基于聲納浮標的反潛直升機應(yīng)召搜潛仿真研究

王 磊，吳福初，陳鈺寧，史海龍

（1海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001；2海軍91445部隊，山東 煙臺 264001）

反潛直升機應(yīng)召搜潛是指反潛直升機在起降平臺、指定空域待命，在己方兵力如潛艇、航空兵、固定的觀察器材、水面艦船等發(fā)現(xiàn)敵潛艇且沒有保持跟蹤的條件下，按上級的命令，飛往發(fā)現(xiàn)海區(qū)，搜索和攻擊敵潛艇的作戰(zhàn)行動[1]。反潛直升機使用聲納浮標進行應(yīng)召搜潛可以充分發(fā)揮速度快、機動性強、及時性好的特點，迅速到達發(fā)現(xiàn)敵潛艇活動的海區(qū)進行搜索和攻擊，有利于節(jié)省兵力，是反潛直升機最主要的反潛活動方式之一。然而影響聲納浮標應(yīng)召搜潛效能的因素較多，本文通過仿真試驗研究了聲納浮標在一定條件下的應(yīng)召搜潛效能，對影響聲納浮標應(yīng)召搜潛效能的主要因素進行分析, 得出的結(jié)論對提高反潛直升機搜潛效能和作戰(zhàn)運用水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 聲納浮標的特點和使用

聲納浮標具有搜索范圍廣、搜索速度快、搜潛效率高等優(yōu)點，所以當上級要求在短時間以較高的概率迅速查明水下空間有無敵潛艇時，反潛直升機通常使用聲納浮標搜索敵潛艇。使用聲納浮標實施搜索的過程，包括布放和監(jiān)聽浮標陣兩個階段[2]。

實際使用聲納浮標搜索敵潛艇時，為了保證浮標的水聽器到達最佳的探測深度并修正海洋噪聲對搜潛效果的影響，應(yīng)首先布設(shè)一枚溫度深度浮標，經(jīng)3～5s后再布設(shè)一枚海洋噪聲浮標, 兩浮標的距離一般為150～200m，不宜過遠。大約經(jīng)過5～7min， 直升機上就可收到溫深浮標測定的從海面到預(yù)定深度海水溫度變化的數(shù)據(jù), 獲得該數(shù)據(jù)后, 機組人員立即繪制出海水溫度深度曲線, 以確定其他浮標水聽器定深用。同時海洋噪聲浮標提供該海區(qū)海洋噪聲的等級（海洋環(huán)境噪聲的輪廓線）[2]。戰(zhàn)術(shù)協(xié)調(diào)員根據(jù)溫深浮標、海洋噪聲浮標提供的信息及反潛直升機執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)確定搜索浮標的壽命、水聽器的工作深度、VHF接收通道等參數(shù)，然后布設(shè)搜索浮標陣。為保持搜潛過程的隱蔽性, 獲得較好的搜潛效果，一般應(yīng)先布設(shè)被動非定向浮標陣，待被動非定向浮標獲得目標后，再布設(shè)定向浮標或主動浮標，對目標進行定位并測定其運動要素。

2 吊放聲納應(yīng)召搜潛效能仿真模型

2.1 仿真環(huán)境假設(shè)

假設(shè) X月 X日 15時 08分，紅方戰(zhàn)機在北緯24°33'，東經(jīng) 121°22'發(fā)現(xiàn)不明潛艇浮航，雙方遭遇后潛艇迅速下潛。15時10分，紅方接到通報，經(jīng)分析，該艇可能為藍方潛艇，距紅方編隊30海里。紅方?jīng)Q定出動反潛艦載直升機前往搜索。15時17分，反潛直升機起飛；15時30分，到達目標位置。

1）當其他兵力發(fā)現(xiàn)目標，命令反潛直升機使用聲納浮標前去搜索，潛艇開始逃跑時，開始計時。

2）潛艇逃跑的海區(qū)面積足夠大，保證潛艇和反潛直升機能夠按各自要求展開行動。

3）潛艇逃跑開始時，航向在[0 °,360°]內(nèi)服從均勻分布，速度大小在[Vdl, Vdh]內(nèi)均勻分布，在逃跑過程中速度大小、方向保持不變。

4）直升機航渡速度、布放浮標飛行速度及監(jiān)聽時飛行速度假設(shè)相同，且保持不變。

5）浮標的作用區(qū)域是以浮標為圓心，以浮標作用距離為半徑的圓。

6）定義潛艇的初始位置與目標散布中心的距離為矢量：該距離偏北時為正、否則為負，假設(shè)其服從（0，σz1）的正態(tài)分布；潛艇的初始方位服從區(qū)間[0°,360°]上的均勻分布。

