反潛巡邏機(jī)磁探儀區(qū)域搜索研究

譚安勝， 王新為， 尹成義

(海軍大連艦艇學(xué)院艦船指揮系，遼寧 大連 116018)

0 引言

所謂區(qū)域搜索，就是對(duì)指定的海域進(jìn)行有組織的檢查，目的在于發(fā)現(xiàn)敵潛艇，消滅發(fā)現(xiàn)的敵潛艇或?qū)ζ溥M(jìn)行跟蹤[1-2]。反潛巡邏機(jī)使用磁探儀在指定海域?qū)撍阉髑?，需要進(jìn)行作戰(zhàn)籌劃工作，進(jìn)行作戰(zhàn)籌劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一是磁探儀有效搜索寬度，而磁探儀有效搜索寬度是敵潛艇潛航深度的函數(shù)，敵潛艇潛航深度對(duì)搜索者來(lái)說(shuō)是模糊的，具有不確定性。傳統(tǒng)的磁探儀有效搜索寬度是根據(jù)確定的敵潛艇潛航深度計(jì)算的，與實(shí)際情況不符。磁探儀有效搜索寬度又是搜索效能評(píng)估的基礎(chǔ)，搜索效能評(píng)估結(jié)果又是搜索方法優(yōu)化的依據(jù)。因此，研究反潛巡邏機(jī)使用磁探儀進(jìn)行區(qū)域搜索問(wèn)題時(shí)，必須從磁探儀有效搜索寬度入手。

1 磁探儀有效搜索寬度

如圖1所示，設(shè)反潛巡邏機(jī)搜索飛行高度為ha，磁探儀最大作用距離為dc，則一架反潛巡邏機(jī)使用磁探儀對(duì)潛航深度為hq的潛艇搜索時(shí)，其搜索寬度W可表示為

(1)

在保持磁探儀有效工作的最大搜索飛行速度下，要想提高搜索效率，必須保持較大的搜索寬度。顯然，反潛巡邏機(jī)的飛行高度越低越好。設(shè)反潛巡邏機(jī)的最低安全飛行高度為hamin，則反潛巡邏機(jī)使用磁探儀對(duì)處于深度為hq的潛艇搜索時(shí)的最大搜索寬度為

(2)

從式(2)可以看出：對(duì)于確定的磁探儀，當(dāng)反潛巡邏機(jī)在最低安全飛行高度搜索時(shí)，不同的潛艇航行深度，其最大搜索寬度也是不同的。

表1給出了當(dāng)磁探儀最大作用距離為400 m時(shí)，反潛巡邏機(jī)搜索寬度W隨潛艇航行深度和反潛巡邏機(jī)搜索飛行高度的變化規(guī)律。

圖1 磁探儀搜索寬度示意圖Fig.1 The search width of magnetic anomaly detector

表1 磁探儀搜索寬度變化規(guī)律

從表1可以看出：對(duì)處于某一潛航深度的潛艇，反潛巡邏機(jī)飛行高度越低，其搜索寬度越大；當(dāng)反潛巡邏機(jī)的搜索飛行高度一定時(shí)，潛艇潛航深度越深，搜索寬度越小。所以，反潛巡邏機(jī)在使用磁探儀對(duì)潛進(jìn)行搜索時(shí)，應(yīng)當(dāng)在盡可能低的高度飛行，盡可能低的飛行高度應(yīng)當(dāng)是不低于反潛巡邏機(jī)的最小允許飛行高度，這對(duì)訓(xùn)練提出了更高的要求。

如圖2所示，以反潛巡邏機(jī)磁探儀光泵探頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立xoy直角坐標(biāo)系，x軸鉛垂向下。

圖2 磁探儀平均搜索寬度分析示意圖

設(shè)敵潛艇可能的航行深度范圍為[hq1,hq2]，則有

(3)

假設(shè)敵潛艇潛航深度在[hq1,hq2]范圍內(nèi)均勻分布，當(dāng)x1≤x≤x2，即ha+hq1≤x≤ha+hq2時(shí)，平均弦長(zhǎng)M[L]為

(4)

將式(3)代入式(4)并整理得M[L]=

(5)

