一種新型水下搜索模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

趙科莉，李 奔，鄧烈威，張德洋，歐陽(yáng)帥捷

(1. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水下搜索作戰(zhàn)主要目標(biāo)是在遂行其他作戰(zhàn)任務(wù)情況下，確保高價(jià)值目標(biāo)水下安全[1-2]。潛艇的隱蔽性能好、打擊能力強(qiáng)向來(lái)是水面艦艇的巨大威脅，如何提高對(duì)潛作戰(zhàn)效能，提高水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率，縮短發(fā)現(xiàn)時(shí)間是水下搜索作戰(zhàn)亟待解決的重要課題[3]。水下搜索作戰(zhàn)涉及到包括水面艦艇、直升機(jī)和潛艇等多兵種之間多傳感器多武器的協(xié)同和對(duì)抗，十分復(fù)雜[4]。水介質(zhì)的復(fù)雜性也給水下搜索帶來(lái)了很大困難，水下搜索設(shè)備的性能、可靠性等指標(biāo)均受到很大影響。因此，以提升水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率，縮短發(fā)現(xiàn)時(shí)間為目標(biāo)，研究水下搜索群兵力配置、傳感器性能指標(biāo)和工作模式等影響因素對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間所作的貢獻(xiàn)，解決水下搜索的瓶頸問(wèn)題顯得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種支持水下搜索群兵力陣位部署、參數(shù)配置和能力評(píng)估的新型水下搜索模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)數(shù)字化仿真方法，研究傳感器探測(cè)范圍、飛機(jī)點(diǎn)水間隔以及陣位間距等因素對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間的影響。系統(tǒng)完成了功能設(shè)計(jì)，并通過(guò)建立水下搜索群兵力的傳感器模型、運(yùn)動(dòng)模型以及能力評(píng)估模型，模擬了基于水下搜索平臺(tái)之間的信息交互和互聯(lián)互通的對(duì)水下搜索活動(dòng)，得到了水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間隨傳感器探測(cè)范圍、飛機(jī)點(diǎn)水間隔以及陣位間距變化的動(dòng)態(tài)結(jié)果。

1 水下搜索模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下搜索模擬系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)字化仿真手段，開(kāi)展水下搜索模擬系統(tǒng)水下搜索兵力的要素模型、運(yùn)動(dòng)模型以及能力評(píng)估模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)艦機(jī)協(xié)同水下搜索

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 System structure

條件下的水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率指標(biāo)分析，研究傳感器探測(cè)范圍、飛機(jī)點(diǎn)水間隔以及陣位間距對(duì)水下搜索發(fā)現(xiàn)概率的影響。按照支撐層、模型層、應(yīng)用層的3層架構(gòu)進(jìn)行模擬系統(tǒng)的構(gòu)建，支撐層是底層運(yùn)行環(huán)境，支撐系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)備，模型層為支撐模擬系統(tǒng)運(yùn)行的引擎、工具和模型庫(kù)，應(yīng)用層為直接面向使用者，包括想定編輯系統(tǒng)、導(dǎo)調(diào)干預(yù)系統(tǒng)和能力評(píng)估系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。水下搜索群兵力通常在指定區(qū)域建立攔截巡邏線阻止敵潛艇進(jìn)入，提供水下搜索警戒[2,5]。本文水下搜索模擬系統(tǒng)水下搜索群兵力構(gòu)成為4艘水面艦艇仿真節(jié)點(diǎn)和4架艦載水下搜索直升機(jī)仿真節(jié)點(diǎn)，對(duì)方構(gòu)成為4艘核潛艇仿真節(jié)點(diǎn)。其中，4艘水面艦艇仿真節(jié)點(diǎn)均配置1型拖曳聲吶和1型艦殼聲吶，4架艦載水下搜索直升機(jī)仿真節(jié)點(diǎn)均配置1型吊放聲吶，4艘核潛艇仿真節(jié)點(diǎn)均配置1型拖曳聲吶和1型艦首聲吶，系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成Fig. 2 System composition

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

水下搜索模擬系統(tǒng)主要具備想定編輯和推演、導(dǎo)調(diào)干預(yù)和能力評(píng)估等功能。系統(tǒng)支持仿真想定編輯、動(dòng)態(tài)調(diào)整和人不在回路的自動(dòng)推演；支持傳感器參數(shù)動(dòng)態(tài)配置；支持飛機(jī)點(diǎn)水間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整；支持水下搜索群兵力陣位動(dòng)態(tài)調(diào)整；支持?jǐn)碀撏R機(jī)調(diào)整下潛深度、航速和航向；支持水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間等能力評(píng)估。

1.2 傳感器模型設(shè)計(jì)

