航母編隊中程防潛警戒艦艇對潛搜索仿真

王步云，孫衛(wèi)東，姜 偉

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116023)

航母編隊中程防潛警戒艦艇是編隊對潛警戒體系中的重要一環(huán)，部署在潛艇的重點威脅方向上，為航母編隊對潛防御提供早期預(yù)警。文獻[1-2]對中程防潛警戒艦艇的配置方法進行了詳細研究，確定了中程警戒艦艇相對航母的距離和方位，但對于艦艇在警戒區(qū)內(nèi)如何開展對潛搜索涉及較少；文獻[3]僅對直航搜索下的艦艇行動方法進行了簡要探討，并沒有比較分析不同搜索方式優(yōu)劣，也沒有分析各種因素對對潛警戒的影響。

為此采用蒙特卡羅方法，對中程防潛警戒艦艇不同搜索方法下的對潛搜索進行了仿真，比較了不同搜索方法的優(yōu)劣，定量分析了搜索速度、搜索時間等因素對防潛警戒的影響，為確定中程防潛警戒艦艇的搜索方法提供了依據(jù)。

1 航母中程反潛警戒

1.1 航母中程反潛警戒區(qū)

航母編隊航渡過程中，編隊指揮員通常需要根據(jù)敵潛艇反艦武器的攻擊距離和范圍，將航母編隊對潛防御體系劃分為遠程、中程和近程三個對潛防御區(qū)域，以構(gòu)建嚴密的對潛防御體系。

設(shè)置航母中程反潛區(qū)的主要目的是防止敵潛艇占領(lǐng)中近程反艦導(dǎo)彈攻擊陣位，使用中近程反艦導(dǎo)彈對航母實施攻擊，或阻止敵潛艇進一步接近占領(lǐng)魚雷攻擊陣位。擔負航母編隊中程反潛任務(wù)的兵力一般是裝備了拖曳聲吶的艦艇或艦載直升機，要求警戒兵力能夠先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊，及時消除潛艇采用中程導(dǎo)彈攻擊航母或進一步突破航母對潛警戒體系的可能。

1.2 艦艇搜索方法

在中程反潛區(qū)內(nèi)，中程防潛艦艇主要使用拖曳聲吶進行對潛搜索。然而由于拖曳聲吶的工作對艦艇航速有一定要求，而航母編隊航速較大，超過了拖曳聲吶正常工作速度，為了能對航母本艦保持一個警戒線并且持續(xù)為航母提供警戒，艦艇需要采取“高速航行/低速搜索”的蛙跳戰(zhàn)術(shù)[3]，以期望在整個航段內(nèi)的平均速度能與編隊速度一致。

蛙跳就是在某一距離內(nèi)艦艇以低速進行正常搜索，搜索一定時間后，以高速達到另一點后再開始搜索，是一種類似蛙跳的間斷搜索。過程描述如下：首先控制本艦航行速度，根據(jù)需要放聲吶拖纜入水，待線列陣穩(wěn)定后，拖曳聲吶正式工作，工作一段時間后停止探測，開始回收拖纜；回收完畢后高速航行一段時間至新搜索點，并將速度降至低速，開始放拖纜入水，準備探測，開始新的探測周期[4]。而在具體實施過程中，可以根據(jù)需要采用直航搜索、曲線搜索及混合搜索等方式實施，如圖1所示。

圖1 艦艇三種不同搜索方式

直航搜索是指整個蛙跳搜索期間只有速度變化，航向始終與編隊航行方向保持一致。如圖1 a)所示。圖中段1為放纜階段，段2為探測階段，段3為收纜階段，段4為高速航行階段(下同)。直航搜索也是目前最為常用的一種搜索方式。

另一種方式是曲線搜索，如圖1 b)所示。開始階段艦艇航向與編隊航向偏離一定夾角，在完成第一階段放纜、探測、收纜后，轉(zhuǎn)向至另一方向高速航行(段4，與編隊航向夾角不變)，到達新探測點后，再開始第二階段的放纜、探測、收纜，以此循環(huán)。

第3種方式是混合搜索,即結(jié)合直航搜索和曲線搜索方法，如圖1 c)所示?；旌纤阉鞯姆爬|、探測、收纜階段與曲線搜索相同，高速航行航向設(shè)定為編隊航向，以期減小高速航行時間，增加對潛搜索時間。

上述3種方式的優(yōu)劣如何、指揮員應(yīng)該如何選擇是需要深入分析的問題，此外單個搜索周期內(nèi)的搜索時間、搜索速度等因素對對潛發(fā)現(xiàn)概率的影響也需進一步研究。