表2磁探儀平均搜索寬度變化規(guī)律

Table2Theaveragesearchwidthchangeruleofmagneticanomalydetectorm

飛行高度潛艇航深范圍[hq1,hq2][50,80][80,110][110,140][140,170][170,200][50,100][100,150][150,200][50,150][100,200]60759.7737.2709.0674.2631.9752.4708.5646.3730.4677.4100728.5698.2661.1615.9560.7718.6660.5579.5689.5620.0150674.2631.9580.4516.8435.9660.5579.5463.6620.0521.6200598.8539.6465.4366.6204.2579.5463.6261.6521.6362.6300324.4---261.6---400-

從表2中可以看出：在相同的敵潛艇航深范圍內(nèi)，反潛巡邏機(jī)的飛行高度越低，在深度上的覆蓋范圍越廣，平均搜索寬度越大。因此，實(shí)際作戰(zhàn)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)搜索海區(qū)情況、潛艇特性、反潛巡邏機(jī)的飛行特性以及對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率的要求來(lái)選擇反潛巡邏機(jī)的飛行高度，使磁探儀的探測(cè)范圍最大程度覆蓋潛艇所有可能活動(dòng)深度和更大的搜索寬度。

潛艇進(jìn)入反潛巡邏機(jī)磁探儀搜索寬度范圍內(nèi)，是否被“發(fā)現(xiàn)”帶有偶然性。潛艇被“發(fā)現(xiàn)”這一事件可用“平均概率”來(lái)表示，亦可稱為獲得概率，或正確分類接觸概率，或正確判明接觸概率，或正確接觸目標(biāo)概率，為了便于表達(dá)簡(jiǎn)稱為“接觸概率”[1]，用pcjc表示,顯然pcjc是一個(gè)條件概率，即在確定接觸的條件下正確判明接觸的概率，其大小與訓(xùn)練水平有關(guān)。則一架反潛巡邏機(jī)對(duì)處于深度為hq和處于深度范圍為[hq1,hq2]的潛艇的有效搜索寬度Wyx分別為

Wyx=

(6)

磁探儀有效搜索寬度取決于它的靈敏度、潛艇的磁場(chǎng)強(qiáng)度、反潛巡邏機(jī)的飛行高度、潛艇航行的深度等因素，顯然，前兩個(gè)因素體現(xiàn)在dc中。

搜索者單位時(shí)間內(nèi)的有效搜索面積稱為搜索效率[1]。則一架反潛巡邏機(jī)使用磁探儀對(duì)處于深度為hq和處于深度范圍為[hq1,hq2]的潛艇的搜索效率Uc分別為

(7)

2 磁探儀搜索方法

反潛巡邏機(jī)使用磁探儀在指定區(qū)域搜索時(shí)，根據(jù)指定搜索區(qū)域的大小、巡邏時(shí)間、參加搜索的反潛巡邏機(jī)的數(shù)量，可采用平行搜索法、多平行段搜索法兩種基本搜索方法,如圖3所示。反潛巡邏機(jī)飛行的高度應(yīng)使得搜索寬度盡可能大。

圖3 磁探儀搜索方法示意圖

為了能夠在搜索過(guò)程中覆蓋敵潛艇在深度上可能的分布，提高發(fā)現(xiàn)潛艇的概率，反潛巡邏機(jī)相鄰搜索帶應(yīng)有一定的重疊，如圖4所示。

圖4 相鄰搜索帶重疊系數(shù)分析示意圖

重疊系數(shù)的大小應(yīng)當(dāng)滿足：1)反潛巡邏機(jī)飛行安全的要求，即相鄰兩架反潛巡邏機(jī)之間的間距應(yīng)不小于最低安全飛行間距；2)高搜索效率的要求，即相鄰兩架反潛巡邏機(jī)形成的搜索帶寬度應(yīng)盡可能大；3)高發(fā)現(xiàn)概率的要求，即處于相鄰兩架反潛巡邏機(jī)之間的潛艇，在可能深度分布范圍[hq1,hq2]內(nèi)難以擺脫搜索。

根據(jù)上述分析可知，對(duì)處于潛航深度分布范圍為[hq1,hq2]的潛艇進(jìn)行搜索時(shí)，相鄰反潛巡邏機(jī)之間的間距ΔW應(yīng)不大于hq2對(duì)應(yīng)的搜索寬度，即

ΔW≤W(hq2)

(8)

考慮實(shí)際作戰(zhàn)中使用的方便，ΔW可以磁探儀的最大探測(cè)距離dc為單位來(lái)表示，即ΔW=kdc。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)分析可知,k∈[1,1.5]。