傳感器模型設(shè)計(jì)主要考慮傳感器的探測(cè)范圍、探測(cè)方位、發(fā)現(xiàn)概率、工作周期等參數(shù)。同時(shí)，考慮敵方潛艇下潛深度以及敵方潛艇航速對(duì)傳感器探測(cè)范圍和發(fā)現(xiàn)概率的影響。當(dāng)藍(lán)方潛艇發(fā)現(xiàn)我方兵力后，潛艇隨機(jī)增加潛深或者降低航速，同時(shí)我方聲吶探測(cè)范圍降低，并且發(fā)現(xiàn)概率變小。

1.3 運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)

初始狀態(tài)下，4艘水面艦艇和4架水下搜索直升機(jī)根據(jù)陣形設(shè)置分布在指定區(qū)域。實(shí)際推演時(shí)，水面艦艇作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，平均速度v艦艇，往返距離D艦艇往返，水下搜索直升機(jī)采用點(diǎn)水探測(cè)樣式作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，平均速度v飛機(jī)，點(diǎn)水間距D點(diǎn)水，點(diǎn)水周期D點(diǎn)水周期，飛機(jī)飛行速度v飛機(jī)，往返距離D飛機(jī)往返，各平臺(tái)機(jī)動(dòng)一致（同時(shí)順時(shí)針或逆時(shí)針）。敵潛艇部署于指定區(qū)域的4個(gè)方向，以初始速度v敵潛艇，向指定區(qū)域中心機(jī)動(dòng)。

1.4 能力評(píng)估模型設(shè)計(jì)

現(xiàn)代潛艇以其優(yōu)良的靜音性、隱蔽性，對(duì)水下區(qū)域構(gòu)成的威脅日益嚴(yán)峻[6-8]。在水下搜索作戰(zhàn)中，對(duì)潛艇的發(fā)現(xiàn)變得越來(lái)越難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，作戰(zhàn)模擬已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)效能分析的最基本方法[9]，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在考慮對(duì)抗的條件下，以具體作戰(zhàn)環(huán)境和一定兵力編成背景來(lái)評(píng)價(jià)效能[10]。本文采用多次仿真模擬的方法，重點(diǎn)研究傳感器探測(cè)范圍、飛機(jī)點(diǎn)水間隔以及搜索兵力陣位間距對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間的影響。水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率的定義為：在水下搜索群兵力對(duì)水下探測(cè)能力覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)水下目標(biāo)時(shí)，水下搜索群兵力能夠探測(cè)并識(shí)別出水下目標(biāo)的概率。水下搜索群發(fā)現(xiàn)時(shí)間的定義為：在水下搜索群兵力對(duì)水下探測(cè)能力覆蓋范圍內(nèi)，從仿真開(kāi)始到水下搜索群兵力首次探測(cè)并識(shí)別出水下目標(biāo)的時(shí)間。。敵潛艇個(gè)數(shù)為

2 水下搜索模擬系統(tǒng)仿真

2.1 典型陣位部署

圖7 點(diǎn)水間隔對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)時(shí)間影響Fig. 7 the influence of aircraft water interval to detection time of submarine searching group

假定水下搜索兵力的陣位間距為67 km，72 km，77 km，82 km和87 km時(shí)，仿真100次，計(jì)算水下搜索發(fā)現(xiàn)概率的值，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 陣位間距對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率影響Fig. 8 the influence of position space to detection probability of submarine searching group

圖9 陣位間距對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)時(shí)間影響Fig. 9 the influence of position space to detection time of submarine searching group

可以看出，水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率隨著陣位間距增大先變大后變小，水下搜索群發(fā)現(xiàn)時(shí)間隨著陣位間距增大先變小后增大，陣位部署為77 km時(shí)，水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率達(dá)到最大值，發(fā)現(xiàn)時(shí)間最小，由于陣位間距為77 km時(shí)，水下搜索兵力剛好能夠相成嚴(yán)密的對(duì)潛警戒探測(cè)圈，所以水下搜索發(fā)現(xiàn)概率最大，發(fā)現(xiàn)時(shí)間最??；陣位部署繼續(xù)增大時(shí)，水下搜索兵力的有效探測(cè)范圍占比變小，探測(cè)盲區(qū)增大，敵潛艇突破水下搜索兵力的探測(cè)圈概率增大，所以水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率降低，發(fā)現(xiàn)時(shí)間升高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了指定區(qū)域水下搜索模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，綜合考慮敵潛艇下潛深度以及敵潛艇航速對(duì)傳感器探測(cè)范圍和發(fā)現(xiàn)概率的影響，通過(guò)建立較為真實(shí)的仿真節(jié)點(diǎn)、傳感器、運(yùn)動(dòng)規(guī)則以及能力評(píng)估模型，配置合理的水下搜索兵力陣位部署，完成了聲吶探測(cè)范圍、吊放聲吶點(diǎn)水間隔以及陣位間距對(duì)水下搜索群發(fā)現(xiàn)概率和發(fā)現(xiàn)時(shí)間的影響的定量和定性分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)間隨著發(fā)現(xiàn)概率變化逆向變化，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。