有人/無人機協(xié)同護航反潛研究

徐 梁，董文洪，吳 銘

(海軍航空大學(xué)航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院，山東煙臺264000)

0 引言

潛艇具有隱蔽性強、續(xù)航時間長、探測距離遠等作戰(zhàn)優(yōu)勢，可實現(xiàn)對目標的隱蔽偵查、跟蹤和火力打擊，是艦船編隊面臨的主要威脅[1]。因反潛巡邏機具有搜索速度快、搜索效率高等優(yōu)勢，一直以來都是編隊實施遠程反潛的主要兵力。但反潛巡邏機續(xù)航時間短、作戰(zhàn)半徑小、缺乏自衛(wèi)能力等缺點，又增加了反潛難度，限制了其使用范圍[2]。而無人機則具有續(xù)航時間長、機動靈活、作戰(zhàn)半徑大和不考慮傷亡等優(yōu)勢，與反潛巡邏機協(xié)同混編作戰(zhàn)，可實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補，提升航空反潛戰(zhàn)術(shù)運用的靈活性。目前關(guān)于有人機和無人機協(xié)同作戰(zhàn)的理論多集中于協(xié)同偵查監(jiān)視、協(xié)同火力打擊，以及協(xié)同指控技術(shù)等方面[3]，為適應(yīng)未來海上反潛作戰(zhàn)需求，結(jié)合海軍岸基、艦載、空載無人機裝備發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，研究反潛巡邏機和無人機協(xié)同反潛作戰(zhàn)具有較強的前瞻性和實際應(yīng)用價值。

1 反潛巡邏機和無人機協(xié)同反潛作戰(zhàn)過程分析

為了確定艦船編隊中反潛巡邏機和無人機的配置方法，首先應(yīng)分析反潛巡邏機和無人機協(xié)同護航反潛過程。根據(jù)反潛巡邏機和無人機的戰(zhàn)技術(shù)性能和反潛特性，借鑒外軍反潛巡邏機運用情況，反潛巡邏機一般在編隊外圍實施先期反潛，無人機則在反潛巡邏機的指揮通信范圍內(nèi)遂行更遠距離的偵查監(jiān)視任務(wù)，形成遠程反潛網(wǎng)絡(luò)，并在敵潛艇到達反艦導(dǎo)彈攻擊陣地之前發(fā)現(xiàn)并將其消滅。無人機一旦發(fā)現(xiàn)敵潛艇活動跡象，實時地向反潛巡邏機傳送目標位置信息。反潛巡邏機則根據(jù)無人機提供的信息進行準確跟蹤、識別、定位，并完成最后的攻擊。由于無人機載重小，可以攜帶的任務(wù)載荷種類相對較少，必須合理規(guī)劃無人機的搭載方案，以提高發(fā)現(xiàn)潛艇的概率。例如雷達+電子/紅外探測設(shè)備，主要對露出水面或進行通信的潛艇進行探測；雷達+小型磁探儀主要對水下或半潛的潛艇進行探測。反潛巡邏機則主要攜帶魚雷等攻潛武器對目標進行最后的攻擊，可攜帶少量的主動聲吶浮標進行攻擊前的最后定位。