2.1 單機(jī)搜索方法

單架反潛巡邏機(jī)使用磁探儀進(jìn)行區(qū)域搜索時(shí)，應(yīng)采用多平行段搜索法，即單機(jī)多平行段搜索法，如圖5所示。

圖5 單機(jī)多平行段搜索示意圖

反潛巡邏機(jī)沿搜索區(qū)的長(zhǎng)邊(或短邊)飛行，各平行段之間的間距為ΔW=kdc,k∈[1,1.5]，搜索飛行高度應(yīng)根據(jù)反潛巡邏機(jī)的飛行性能、海域深度、潛艇可能的航行深度范圍具體確定；搜索飛行速度應(yīng)根據(jù)反潛巡邏機(jī)的飛行性能和磁探儀的性能具體確定；轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫傾角應(yīng)當(dāng)根據(jù)各平行段之間的間距、反潛巡邏機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑和機(jī)組人員操作的舒適度綜合確定。

單機(jī)多平行段搜索法主要是對(duì)范圍較小的指定海域?qū)嵤┧阉?如果指定海域范圍較大，應(yīng)使用多架反潛巡邏機(jī)進(jìn)行搜索。

2.2 多機(jī)搜索方法

當(dāng)指定的海域范圍較大，單架反潛巡邏機(jī)在最大巡邏時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成搜索任務(wù)，或在給定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成任務(wù)時(shí)就需要多機(jī)搜索。多機(jī)搜索法可分為多機(jī)平行搜索法和分區(qū)多平行段搜索法。

如果反潛巡邏機(jī)的數(shù)量能夠保證一次覆蓋指定的搜索區(qū)域，則可以采用多機(jī)平行搜索法，如圖3a所示。否則，應(yīng)將指定的搜索區(qū)劃分成幾個(gè)子區(qū)域，分配反潛巡邏機(jī)在各自的子區(qū)域內(nèi)采用多平行段搜索法，這種方法可稱之為分區(qū)多平行段搜索法，如圖3b所示。每個(gè)子區(qū)域的大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)反潛巡邏機(jī)的數(shù)量具體確定，通常情況下，各飛行段應(yīng)平行于子區(qū)域的長(zhǎng)邊。為提高反潛巡邏機(jī)轉(zhuǎn)至下一個(gè)搜索航段時(shí)的安全性，所有反潛巡邏機(jī)應(yīng)同步朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)向。

3 磁探儀得到接觸后行動(dòng)

磁探儀得到接觸后，為了對(duì)接觸進(jìn)行高可信度的識(shí)別，可以使用兩種方法,即借助浮標(biāo)識(shí)別和借助磁探儀識(shí)別。當(dāng)海況小于5級(jí)時(shí)，通常應(yīng)借助浮標(biāo)識(shí)別；當(dāng)海況超過(guò)5級(jí)時(shí)，僅能使用磁探儀進(jìn)行識(shí)別。

3.1 使用磁探儀進(jìn)行識(shí)別

借助磁探儀對(duì)接觸進(jìn)行高可信度識(shí)別時(shí)，反潛巡邏機(jī)可通過(guò)一次轉(zhuǎn)向法或兩次轉(zhuǎn)向法進(jìn)行，如圖6所示。一次轉(zhuǎn)向法是指，搜索過(guò)程中反潛巡邏機(jī)磁探儀第一次得到接觸后，立即轉(zhuǎn)向270°(左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn))第二次駛向接觸點(diǎn)，如圖6a所示；兩次轉(zhuǎn)向法是指，搜索過(guò)程中反潛巡邏機(jī)磁探儀第一次得到接觸后，立即連續(xù)兩次轉(zhuǎn)向180°(左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn))第二次駛向接觸點(diǎn)，如圖6b所示。

圖6 磁探儀對(duì)接觸識(shí)別方法示意圖

反潛巡邏機(jī)第二次駛向接觸點(diǎn)時(shí)，若磁探儀獲得接觸，機(jī)組人員應(yīng)力爭(zhēng)得到連續(xù)的磁接觸。如果反潛巡邏機(jī)沒(méi)有獲得接觸，則以首次磁接觸點(diǎn)為中心，根據(jù)延遲時(shí)間計(jì)算目標(biāo)可能的分布范圍，反潛巡邏機(jī)在目標(biāo)可能分布區(qū)內(nèi)使用磁探儀進(jìn)行平行搜索，如圖7所示。如在目標(biāo)可能分布區(qū)內(nèi)沒(méi)有得到接觸，反潛巡邏機(jī)在搜索區(qū)內(nèi)繼續(xù)搜索。

