基于綜合作戰(zhàn)區(qū)域的艦機(jī)協(xié)同反潛模型及仿真

吳 芳 吳 銘 高青偉

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇的搜潛能力各有所長，艦載反潛直升機(jī)具有反應(yīng)迅速、速度快、搜索效率高、隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)，但留空時(shí)間短、作戰(zhàn)的持續(xù)性較差，所能掛載的武器裝備的種類和數(shù)量都較少。相反，反潛水面艦艇的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：作戰(zhàn)的持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)，反潛武器裝備的種類齊全、數(shù)量多，具備比較完善的數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)；但速度慢，隱蔽性差。這兩種反潛兵力之間的互補(bǔ)性很強(qiáng)，可以取得比較理想的協(xié)同效果［1～8］。

綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛時(shí)，艦載反潛直升機(jī)通過與反潛水面艦艇的有效協(xié)同來主要承擔(dān)內(nèi)層反潛防御任務(wù)，其核心任務(wù)仍是確保航母本身的對(duì)潛防御安全。綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛主要包括綜合作戰(zhàn)區(qū)的反潛清掃、封閉入口、綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛警戒三個(gè)方面。艦載反潛直升機(jī)通常不用于反潛清掃、封閉入口，而主要用于綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛警戒，因此，艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇協(xié)同反潛時(shí)，也主要用于綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛警戒［9～11］。

由于綜合作戰(zhàn)區(qū)的位置和范圍相對(duì)固定，應(yīng)以航母為中心在綜合作戰(zhàn)區(qū)的周圍建立完整并有一定縱深的封閉式（如圓形）反潛警戒線，主要采用巡邏反潛方法完成反潛警戒任務(wù)［12］。由于航母綜合作戰(zhàn)區(qū)的范圍較大，因此，反潛警戒線應(yīng)由多種反潛兵力協(xié)同建立，其中，艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇協(xié)同反潛警戒時(shí)，主要在內(nèi)層反潛防御區(qū)承擔(dān)反潛作戰(zhàn)任務(wù)。

艦機(jī)協(xié)同的基本方法為區(qū)域協(xié)同，即把完整的反潛警戒線劃分為相對(duì)獨(dú)立的兩條或多條子警戒線，艦載反潛直升機(jī)和反潛水面艦艇分別獨(dú)立負(fù)責(zé)其中一個(gè)子警戒線的反潛巡邏任務(wù)。艦載反潛直升機(jī)既可以使用聲納浮標(biāo)也可以使用吊放聲納建立反潛警戒線，而反潛水面艦艇則主要使用艦殼聲納或拖曳聲納建立反潛警戒線。艦機(jī)協(xié)同搜索方法主要為艦機(jī)分區(qū)協(xié)同巡邏搜索方法。

本文主要研究了一種新型的綜合作戰(zhàn)區(qū)艦機(jī)協(xié)同反潛警戒方法，建立了反潛直升機(jī)和水面艦艇的初始集結(jié)點(diǎn)的位置模型、各兵力協(xié)同反潛警戒線有效長度模型，并通過仿真對(duì)該系列模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 艦機(jī)協(xié)同兵力初始集結(jié)點(diǎn)位置模型

艦艇編隊(duì)進(jìn)入綜合作戰(zhàn)區(qū)后位置一般已暴露，必然會(huì)成為敵潛艇的攻擊目標(biāo)，此外，艦艇編隊(duì)在進(jìn)入和離開綜合作戰(zhàn)區(qū)的過程中要進(jìn)行隊(duì)形變換，容易暴露出對(duì)潛防御的弱點(diǎn)，易遭敵潛艇攻擊，因此必須構(gòu)建起嚴(yán)密的反潛防御體系。

當(dāng)使用艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇協(xié)同為綜合作戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的艦艇編隊(duì)提供反潛防護(hù)時(shí)，應(yīng)以艦艇為中心，在距離艦艇一定距離上建立圓形包圍型反潛警戒線。

由于單架艦載反潛直升機(jī)或單艘反潛水面艦艇所能建立的反潛警戒線的長度有限，無法獨(dú)立建立完整的圓形包圍型反潛警戒線，因此，把所需要建立的圓形包圍型反潛警戒線劃分為若干條子警戒線，每架艦載反潛直升機(jī)和每艘反潛水面艦艇負(fù)責(zé)建立其中一條子警戒線進(jìn)行反潛警戒巡邏，通過區(qū)域協(xié)同，共同承擔(dān)艦艇編隊(duì)的反潛警戒任務(wù)。如圖1所示。

圖1 艦機(jī)分區(qū)協(xié)同巡邏搜索方法示意圖

艦機(jī)分區(qū)域協(xié)同搜索首先要確定警戒線所需的各反潛兵力數(shù)量n艦與n機(jī)，反潛直升機(jī)可以使用浮標(biāo)進(jìn)行封鎖，也可使用吊放聲納進(jìn)行巡邏，根據(jù)不同兵力各自建立的警戒線長度L單艦、L吊單和L浮單分別在總警戒線長度L總中占的比例，得出各反潛兵力警戒線對(duì)應(yīng)的角度θ艦和θ機(jī)，便可以確定各兵力的初始集結(jié)點(diǎn)。

