艦載直升機指控系統(tǒng)試飛資源配置研究

袁大天,于芳芳,陳 亮

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

艦載直升機在20世紀70年代已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模,根據(jù)任務(wù)需要,涉及反潛、反艦、警戒、偵察、電子戰(zhàn)、搜救、運輸、火力支援和反水雷等多種任務(wù)領(lǐng)域[1]。預(yù)警指揮類艦載直升機是以水面艦艇為搭載平臺,滿足了艦艇編隊海上預(yù)警、指揮控制的需求,其可與艦載機、預(yù)警機、艦基指揮系統(tǒng)有效協(xié)同,擴展編隊的立體對空觀察體系,本文所描述的艦載直升機均指艦載預(yù)警直升機。

目前國內(nèi)對艦載直升機的研究也形成了一定的規(guī)模,張智瑋等分析了復(fù)雜電磁環(huán)境對艦載直升機戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信的數(shù)據(jù)率和誤碼率的影響,并從電磁兼容、電磁頻譜管控、雷達合理組網(wǎng)部署等技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)層面對提高艦載防空探測設(shè)備預(yù)警能力提出了建議[2]。不少高校和研究院所對艦載直升機和指揮控制系統(tǒng)開展了理論仿真和數(shù)值模擬研究,主要關(guān)注了艦載直升機對空預(yù)警性能仿真分析[3-6],多架艦載直升機在反潛、預(yù)警任務(wù)中的編隊配置研究[7-11],預(yù)警機指揮控制系統(tǒng)仿真建模與效能評估研究[12-16],對于艦載直升機的飛行試驗,主要集中在起降包線,飛行品質(zhì)方面的研究[17-19], 艦載指揮控制系統(tǒng)飛行試驗方面的研究相對較少。王睿等針對預(yù)警機指揮控制系統(tǒng)中的威脅估計問題,提出了一種基于補償直覺模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CIFNS)的威脅估計方法[20]；張西川等針對機載C3I系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)質(zhì)量評估模型,將粗糙集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,提出了一種試飛數(shù)據(jù)綜合質(zhì)量的計算方法[21]。

本文首先從前出距離、攔截對象、預(yù)警探測距離和攔截區(qū)域4個方面,分析了艦載直升機指揮控制系統(tǒng)的特點,建立以艦載直升機為指揮中心的對空預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型,再基于上述模型,在一定的假設(shè)條件下,仿真計算了來襲目標和艦隊攔截條件各因素之間的相互關(guān)系,得出在艦載直升機的前出距離、探測距離和艦隊的攔截距離之間優(yōu)化配置各指控要素的約束條件,從而為最大限度地利用現(xiàn)有的試驗資源提供參考,提高艦載直升機指揮控制系統(tǒng)的試飛效率和質(zhì)量。

1 艦載直升機指揮控制系統(tǒng)的特點

艦載直升機指揮控制系統(tǒng)利用機載電子設(shè)備,完成預(yù)警探測、目標識別、情報處理、數(shù)據(jù)融合、指揮控制功能,其可以為艦隊武器在其最大射程上對來襲目標進行攔截提供預(yù)警攔截方案和反應(yīng)時間。對于有陸基航空兵掩護的艦艇編隊,攔截距離是自編隊到陸基航空兵最大作戰(zhàn)半徑的距離;對于一般的驅(qū)護艦編隊,攔截距離是編隊中所裝備的艦空導(dǎo)彈的最大射程;對于搭載艦載機的艦艇編隊,攔截距離是自編隊到艦載機攔截線的距離。

艦載直升機指揮控制系統(tǒng)飛行試驗和使用方面考慮的重點因素在于:

1) 前出距離。由于艦載直升機在執(zhí)行任務(wù)后或需要補給時,必須返回其搭載的搭載平臺,因此前出不能太遠,同時要保證留給艦隊足夠的預(yù)警距離和預(yù)警時間,因此其前出距離的限制條件較多。