圖7 磁探儀在目標(biāo)可能分布區(qū)內(nèi)平行搜索

3.2 使用浮標(biāo)進(jìn)行識(shí)別

借助浮標(biāo)對(duì)接觸進(jìn)行高可信度識(shí)別時(shí)，反潛巡邏機(jī)可通過(guò)布設(shè)相互重疊的包圍型浮標(biāo)陣進(jìn)行。包圍型浮標(biāo)陣可布設(shè)成十字陣或三角陣，如圖8所示。布陣時(shí)，應(yīng)將磁探儀先前探測(cè)的可疑敵潛艇位置點(diǎn)置于浮標(biāo)陣的中心。布設(shè)十字陣時(shí)，應(yīng)使在浮標(biāo)陣中心兩側(cè)浮標(biāo)之間的間距等于1.5dc～2dc，如圖8a所示。布設(shè)三角陣時(shí)，應(yīng)使浮標(biāo)陣中任意兩個(gè)浮標(biāo)之間的間距等于1.5dc～2dc，如圖8b所示。

圖8 對(duì)接觸識(shí)別浮標(biāo)陣

布設(shè)的被動(dòng)聲吶浮標(biāo)接收到噪聲后即發(fā)出信號(hào)，反潛巡邏機(jī)接收到信號(hào)后，需要再布設(shè)包圍型浮標(biāo)陣。如果又一次接收到噪聲信號(hào)，則向指揮員報(bào)告并通報(bào)其他反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn)了潛艇，同時(shí)確定其運(yùn)動(dòng)要素。

3.2.1 十字陣布陣方法

反潛巡邏機(jī)使用磁探儀對(duì)潛搜索第一次得到接觸點(diǎn)后，若決定使用聲吶浮標(biāo)十字陣對(duì)接觸進(jìn)行高可信度的識(shí)別，則十字陣的布陣方法可基于第1枚浮標(biāo)的投放時(shí)機(jī)分為兩種：一是即時(shí)布陣法(或稱為點(diǎn)后布陣法)；二是延時(shí)布陣法(或稱為點(diǎn)前布陣法)。

即時(shí)布陣法是指，在磁探儀得到接觸后，根據(jù)計(jì)算的時(shí)間適時(shí)布設(shè)第1枚浮標(biāo)。這種布陣方法，實(shí)質(zhì)上是在反潛巡邏機(jī)飛過(guò)接觸點(diǎn)后開(kāi)始布設(shè)第1枚浮標(biāo)，所以也可稱為點(diǎn)后布陣法。

延時(shí)布陣法是指，在磁探儀得到接觸后，轉(zhuǎn)向270°，根據(jù)計(jì)算的至再次獲得接觸點(diǎn)的時(shí)間布設(shè)第1枚浮標(biāo)。這種布陣方法，實(shí)質(zhì)上是在反潛巡邏機(jī)飛至再次獲得接觸點(diǎn)之前開(kāi)始布設(shè)第1枚浮標(biāo)，所以也可稱為點(diǎn)前布陣法。

在實(shí)際作戰(zhàn)中，磁探儀第一次得到接觸后，要么采用即時(shí)布陣法，要么采用延時(shí)布陣法布設(shè)十字陣。通常情況下，可根據(jù)機(jī)組人員的訓(xùn)練水平進(jìn)行選擇。如果機(jī)組人員的反應(yīng)時(shí)間滿足即時(shí)布陣法布設(shè)第1枚浮標(biāo)的時(shí)間要求，則采用即時(shí)布陣法；否則，應(yīng)采用延時(shí)布陣法。

3.2.1.1 十字陣即時(shí)布陣法

十字陣即時(shí)布陣法如圖9所示。設(shè)反潛巡邏機(jī)于t0時(shí)刻得到接觸。如果得到接觸后，機(jī)組人員的反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有超過(guò)Δt1=kdc/2va，則可根據(jù)計(jì)算的時(shí)間布設(shè)第1枚浮標(biāo)。