2 仿真模型建立

2.1 相關(guān)假設(shè)條件

為簡化仿真要素，假設(shè)條件如下：

1)不考慮艦艇加、減速過程以及轉(zhuǎn)彎旋回；

2)隱蔽性是潛艇的生命線，若艦艇發(fā)現(xiàn)潛艇，將極大削弱潛艇對航母的威脅，因此艦艇在警戒區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)潛艇可視為警戒成功，否則視為失敗。

2.2 相關(guān)模型

1)中程警戒區(qū)模型

警戒艦艇的主要職責是在中程反潛警戒區(qū)內(nèi)進行警戒搜索。警戒區(qū)大小往往根據(jù)航段長度、警戒艦艇能力而定,在仿真中可以將反潛警戒區(qū)設(shè)定為矩形，其寬度為2倍的艦艇拖曳聲吶最大作用距離，長度設(shè)定為航母編隊航渡對應(yīng)的航段距離。當航母航行至某一航段終點，警戒艦艇也應(yīng)航行至終點，與航母同時開始下一個航段，因此警戒艦艇在警戒區(qū)內(nèi)的搜索應(yīng)是一個單程搜索。

2)潛艇分布模型

潛艇在中程警戒區(qū)的初始位置隨機生成，航速固定，航向垂直指向航母編隊的航行方向，欲突破編隊警戒，占領(lǐng)反艦導(dǎo)彈發(fā)射陣位，不考慮潛艇深度。

假設(shè)反潛警戒區(qū)左下角坐標經(jīng)緯度為(N1,E1),右上角坐標經(jīng)緯度為(N2,E2)，那么潛艇經(jīng)緯度(NQ,EQ)分別為

NQ=N1+(N2-N1)*rand(0，1)，

EQ=E1+(E2-E1)*rand(0，1)

rand(0，1)表示在0和1之間均勻分布的隨機數(shù)。

3)聲吶探測模型

仿真中聲吶探測主要考慮被動工作方式，聲吶方程為

SL-TL=NL-DI+DT

其中SL為聲源級，TL為傳播損失，NL為自噪聲級，DI為聲吶接收機的增益，DT為聲吶接收機的檢測閾。

其中SL采用如下方式計算：

SL=60lgV目+9lgT-20lgF+34.2

V目為目標航速(kn)，T為排水量(t)，F(xiàn)為聲吶接收機的頻率(kHz)。

NL采用如下方式計算:

NL=60lgV-30lgF

V為艦艇航速(m/s)，F(xiàn)為聲吶工作頻率(kHz)。

TL采用如下方式計算：

r為聲吶探測距離(km)，KL為近場異常衰減。

4)搜索速度、搜索時間和高速航行時間約束模型

在蛙跳工作方式，每個周期內(nèi)拖曳聲吶工作的時間越長，搜索速度越小，高速航行的時間就越長，否則不能持續(xù)為航母提供中程警戒。設(shè)編隊航行速度為Vb，拖曳陣穩(wěn)定探測的航速為Vt，探測時間為tt，艦艇高速航行的速度為Vg，高速航行時間為tg，艦艇收放拖纜時的航速為Vsf，收放時間之和為tsf。

當警戒艦艇采用直航搜索時，存在如下約束關(guān)系：

Vb(tt+tg+tsf)=Vttt+Vgtg+Vsftsf

(1)

與此類似，曲折搜索下存在如下約束：

Vb(tt+tg+tsf)=(Vttt+Vgtg+Vsftsf)·sinβ

(2)

β為曲折搜索時的角度。

在混合搜索時存在如下約束:

Vb(tt+tg+tsf)=(Vttt+Vsftsf)·sinβ+Vgtg

(3)

3 仿真分析

3.1 仿真目的

1)依據(jù)成功警戒次數(shù)，比較相同條件下，直航搜索、曲線搜索、混合搜索的優(yōu)劣；

2)分析相同搜索方法下，艦艇單個周期內(nèi)的搜索航速、搜索時間、曲折角度等因素對成功警戒次數(shù)的影響。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

1)固定參數(shù)設(shè)置

設(shè)定中程警戒區(qū)大小為200 n mile×60 n mile；潛艇在該區(qū)域的位置隨機分布，航速為6 kn，航向指向航母編隊航向；航母編隊航速為18 kn；中程警戒艦艇收放纜速度為10 kn，時間為20 min，高速航行速度為30 kn。

有關(guān)聲吶探測模型參數(shù)設(shè)置如下: 潛艇噸位T取2 000 t，拖曳聲吶工作頻率f為0.4 kHz，DI取24 dB，DT取2 dB，KL取5，艦艇艦艏左右20°為盲區(qū)。