2) 攔截對象。艦載直升機預(yù)警攔截對象主要為攻擊機、艦載或機載反艦導(dǎo)彈,多為低空來襲目標。

3) 預(yù)警探測距離。受艦載直升機自身平臺的限制,艦載直升機的預(yù)警探測距離相對較小。

4) 攔截區(qū)域。由于艦載機的作戰(zhàn)半徑一定,因此攔截線一般是以艦隊為圓心,艦載機作戰(zhàn)半徑為半徑的一個圓型或扇形區(qū)域。

2 艦載直升機指揮控制系統(tǒng)試飛資源配置

艦載直升機指揮控制系統(tǒng)飛行試驗是一項復(fù)雜工程,其特點表現(xiàn)為多批、多路、多層次戰(zhàn)術(shù)引導(dǎo)的綜合試飛,導(dǎo)致飛行試驗的科目、架次多,難度大,編隊試飛密度高,飛行試驗安全保證尤為重要,因此需要科學(xué)合理的規(guī)劃試飛資源和試飛方案。這里的試飛資源特指為指控系統(tǒng)試飛配試的艦載機和目標機,資源配置則是針對艦載直升機的特點和艦隊攔截條件以及威脅目標特點,配置前出距離、攔截速度、來襲速度等約束條件,采用科學(xué)的試驗規(guī)程和評判準則來完成試驗,在有限的條件和時段內(nèi)獲取盡可能多的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.1 艦載直升機巡邏航線長度

巡邏航線長度是指艦載直升機在一定的高度、速度以及留空時間條件下的距載艦的活動半徑,航線長度會直接影響艦隊的預(yù)警時間和預(yù)警距離。我們采用標準矢量坐標,以直升機的載艦為矢量坐標的原點,即前出距離基準點,以載艦與主要威脅方向(如飛機、導(dǎo)彈來襲方向)的連線建立威脅軸,前出距離的另一端取威脅軸上的一點作為端點。由于艦艇編隊各艦船的間距要遠小于艦載直升機的預(yù)警距離,因此可以將整個編隊視為一個點,從而來襲目標的威脅扇面角則是以整個編隊點為圓心的扇面角,而不是針對某一艘艦船,即可以忽略編隊隊形變化對直升機預(yù)警效果的影響。

試驗中,我們以單架艦載直升機在一個威脅扇面內(nèi)的預(yù)警/攔截引導(dǎo)過程進行方案設(shè)計,艦載直升機預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型如圖1所示,以直升機所在位置為圓心B,以直升機預(yù)警雷達探測半徑Dtc為半徑畫半圓,該半圓表示直升機的警戒區(qū)域。過圓心B垂直威脅軸作圓的一條直徑,則直升機的警戒區(qū)域相對于載艦構(gòu)成一個以威脅軸為扇面中心線的警戒扇面。

從直升機發(fā)現(xiàn)目標開始到艦載機到達攔截線與目標遭遇所需時間,可由下式估算出來:

(1)

由圖1所示的幾何關(guān)系可得出:

DW=Dlj+VmT

(2)

(3)

進而可求得艦載直升機對空預(yù)警時的最小前出距離為

(4)

式中，DW為艦隊在有直升機探測下的預(yù)警距離,單位km;Dlj為我方攔截機攔截線,單位單位km;Dd為直升機前出距離,單位km;Dtc為直升機探測距離,單位km;α為敵方武器對我編隊的威脅扇面,單位°;Vm為來襲目標速度,單位m/s;Vj為我方攔截機速度,單位m/s;Tcc為艦載直升機指揮控制系統(tǒng)計算所需時間,單位s;Tc為我方通信時間,單位s;Tcd為我方攔截機出動時間,單位s。

2.2 艦載直升機航線高度

在試驗航線高度的規(guī)劃時,艦載直升機的航線高度涉及兩個方面的因素。

首先,艦載直升機對海面和低空目標探測時,雷達發(fā)現(xiàn)目標的距離為幾何直視距離,由于受地球曲率的影響,直升機的航線飛行高度應(yīng)保證目標在直升機視距范圍內(nèi),并且盡量保持在較高的高度,以充分發(fā)揮機載雷達的探測性能,因此,其航線飛行高度可由視距通信公式轉(zhuǎn)化而來，即

(5)

式中:Hhx為直升機航線飛行高度,單位m;Hmb為來襲目標的飛行高度,單位m,當Hmb遠小于Dtc時,上式可簡化為

(6)

其次,考慮艦載直升機的實際使用環(huán)境,一般在海上飛行,同時飛行區(qū)域在艦隊對空火力覆蓋范圍以內(nèi),因此,應(yīng)保證其在海上最小安全飛行高度以上,盡可能保持較高的高度,以避免在實施對低空來襲目標攔截的誤傷和直升機在撤離時自身故障導(dǎo)致的安全隱患。因此,艦載直升機指揮控制系統(tǒng)試驗的航線高度應(yīng)滿足Hws≤Hhx≤Hrw,其中:Hws為避免艦隊防空武器系統(tǒng)對低空來襲目標實施攔截時造成誤傷的安全高度,Hrw為綜合考慮任務(wù)類型、燃油量、留空時間等因素的任務(wù)執(zhí)行高度。