不同反潛兵力的相對(duì)位置，根據(jù)各自的警戒特點(diǎn)以及不同方向的威脅程度而定，設(shè)綜合作戰(zhàn)防護(hù)區(qū)的半徑為r綜，各反潛兵力的初始集結(jié)點(diǎn)位置：

3 艦機(jī)兵力動(dòng)作協(xié)同模型

要建立起一條完整的圓形包圍型警戒線，所需要使用的艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇的兵力數(shù)量，應(yīng)根據(jù)每架艦載反潛直升機(jī)所能建立的單機(jī)警戒線長度和每艘反潛水面艦艇所能建立的單艦警戒線長度通過計(jì)算來確定。設(shè)一條完整的圓形包圍型警戒線的總長度為r綜，參與建立該警戒線的艦載反潛直升機(jī)的數(shù)量為n機(jī)，單機(jī)警戒線長度為L單機(jī)，參與建立該警戒線的反潛水面艦艇的數(shù)量為n艦，單艦警戒線長度為L單艦，則應(yīng)滿足：

其中，L總?cè)Q于圓形包圍型警戒線的半徑（即警戒線與綜合作戰(zhàn)區(qū)中心點(diǎn)或航母之間的距離）r綜，顯然：

因此，關(guān)鍵是要弄清楚一架艦載反潛直升機(jī)或一艘反潛水面艦艇所能建立的反潛警戒線的最大長度是多少，以便科學(xué)地計(jì)算確定參與圓形包圍型警戒線的艦載反潛直升機(jī)和反潛水面艦艇的兵力數(shù)量，并合理為艦載反潛直升機(jī)和反潛水面艦艇分配作戰(zhàn)任務(wù)。

3.1 單機(jī)警戒線長度模型

建立反潛警戒線的目的，是在敵潛艇通過時(shí)，能夠搜索發(fā)現(xiàn)敵潛艇。在此前提下，單架反潛直升機(jī)所能建立的反潛警戒線的長度應(yīng)越長越好。在艦載反潛直升機(jī)為在綜合作戰(zhàn)區(qū)活動(dòng)的航母編隊(duì)進(jìn)行反潛警戒時(shí)，既可以使用聲納浮標(biāo)建立反潛警戒線，也可使用吊放聲納建立反潛警戒線。

1）使用聲納浮標(biāo)搜索時(shí)的單機(jī)警戒線長度模型

聲納浮標(biāo)陣一旦布設(shè)完成后便可連續(xù)進(jìn)行工作，所以非常適用于綜合作戰(zhàn)區(qū)反潛警戒時(shí)艦載反潛直升機(jī)建立反潛巡邏線。此時(shí)，聲納浮標(biāo)陣型為弧線陣。聲納浮標(biāo)陣的長度即為反潛警戒線的長度。

單架反潛直升機(jī)所能布設(shè)聲納浮標(biāo)陣的長度主要取決于單架直升機(jī)所能攜帶的聲納浮標(biāo)數(shù)量、聲納浮標(biāo)陣內(nèi)聲納浮標(biāo)之間的間距和單架直升機(jī)監(jiān)聽浮標(biāo)陣的能力（監(jiān)聽距離）。通常情況下，由于反潛直升機(jī)對(duì)聲納浮標(biāo)的監(jiān)聽距離較大，再加上采取適當(dāng)?shù)娘w行監(jiān)聽方法（如平行飛行監(jiān)聽方法），監(jiān)聽能力對(duì)聲納浮標(biāo)陣的長度不構(gòu)成限制。因此，單架反潛直升機(jī)所能布設(shè)聲納浮標(biāo)陣的長度L浮單主要取決于單架直升機(jī)所能攜帶的聲納浮標(biāo)數(shù)量n浮標(biāo)和聲納浮標(biāo)陣內(nèi)聲納浮標(biāo)之間的間距d浮標(biāo)間距以及單枚聲納浮標(biāo)有效探測距離D浮標(biāo)，即：

其中，d浮標(biāo)間距主要取決于D浮標(biāo)和相鄰浮標(biāo)之間有效探測距離的重疊情況（即重疊系數(shù)K重疊），即：

其中，K重疊取決于戰(zhàn)術(shù)使用中對(duì)有效搜索寬度和搜索可靠性的要求，在建立反潛警戒線時(shí)，K重疊通?？扇?.8～0.9。

綜合式（4）和式（5）可得：

艦載反潛直升機(jī)使用聲納浮標(biāo)進(jìn)行封鎖巡邏運(yùn)動(dòng)流程如圖2所示。

圖2 艦載反潛直升機(jī)浮標(biāo)陣封鎖警戒流程圖

2）使用吊放聲納搜索時(shí)的單機(jī)警戒線長度模型

直升機(jī)反潛警戒線的長度L吊單主要取決于反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索的平均搜索速度v搜索和敵潛艇通過反潛警戒線所需要的時(shí)間t通過：