2 協(xié)同配置原則

通過對反潛巡邏機和無人機協(xié)同護航反潛過程的分析得知，在編隊航渡過程中反潛巡邏機和無人機的陣位配置取決于所承擔(dān)的任務(wù)。根據(jù)編隊護航反潛的需求，以及反潛巡邏機和無人機的戰(zhàn)技術(shù)性能，兩者在協(xié)同護航反潛過程中必須滿足以下原則：1)配置于編隊受威脅的主要方向。在外層反潛體系中，反潛巡邏機和無人機配置的主要威脅方向，應(yīng)是敵潛艇能夠快速占據(jù)導(dǎo)彈攻擊陣位，并能保證在導(dǎo)彈攻擊完畢后迅速撤離，即敵潛艇使用反艦導(dǎo)彈有利于攻擊扇面內(nèi)[4]。如果無人機數(shù)量充足，也可圍繞編隊成環(huán)形配置。當(dāng)受敵機威脅較大時，反潛巡邏機還應(yīng)受到我殲擊航空兵的掩護。具體如圖1所示。2)反潛巡邏機的前出距離需要綜合考慮續(xù)航時間、任務(wù)持續(xù)時間和敵情威脅等，在滿足編隊所需的反潛縱深條件下，應(yīng)保證反潛巡邏機在空中有較長的巡邏時間。3)無人機應(yīng)在反潛巡邏機監(jiān)控范圍內(nèi)，能夠與反潛巡邏機之間建立穩(wěn)定的通信聯(lián)系，并能實時傳送數(shù)據(jù)。4)反潛巡邏機和無人機陣位設(shè)置應(yīng)便于編隊指揮所的控制。當(dāng)無人機前出距離較大時，通過反潛巡邏機上完善的指揮通信系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機進行遠程控制。

圖1 反潛巡邏和無人機護航反潛掩護示意圖Fig.1 Antisubmarine cover schematic diagram of antisubmarine patrol aircraft and UAVs

3 反潛巡邏機和無人機前出距離確定

3.1 反潛巡邏機和無人機遠界確定

根據(jù)配置原則2)和3)可得：

式中：Dparo_fore為反潛巡邏機的前出距離；DUav_fore為無人機的前出距離；Sparo為反潛巡邏機前出基準點的最大距離；Dlis為反潛巡邏機有效監(jiān)聽無人機的距離；tlife為反潛巡邏機的續(xù)航時間；tstor為反潛巡邏機巡航儲備時間；tparo為反潛巡邏機的巡邏時間。

又根據(jù)1)可知，反潛巡邏機的活動空域需得到殲擊航空兵或艦載機的空中掩護，情況如圖2所示。當(dāng)空中預(yù)警機發(fā)現(xiàn)敵機在E點，此時反潛巡邏機在A點，殲擊機在B點。預(yù)警機經(jīng)過識別確認后，向編隊發(fā)出警報時間是t1。指揮所引導(dǎo)殲擊機攔截敵機，占領(lǐng)攻擊陣位C，持續(xù)時間為t2。在空空彈最大射程發(fā)射，在D點與敵機相遇。此時應(yīng)保證AD之間的距離大于敵空空導(dǎo)彈最大射程，即在敵機使用武器之前，我方殲擊機至少完成了一次攻擊。

圖2 殲擊機空中掩護過程圖Fig.2 Air cover process diagram of fighter

由此可得

式中：DAE是預(yù)警機為反潛巡邏機提供的預(yù)警距離；DBC為殲擊機前出迎敵的距離；Dfor為反潛巡邏機與攔截殲擊機之間的距離，數(shù)值為正表示殲擊機在反潛巡邏機陣位前，數(shù)值為負表示殲擊機陣位在反潛巡邏機之后；Dm_misle為我空空導(dǎo)彈最大有效射程；Vm_misle為我空空彈飛行速度；Vmair為我殲擊機速度；De_misle為敵空空彈最大有效射程；Veair為敵機的飛行速度?？梢钥闯鋈粲袣灀魴C掩護條件下，反潛巡邏機的前出距離就可以由殲擊機的前出距離，以及反潛巡邏機和殲擊機陣位之間的距離來確定。

3.2 反潛巡邏機和無人機近界確定

圖3 反潛巡邏機和無人機縱深示意圖Fig.3 Depth schematic diagram of antisubmarine patrol aircrafts and UAVs

艦船編隊防潛縱深是指在敵潛艇占領(lǐng)導(dǎo)彈發(fā)射陣位之前，能夠及時發(fā)現(xiàn)、識別并實施攻擊，無人機最遲發(fā)現(xiàn)潛艇的界線到編隊基準點的距離[5]。反潛巡邏機和無人機協(xié)同護航反潛作戰(zhàn)的過程，如圖3所示。