2.3 配試目標配置模型

配試目標是指模擬來襲目標的試驗資源,針對艦載直升機的使用特點,在試驗資源的配置時,應(yīng)考慮來襲目標、直升機自身限制條件以及我方攔截能力等方面的約束,這里重點針對配試目標資源的來襲速度進行分析,評估目標來襲速度的變化對直升機前出距離和攔截引導(dǎo)試飛的影響。

根據(jù)攔截引導(dǎo)模型可知,將式(3)代入式(4)得到來襲目標速度和直升機前出距離的關(guān)系:

(7)

在該情況下,假定Dlj=150 km,Dtc=150 km,Vj=280 m/s,Tcc=10 s,Tc=5 s,Tcd=120 s,α=30°,在目標速度Vm取值200 m/s到1 000 m/s的范圍內(nèi),對直升機前出距離進行計算,得到直升機前出距離與來襲目標速度的關(guān)系,計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 直升機前出距離與來襲目標速度的關(guān)系

由圖2可見,如果選取直升機探測距離為150 km、攔截機攔截線為150 km以及假定的其他各因素一定的前提下,直升機前出距離隨著目標速度的增加呈明顯上升的趨勢,當目標速度為200 m/s的時候,前出距離為143 km左右,當目標速度增加到400 m/s的時候,前出距離上升為300 km左右。

圖2中每條曲線均存在著一個拐點,當目標速度大于等于該拐點對應(yīng)的速度值時,直升機的前出距離沒有實數(shù)解。例如,圖中實線的拐點對應(yīng)速度為641 m/s,意味著,當目標速度大于641 m/s的時候,直升機的前出距離沒有意義,已經(jīng)無法實現(xiàn)早期預(yù)警、引導(dǎo)攔截的功能了。當前面的各假定因素發(fā)生變化的時候,該拐點的位置也會相應(yīng)變化。

以直升機前出距離不大于圖2中拐點對應(yīng)的直升機的前出距離為限制條件(即保證直升機前出有意義),代入不同的攔截位置,計算在不同攔截位置時,前出距離和目標來襲速度的關(guān)系曲線,得到多組前出距離-來襲目標速度關(guān)系曲線,從而得到前出距離一定時,攔截位置和來襲速度的約束條件,其約束條件如圖3所示,在直升機前出距離一定、攔截機速度一定的情況下,針對來襲目標速度的變化一一對應(yīng)著目標攔截位置設(shè)置的最大值,隨著來襲目標速度的增大,目標攔截位置呈下降的趨勢,在約束條件下設(shè)計相應(yīng)的試驗科目,能夠提高指揮控制系統(tǒng)試飛的有效性和成功率。

圖3 目標攔截位置與目標來襲速度的約束條件

2.4 基于直升機自身能力的配置模型

這里,直升機自身能力主要是指其雷達探測能力,評估直升機自身探測能力的變化對其前出距離和攔截引導(dǎo)能力的影響。

我們假定在此情況下,Dlj=150 km,Vj=280 m/s,Vm=300 m/s,Tcc=10 s,Tc=3 s,Tcd=120 s,α=30°,直升機探測距離Dtc取值范圍為50 km至180 km,將上述假設(shè)條件代入式(4),得出直升機探測距離與前出距離的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 直升機前出距離與其探測距離的關(guān)系

由圖4可知,在假設(shè)我方攔截位置為150 km,以及其他假設(shè)條件一定的前提下,隨著直升機雷達探測距離的增加或者稱探測能力的提升,直升機前出距離呈現(xiàn)下降的趨勢,探測距離為100 km時,前出距離為296 km左右,當探測距離提升至150 km時,前出距離減小至220 km左右。而且,可以看出圖4中的曲線也都存在一個拐點,這說明,在這個拐點處,即當直升機探測距離小于該拐點對應(yīng)的探測距離時,直升機前出距離沒有實數(shù)解,即直升機已不能完成預(yù)警任務(wù)。