其中，設(shè)吊放點(diǎn)間距為d吊，吊放聲納搜索的平均搜索速度v搜索為

其中，d吊對(duì)平均搜索速度和巡邏線長度都有重要影響，主要依據(jù)吊放聲納的有效探測距離D吊在作戰(zhàn)使用過程中確定，是一個(gè)重要的戰(zhàn)術(shù)變量，巡邏搜索時(shí)，d吊通常取D吊的1.8倍。而t周期是指：反潛直升機(jī)使用吊聲搜索時(shí)，從到達(dá)一個(gè)懸停探測點(diǎn)開始，下放聲納探頭至預(yù)定深度，監(jiān)聽聲納信號(hào)，收起吊放聲納，至飛到下一個(gè)懸停探測點(diǎn)這一過程所花費(fèi)的總時(shí)間。即，t周期為

式中，收放吊放聲納探頭所用的時(shí)間t收放、監(jiān)聽吊放聲納所用的時(shí)間t監(jiān)聽、反潛直升機(jī)從當(dāng)前懸停探測點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)懸停探測點(diǎn)所用的飛行時(shí)間t轉(zhuǎn)移。

其中，t轉(zhuǎn)移決定于d吊和反潛直升機(jī)從當(dāng)前懸停探測點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)懸停探測點(diǎn)時(shí)的飛行速度v轉(zhuǎn)移，即：

t通過與搜索寬度w滿足如下關(guān)系：

有：

每一架艦載反潛直升機(jī)從各自的子警戒線的一端按照相同方向（順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向，實(shí)際搜索時(shí)，需要根據(jù)作戰(zhàn)海區(qū)的風(fēng)向確定）依次懸停探測，相鄰懸停探測點(diǎn)之間的間距一般為吊放聲納有效探測距離的1.8倍，直至到達(dá)子警戒線的末端，然后折返，按照原搜索方向相反的方向依次懸停探測。如此反復(fù)。

艦載反潛直升機(jī)使用吊放聲納進(jìn)行封鎖巡邏運(yùn)動(dòng)流程如圖3所示。

圖3 艦載反潛直升機(jī)吊放聲納封鎖警戒流程圖

3.2 單艦警戒線長度模型

反潛水面艦艇通常使用艦殼聲納或拖曳聲納建立反潛警戒線，這兩種聲納雖然性能不同（主要體現(xiàn)為有效探測距離），但搜索原理類似，因此，無論是使用艦殼聲納還是使用拖曳聲納建立反潛警戒線，單艦警戒線長度模型都是一樣的。

反潛水面艦艇使用艦殼聲納或拖曳聲納建立反潛警戒線時(shí)，根據(jù)搜索理論，單艘反潛水面艦艇所能建立的反潛警戒線的最大長度L單艦主要取決于反潛水面艦艇使用艦殼聲納或拖曳聲納搜索時(shí)的航行速度v搜索和敵潛艇通過反潛巡邏線所需要的時(shí)間 t通過：

其中，t通過取決于反潛水面艦艇使用艦殼聲納或拖曳聲納搜索時(shí)的有效搜索寬度w和敵潛艇通過反潛警戒線時(shí)的航速v潛，即：

w則取決于艦殼聲納或拖曳聲納的有效探測距離D艦：

因此：

綜合式（13）與式（15）可得：

在各反潛兵力到達(dá)指定集結(jié)點(diǎn)位置后，便可在各自指定的警戒線上開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)搜潛。

4 界面動(dòng)態(tài)仿真演示

綜合作戰(zhàn)區(qū)域反潛模型需要設(shè)置的參數(shù)包括：反潛兵力的數(shù)量n艦和n機(jī)反潛直升機(jī)使用的設(shè)備（浮標(biāo)或吊聲）、可攜帶浮標(biāo)數(shù)量n浮、相應(yīng)的有效作用距離(D浮或D吊)、水面艦艇探測范圍D艦、反潛直升機(jī)速度V直、水面艦艇速度V艦、敵潛艇武器的最大射程r潛以及探測周期t周期。通過計(jì)算可以得出警戒區(qū)域的半徑r警、單機(jī)使用浮標(biāo)警戒線長度L浮單、單機(jī)使用吊放聲納警戒線長度L吊單、單艦警戒線長度L單艦。

仿真畫面如圖4所示。

圖4 綜合作戰(zhàn)區(qū)域艦機(jī)協(xié)同反潛模型演示畫面

5 結(jié)語

艦載反潛直升機(jī)與編隊(duì)內(nèi)的反潛水面艦艇都是航母編隊(duì)的主要反潛兵力，共同承擔(dān)航母編隊(duì)的反潛防御作戰(zhàn)任務(wù)。本文主要研究了一種新型的綜合作戰(zhàn)區(qū)艦機(jī)協(xié)同反潛警戒方法，建立了反潛直升機(jī)和水面艦艇的初始集結(jié)點(diǎn)的位置模型、各兵力協(xié)同反潛警戒線有效長度模型，并通過仿真對(duì)該系列模型進(jìn)行驗(yàn)證。