由圖3可知，編隊所需的最小防潛縱深為

式中：DAnti_misle為敵潛艇反艦導(dǎo)彈有效射程；Δω為無人機發(fā)現(xiàn)敵潛艇時可能存在的艇位誤差；DUav_tec為無人機有效發(fā)現(xiàn)敵潛艇的距離。

式中：Dsail為艦船編隊在反艦導(dǎo)彈飛行過程中運動的距離；Vsail為艦船編隊的航行速度；VAnti_misle為敵潛艇反艦導(dǎo)彈的速度。

式中：Dact表示從無人機發(fā)現(xiàn)敵潛艇到反潛巡邏機完成攻擊的總時間內(nèi)敵潛艇相對艦船編隊的航行距離；Ven_sped表示敵潛艇的速度。

式中：t1為無人機發(fā)現(xiàn)潛艇向指揮所和反潛巡邏機傳遞信息持續(xù)時間；t2為指揮員迅速決斷，確定作戰(zhàn)方案，給反潛巡邏機下達作戰(zhàn)攻擊命令時間；t3為反潛巡邏機在無人機的引導(dǎo)下，迅速飛往發(fā)現(xiàn)目標區(qū)域，完成搜索、跟蹤、定位和攻擊整個過程的持續(xù)時間。

艦船編隊在航渡的過程中，反潛巡邏機和無人機協(xié)同為編隊提供的反潛縱深必須大于Dwarn，此時無人機至少前出的距離為Dwarn-DUav_tec，反潛巡邏機至少前出的距離為Dwarn-Dlis-DUav_tec，這既增加了反潛巡邏機的留空時間，也能通過無人機的前出增大防潛縱深。

4 反潛巡邏機和無人機巡邏線配置

護航反潛過程中反潛巡邏機和無人機不可能保持在某一個陣位，而是在一定空域或巡邏線上往返飛行[6]。而在編隊航行過程中，反潛巡邏機和無人機參考的基準點是不斷變化的，因而兩者的巡邏空域或巡邏線應(yīng)隨著編隊有規(guī)律地前移[7]。而在實際的運用中，反潛巡邏機通常在編隊前方按照巡邏線飛行，以盡可能遮攔敵潛艇主要威脅扇面[8]，這符合原則1)配置要求。文章以此討論反潛巡邏機和無人機的配置。

如圖4所示，直線MN為反潛巡邏機的巡邏線，垂直于威脅軸，其中兩個圓分別是反潛巡邏機分別在2個端點能夠有效監(jiān)聽無人機的距離范圍。

圖4 反潛巡邏機和無人機配置示意圖Fig.4 Configuration schematic diagram of antisubmarine patrol aircrafts and UAVs

反潛巡邏機和無人機可以為艦船編隊提供的最大防潛縱深Dmax為

式中：DMN為反潛巡邏機巡邏線MN的長度。

反潛巡邏機和無人機的前出距離、巡邏線長度與反潛縱深、掩護扇面角度之間存在如下關(guān)系式：

式中：L為反潛縱深；φ為掩護扇面角。

而當(dāng)反潛巡邏機從巡邏線的M點飛到N點，處于C點的無人仍然在其監(jiān)聽范圍內(nèi)，此時應(yīng)使CH的長度大于Dwarn，即在敵潛艇對編隊中艦船實施導(dǎo)彈攻擊之前，反潛巡邏機和其他區(qū)域反潛兵力已對潛艇至少實施一次攻擊。相應(yīng)的表達式可以表述為