圖9 十字陣即時(shí)布陣法

3.2.1.2 十字陣延時(shí)布陣法

十字陣延時(shí)布陣法如圖10所示。

圖10 十字陣延時(shí)布陣法

3.2.2 三角陣布陣方法

三角陣布陣方法如圖11所示。反潛巡邏機(jī)使用磁探儀對(duì)潛搜索第一次得到接觸點(diǎn)后，若決定使用聲吶浮標(biāo)三角陣對(duì)接觸進(jìn)行高可信度的識(shí)別，應(yīng)立即投放第1枚浮標(biāo)，隨后左(或右)轉(zhuǎn)按計(jì)算的時(shí)間投放第2枚和第3枚浮標(biāo)。

圖11 三角陣布陣方法

使用“三角陣”有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 可在獲得接觸后立即布設(shè)浮標(biāo)，布陣過(guò)程中反潛巡邏機(jī)轉(zhuǎn)彎次數(shù)少。同時(shí)，聲吶浮標(biāo)能較早地獲得與目標(biāo)的接觸，浮標(biāo)探測(cè)范圍重疊面積大。

2) 能夠節(jié)約搜索中用于識(shí)別的浮標(biāo)數(shù)量、節(jié)省時(shí)間、較少地降低磁探儀搜索的效率。

另外，當(dāng)多架反潛巡邏機(jī)組成編隊(duì)使用磁探儀采用平行搜索法搜索時(shí)，可設(shè)置一架專門用于識(shí)別的反潛巡邏機(jī)，其應(yīng)位于搜索編隊(duì)的后方，高于搜索編隊(duì)的飛行高度。當(dāng)搜索編隊(duì)的磁探儀獲得接觸時(shí)，識(shí)別機(jī)即可對(duì)接觸進(jìn)行識(shí)別，這時(shí)搜索編隊(duì)可進(jìn)行連續(xù)搜索且不降低搜索效率。

4 發(fā)現(xiàn)潛艇的概率

設(shè)N架反潛巡邏機(jī)在面積為S的搜索區(qū)內(nèi)，采用平行搜索方法搜索了TS時(shí)間，浮標(biāo)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別概率為Pfjc，根據(jù)上述分析結(jié)果，反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn)潛艇的概率Pc為[3-4]

(9)

將式(7)代入得

(10)

設(shè)N架反潛巡邏機(jī)在面積為S的搜索區(qū)內(nèi)，采用多平行段搜索方法對(duì)潛艇進(jìn)行搜索，每個(gè)搜索航段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)c，共有nc個(gè)航段，浮標(biāo)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別概率為Pfjc，反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn)潛艇的概率Pc為

(11)

應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)使用磁探儀對(duì)接觸進(jìn)行識(shí)別時(shí)，式(10)和式(11)中的Pfjc取1。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用磁探儀對(duì)潛搜索具有隱蔽性好、不受海洋噪聲干擾且可靠性和定位精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但其探測(cè)作用距離有限。因此，磁探儀通常在敵潛艇機(jī)動(dòng)受限的不大或狹窄的海域使用，或當(dāng)海況不允許使用其他搜索器材，或?yàn)榱斯?jié)省其他搜索器材時(shí)使用[5-6]。本文提出了平均搜索寬度的概念，建立了磁探儀平均搜索寬度計(jì)算模型；提出了反潛巡邏機(jī)磁探儀區(qū)域搜索的“兩類三種”搜索方法，以及得到接觸后的“兩類四種”行動(dòng)方法；給出了反潛巡邏機(jī)使用磁探儀在指定區(qū)域搜索發(fā)現(xiàn)潛艇概率計(jì)算模型。應(yīng)當(dāng)注意的是，反潛巡邏機(jī)本身也是一個(gè)磁源，包括永久磁場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)，在其做機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，將對(duì)磁探儀產(chǎn)生干擾，這個(gè)干擾比磁探儀本機(jī)噪聲一般要大數(shù)百倍。所以，反潛巡邏機(jī)在到達(dá)預(yù)定海域使用磁探儀搜索之前，機(jī)組首先應(yīng)當(dāng)規(guī)劃磁補(bǔ)償飛行航線進(jìn)行磁補(bǔ)償飛行，以獲取該海域的磁補(bǔ)償系數(shù)，確保磁探儀能正常可靠地探測(cè)目標(biāo)。