應(yīng)小于相互觀察導(dǎo)航通信的最大距離，以確?？煽坑行У闹笓]控制。

A，B的單站搜索區(qū)：在各自的搜索半徑R范圍內(nèi)均可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)M，但不能對(duì)M進(jìn)行定位[14-15]。

A，B兩站的重合覆蓋的搜索區(qū)：兩站協(xié)同定位區(qū)，在覆蓋區(qū)內(nèi)不僅可同時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)M，還可對(duì)目標(biāo)M進(jìn)行定位[14-15]。

兩站協(xié)同搜索區(qū)正面橫向最大寬度

Bs=2(R+r0sinβ).

兩站協(xié)同搜索區(qū)主軸方向最大縱深

Ls=2R.

兩站協(xié)同定位區(qū)正面橫向最大寬度

Bt=2(R-r0sinβ).

兩站協(xié)同定位區(qū)主軸方向最大縱深

搜索區(qū)總面積：

定位區(qū)總面積：

根據(jù)不同的R，r0，β=45°時(shí)兩站協(xié)同探測(cè)定位時(shí)的搜索定位能力如表1所示。

從Bs，Bt可以看到，它們是r0sinβ的敏感參數(shù)，增大Bs時(shí)，Bt將減小， 應(yīng)當(dāng)根據(jù)目標(biāo)散布尺寸，合理選擇Bs，Bt相互比例，適當(dāng)決定r0，β的數(shù)值。

表1不同r0，β=45°時(shí)兩站協(xié)同探測(cè)定位時(shí)的搜索定位能力

Table 1　Ability of cooperative detection of search and location of two stations when β=45° for different r0

若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)M不在定位區(qū)時(shí)，應(yīng)及時(shí)控制A，B兩站機(jī)動(dòng)或在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的水聽(tīng)器和目標(biāo)較近的距離處補(bǔ)投一個(gè)水聽(tīng)器C，使C站能與已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的水聽(tīng)器同時(shí)覆蓋M點(diǎn)，形成對(duì)目標(biāo)的二站探測(cè)定位能力。

當(dāng)A，B兩站探測(cè)覆蓋區(qū)小于目標(biāo)散布時(shí)，應(yīng)對(duì)目標(biāo)散布區(qū)按探測(cè)覆蓋區(qū)無(wú)縫拼接要求合理控制A，B搜索機(jī)動(dòng)，形成逐次擴(kuò)展搜索定位區(qū)，直至探測(cè)完整個(gè)目標(biāo)散布區(qū)。

在典型戰(zhàn)術(shù)條件下，潛艇通常采用單艇作戰(zhàn)，其作戰(zhàn)活動(dòng)范圍一般不小于敵潛艇武器最大攻擊距離的2倍加上待機(jī)搜索攻擊機(jī)動(dòng)航程。

A，B兩站的布放態(tài)勢(shì)，可以按戰(zhàn)術(shù)任務(wù)要求來(lái)選擇：

(1) 以搜索為主時(shí)，應(yīng)取Bs=2(R+r0sinβ)盡可能大，此時(shí)應(yīng)取β大一些為好，r0大一些為好。

(2) 以定位為主時(shí)，應(yīng)取Bt=2(R-r0sinβ)盡可能大，此時(shí)應(yīng)取β小一些為好，r0小一些為好。

(3) 搜索與定位兼顧時(shí)，應(yīng)取適中的β，r0值，例如取β=45°，r0=30～40 km。

5　結(jié)束語(yǔ)

爆炸水聲輔助的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)具有探測(cè)范圍大、搜索效率高、兵力組織簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可有效提高區(qū)域反潛能力，同時(shí)可為遠(yuǎn)程反潛武器提供目標(biāo)指示。本文在理論上對(duì)構(gòu)想的遠(yuǎn)程反潛預(yù)警系統(tǒng)及戰(zhàn)術(shù)使用進(jìn)行了初步的分析研究，但是由于實(shí)際海洋環(huán)境的復(fù)雜性[6]，其實(shí)際的探測(cè)性能還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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Early Warning System of Antisubmarine Based on Detonation Assistant and Its Tactics Application

WANG Jian-guo，E Qun， YAO Ke-ming，MEN Jin-zhu，WAN Xin-long

(Dalian Naval Academy,Department of Underwater Weaponry and Chemical Defense,Liaoning Dalian 116018，China)

According to the demand of long-range anti-submarine warfare, a conception of early warning system of anti-submarine with the aid of remote detonation is put forward: with the wave source of the small equivalent TNT explosion shock and in the way of remote transceiver, the system can implement the remote detection and location of submarine, according to the moment when the hydrophone receives direct waves and reflected waves. Based on the analysis of the principle, the composition and tactics application of the system are discussed. The results show that: the system has the characteristics of long detection distance, high search efficiency and simple troop organization. Therefore, this research can provide

for the long-range anti-submarine system of ship formation.

naval tactics knowledge; longrange antisubmarine; detonation assisted; remote sending and receiving; early warning system; tactics application

2015-04-16；

2015-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(60975016；61002052；61273262)；海軍大連艦艇學(xué)院科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目;海軍大連艦艇學(xué)院“2110工程”三期建設(shè)資助項(xiàng)目

王建國(guó)(1981-)，男,浙江紹興人。講師,博士,研究方向?yàn)榕炤d直升機(jī)作戰(zhàn)。

通信地址：116018遼寧省大連市中山區(qū)解放路667號(hào)E-mail： wangjianguo1981@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.003

E925；E843

A

1009-086X(2016)-04-0013-05