為了在直升機前出距離的限制條件下保證前出距離有實數(shù)解,選取不同的目標攔截位置,得到多組直升機探測距離和其前出距離的關(guān)系曲線,從而得到直升機前出距離一定時,目標攔截位置和直升機探測能力的約束條件,其約束條件如圖5所示,即當我方攔截機選取不同攔截位置時,一一對應(yīng)直升機探測距離的最小值,當直升機探測距離大于等于該臨界值時,才能保證保證直升機前出有意義,能夠為艦隊提供足夠的預(yù)警時間。

圖5 直升機探測距離與目標攔截位置的約束條件

2.5 基于艦隊攔截能力的配置模型

這里的攔截能力包含兩個主要因素,即攔截機對目標的攔截位置和攔截機飛行速度,這兩個自變量相互影響,基于艦隊攔截能力的配置模型,主要是找出上述兩個主要因素的變化與直升機前出距離的關(guān)系。

我們假定在此情況下,Dtc=150 km,Vm=300 m/s,Tcc=10 s,Tc=3 s,Tcd=120 s,α=30°,目標攔截位置Dlj取值范圍為20 km至240 km,攔截機速度Vj取值范圍為100 m/s至1 000 m/s,代入式(4)對直升機前出距離進行計算,得到直升機前出距離與目標攔截位置和攔截機速度之間的關(guān)系,計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 直升機前出距離與艦隊攔截能力的關(guān)系

由圖6可知,在假設(shè)直升機探測距離為150 km以及其他假設(shè)條件一定的前提下,隨著目標攔截位置的增加,直升機的前出距離呈現(xiàn)明顯上升趨勢,隨著攔截機速度的增加,直升機前出距離會呈現(xiàn)微弱的下降趨勢,圖6中不同的目標攔截位置和攔截機速度,對應(yīng)著不同的直升機前出距離值。

同樣,從圖6中可以看出,整個曲面的變化并非連續(xù)平滑變化,存在轉(zhuǎn)折的部分,這是由一些非實數(shù)解造成的,這也就意味著,當目標攔截位置增加到一定的數(shù)值,當攔截機速度下降到一定數(shù)值時,直升機的前出距離沒有實數(shù)解,前出無意義。

與前面的分析過程類似,為了在直升機前出距離限制條件下保證前出距離有實數(shù)解,設(shè)置不同的直升機探測距離,得到多組直升機探測距離和艦隊攔截能力的關(guān)系曲面,從而得到直升機前出距離一定時,目標攔截位置、攔截機速度和直升機雷達探測能力的約束條件,其約束條件如圖7所示。

圖7 直升機探測距離與艦隊攔截能力的約束條件

上述各約束條件的分析對飛行試驗方案的規(guī)劃具有很大的參考價值,我們可以根據(jù)艦載直升機預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型為基礎(chǔ),仿真計算出當直升機前出距離、指揮控制系統(tǒng)計算能力、我方攔截機出動時間等試驗條件一定的情況下,直升機探測能力、我方攔截機速度、目標攔截位置、來襲目標速度之間的關(guān)系,得出其相互約束條件,從而根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件,有針對性地設(shè)計指揮控制系統(tǒng)的試驗方案,從準備階段、預(yù)警階段、引導(dǎo)階段進行試飛方案的規(guī)劃,科學(xué)、合理地配置各類試驗資源,尤其是針對艦載直升機的探測能力和我方艦隊攔截能力,優(yōu)化匹配不同的來襲目標類型,設(shè)計更多的試驗點,獲取更多的、更廣泛的試驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

通過建立艦載直升機預(yù)警/攔截引導(dǎo)數(shù)學(xué)模型,對艦載直升機的前出距離、探測距離、攔截機速度、目標攔截位置、來襲目標速度之間的關(guān)系進行計算,得出當直升機前出距離一定時,其他試驗資源之間的約束關(guān)系,用于指導(dǎo)試驗方案的規(guī)劃,對試驗資源合理配置條件如下:

1)來襲目標速度對目標攔截位置的試驗約束條件,目標最大攔截位置隨著來襲目標速度增加呈現(xiàn)下降的趨勢;

2)直升機探測距離與目標攔截位置的試驗約束條件,隨著目標攔截位置距艦隊距離的增加,對艦載直升機的探測距離要求也相應(yīng)的增加;

3)直升機探測距離、攔截機速度與目標攔截位置的試驗約束條件,隨著目標攔截位置距艦隊距離的增加,攔截機飛行速度的提高和直升機探測距離的提升起到相互補充的作用。