2)影響因素設(shè)置

直航搜索時搜索航速分別取10 kn、12 kn、14 kn、16 kn，單個周期內(nèi)的搜索時間分別取20 min、30 min、40 min；曲線搜索的搜索航速與時間取值與直航搜索相同，β角分別取75°、60°、45°?；旌纤阉鲿r的參數(shù)取值與曲折搜索相同。

3)高速航行時間計算

根據(jù)上述參數(shù)，采用式(1)、(2)、(3)計算不同條件下高速航行對應(yīng)時間，結(jié)果如表1～表7所示。

表1 直航時各條件下的高速航行時間 單位：min

表2 β=75°曲折搜索時高速航行時間 單位：min

表3 β=60°曲折搜索時高速航行時間 單位：min

表4 β=45°曲折搜索時高速航行時間 單位：min

表5 β=75°混合搜索時高速航行時間 單位：min

表6 β=60°混合搜索時高速航行時間 單位：min

表7 β=45°混合搜索時高速航行時間 單位：min

3.3 仿真結(jié)果分析

每組參數(shù)仿真1 000次，將發(fā)現(xiàn)潛艇的次數(shù)除以仿真次數(shù)，得到成功發(fā)現(xiàn)潛艇的概率，即警戒成功概率，結(jié)果如表8～表13所示。此外由于β為45°時的曲折搜索高速航行時間過長，如表4所示，導(dǎo)致中程反潛警戒艦艇駛出了警戒區(qū)，不能為航母編隊提供相對穩(wěn)定的警戒線，因此未對上述情況進行仿真。

表8 直航時各條件下的成功概率

表9 β=75°曲折搜索時的成功概率

表10 β=60°曲折搜索時的成功概率

表11 β=75°混合搜索時的成功概率

表12 β=60°混合搜索時的成功概率

表13 β=45°混合搜索時的成功概率

1)搜索方式

不同搜索方式，警戒艦艇的搜索寬度不同，累計的搜索時間也不同。曲折搜索下搜索寬度最大、但搜索時間最少，直航搜索下搜索寬度最小，搜索時間最多。從仿真結(jié)果可以看出，相同條件下，曲折搜索的警戒成功概率大于直航搜索大于混合搜索。這說明只有搜索寬度增加到一定程度，才能彌補搜索時間減少對警戒成功概率的影響?；旌纤阉麟m然增加了搜索寬度，但還不足以彌補搜索時間的減少，因此其警戒成功次數(shù)還不如直航搜索。

2)曲折角度

對比表9和表10看出，曲折搜索下β=60°的概率優(yōu)于β=75°時，這說明曲折角度取60°更合理，β=75°時搜索寬度的增加不足以彌補搜索時間的減少。此外混合搜索下，β=75°時的警戒成功概率最大，同時也說明不同搜索方式下的最佳曲折角度并不同。

3)搜索時間

從不同搜索時間對應(yīng)的警戒成功次數(shù)來看，單個周期內(nèi)的搜索時間并不是越長越好，搜索時間越長，對應(yīng)的高速航行時間越長，越容易出現(xiàn)搜索盲區(qū)，反而降低了警戒成功次數(shù)。仿真結(jié)果也證實了這一點，無論何種搜索方式，單個周期內(nèi)的搜索時間以20 min為宜。

4)搜索速度

從表中可以看出，盡管不同搜索方式下，最大成功概率對應(yīng)的搜索速度并不完全相同，但基本分布在14 kn左右，如直航搜索時最佳搜索速度為12～14 kn、β=60°曲折搜索為14～16 kn等，因此可以認為拖曳聲吶搜索速度以14 kn為宜。

3.4 仿真結(jié)論

綜合上述分析，在本文給定的仿真條件下,中程反潛警戒艦艇較優(yōu)的搜索策略描述如下：以60°的曲折搜索在中程警戒區(qū)進行警戒，每個搜索周期的搜索時間為20 min，搜索速度為14 kn。在實際使用過程中還需結(jié)合實際的目標威脅環(huán)境、水文環(huán)境等因素綜合確定搜索行動方法。

4 結(jié)束語

本文采用蒙特卡羅方法針對中程防潛警戒艦艇的對潛搜索進行仿真，定量分析了不同搜索方法的成功警戒次數(shù)，分析了搜索速度、搜索時間等因素對對潛搜索效率的影響，為尋找最佳搜索方法提供了參考。后續(xù)將充分考慮潛艇規(guī)避對抗等要素，研究不同編隊速度、不同警戒區(qū)大小等條件下的最佳警戒方法，為指揮員決策提供更為全面的依據(jù)。