在ΔCNH中，根據(jù)勾股定理可得：

5 實例計算

5.1 參數(shù)設(shè)置

反潛巡邏機有效監(jiān)聽無人機的距離40 km，巡航高度6 000 m，巡航速度460 km/h，續(xù)航時間6.5 h，轉(zhuǎn)彎半徑4 km。上級指定的巡邏時間為5 h，儲備時間20 min。無人機發(fā)現(xiàn)水面通氣管的距離為 70 km，速度為 300 km/h，巡航高度4 000 m，無人機發(fā)現(xiàn)敵潛艇時可能存在的艇位誤差為20 m。預(yù)警機為反潛機提供的預(yù)警距離為260 km，發(fā)現(xiàn)敵機后，綜合識別并發(fā)出警報時間15 s。紅方殲擊機陣位與基準點的距離為250 km，巡航速度為 900 km/h?？湛諒椬畲笊涑虨?20 km，速度為4 Ma。無人機從發(fā)現(xiàn)潛艇目標，跟蹤識別并向指揮所發(fā)出警報的時間為5 min；指揮員根據(jù)無人機獲取的目標信息制定作戰(zhàn)方案，給反潛巡邏機下達攻擊命令持續(xù)時間為4 min；反潛巡邏機從巡邏空域快速飛向發(fā)現(xiàn)目標區(qū)，完成搜索、跟蹤、攻擊持續(xù)的時間在25 min。水面艦船編隊的航速為24 kn。

藍方攻擊機的巡航速度1 200 km/h，空空導(dǎo)彈的射程150 km。敵潛艇反艦導(dǎo)彈有效射程110 km，速度2 Ma。潛艇以12 kn航速突破編隊防潛警戒。

5.2 仿真計算

根據(jù)公式(1)-(8)可得

根據(jù)公式(9)-(14)可得：

上面計算說明，反潛巡邏機和無人機提供的反潛縱深滿足護航反潛的需求，無人機前出的距離至少在80.52 km以上，而反潛巡邏機只需前出40.52 km即可，相應(yīng)的反潛巡邏機用于巡邏警戒的時間延長。

而當(dāng)反潛巡邏機的前出距離分別在50 km、60 km、70 km、110 km、120 km 時，由公式(15)-(21)可得編隊反潛警戒縱深與掩護扇面角與反潛巡邏機前出距離之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 反潛縱深隨反潛巡邏機前出距離變化圖Fig.5 Diagram of antisubmarine depth varying with front distance of antisubmarine patrol aircraft

圖6 掩護扇面角隨反潛巡邏機前出距離變化圖Fig.6 Diagram of cover sector varying with front distance of antisubmarine patrol aircraft

從圖5和圖6可知，在反潛巡邏機巡邏線長度一定的情況下，反潛巡邏機和無人機提供的反潛縱深和掩護扇面角隨著反潛巡邏機前出距離的增加而增加；在前出距離大于70 km以后，掩護扇面角開始急劇下降。基于反潛巡邏機最佳前出距離在70 km，反潛縱深在166 km時，掩護扇面角達到最大為 51°。

按照反潛巡邏機作戰(zhàn)半徑和續(xù)航時間之間的比例關(guān)系，前出距離越小反潛巡邏機在空中巡邏警戒時間越長[9]，據(jù)此推算前出70 km的續(xù)航時間完全可以保證護航反潛任務(wù)的需要，降低反潛巡邏機使用批次，有效提高飛機的利用效率。

6 結(jié)束語

文章對反潛巡邏機和無人機協(xié)同反潛空域配置方法進行了探討，通過仿真結(jié)果驗證了反潛巡邏機和無人機協(xié)同護航反潛的可行性和實用性。其中編隊反潛縱深和掩護扇面角與反潛巡邏機前出距離有直接關(guān)系，并給出了掩護扇面角最大時反潛巡邏機前出的距離，以及反潛縱深。而隨著編隊規(guī)模、作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)對象的不同，反潛巡邏機和無人機陣位，為編隊提供的反潛縱深、掩護扇面角，以及巡邏線長度之間也會相應(yīng)變化，并最終達到一種平衡，即作戰(zhàn)效能最大化。