7）定義直升機所到達的浮標投放點相對于理論投放點的距離為矢量：該距離偏北時為正、否則為負，假設(shè)其服從（0，σz2）的正態(tài)分布；實際投放點相對于理論投放點的方位服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布。同理，定義浮標實際入水點相對于實際投放點的距離為矢量：該距離偏北時為正、否則為負，假設(shè)其服從（0，σz3）的正態(tài)分布；其方位服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布。

8）近海海流的流動速度范圍在 0m/s～0.6m/s之間，浮標隨著海流流動，海流速度與海況成正比，角度服從區(qū)間[0 °,360°]上均勻分布。

9）直升機搜索方法是指在已知目標散布中心時，直升機應(yīng)到哪些點（理論投放點）投放浮標，并在哪段飛行距離上進行監(jiān)聽，它包括投放點的坐標，監(jiān)聽點的坐標，以及監(jiān)聽時機（分為先布放浮標后進行監(jiān)聽和邊布放浮標邊進行監(jiān)聽）等要素。

10）直升機搜索到潛艇是指直升機在探測期間，潛艇與被激活的浮標的距離小于浮標的戰(zhàn)術(shù)作用距離（浮標發(fā)現(xiàn)潛艇的條件同吊聲應(yīng)召搜潛），同時直升機與該浮標的距離小于浮標的監(jiān)聽距離。

2.2 聲納浮標搜潛效能描述

根據(jù)以上假設(shè)，直升機使用浮標搜索潛艇的過程可以描述為：t =0時，潛艇從位于圓心附近的點C開始逃跑，其速度方向為αm，大小為vm，直升機以最大飛行速度飛往點C；當t=Tyc時，直升機飛至第一個投放點并開始投放浮標，然后以速度V飛往下一個投放點，直至浮標探測到潛艇或投完所有點。浮標搜潛效能是指，在已知潛艇距離、潛艇距離誤差、潛艇運動速度大小范圍及方向范圍、浮標作用距離、直升機飛行速度、潛艇定位誤差及卡型機定位誤差的情況下，使用某種搜潛方法時，搜索到潛艇的概率。直升機使用浮標搜索到潛艇是指某個浮標與直升機的距離小于或等于浮標的戰(zhàn)術(shù)作用距離。

2.3 聲納浮標搜潛蒙特卡洛法模型

在反潛直升機與潛艇的斗爭中充滿了偶然因素，處理這種偶然性事件的最有效的方法就是統(tǒng)計實驗方法，又稱蒙特卡洛（Monte Carlo）法[3]。根據(jù)蒙特卡洛法的基本思想，應(yīng)對聲納浮標搜索到潛艇這個隨機事件作統(tǒng)計試驗，求聲納浮標搜索到潛艇的統(tǒng)計頻率，即浮標搜潛效能的近似值[4-5]。

以目標散布中心O點為原點，正北方向為X軸正方向，順時針角度變化為正方向，建立直角坐標系。

1）抽取潛艇初始位置要素與運動要素的隨機值

按照目標散布規(guī)律，考慮綜合定位圓誤差的存在，使得潛艇初始位置 C點和目標散布中心 O點發(fā)生偏離，角度誤差βoc服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布，距離roc服從（0，σz1）的正態(tài)分布，試驗時按此分布規(guī)律隨機抽取數(shù)據(jù)βoci、roci。按照目標的運動方向服從[0 °,360°]上的均勻分布、運動速度服從[Vdl,Vdh]上的均勻分布的規(guī)律，抽取目標的運動方向和運動速度的隨機數(shù)[6]。

2）浮標搜索要素表

卡型機使用浮標搜索潛艇的主要方法有方形陣、方形擴展陣、圓形陣、螺旋線陣等。考慮單機和雙機的情況，搜索要素應(yīng)包括：飛機編號、浮標編號、投放點離基準點距離、投放點方位角、持續(xù)探測時間等。以螺旋線陣為例，其要素如表1所示。

表1 浮標螺旋線搜索要素表

其中，mod表示螺旋陣系數(shù)，TSR為浮標戰(zhàn)術(shù)作用距離；φi=( ri+12+ ri2-(2*R)2)/2 ri+1*ri；R=m*TSR，m為浮標間隔系數(shù)；Thd=Dsub/Vmax；Dsub為潛艇距離；Vmax為卡型機最大速度；Tyc=Tfy+Thd；Tfy卡型機反應(yīng)準備時間；tsf表示浮標在空中和海中下落時間和入水后浮標準備時間；ttc表示浮標持續(xù)工作時間；T1= Tyc+tsf+ttc；T2= T1+tsf+ tgd+ ttc；T3= T2+tsf+ tgd+ ttc；…….

3）抽取反潛直升機在各投放點搜索時的位置要素

反潛直升機在飛往各探測點，實際點與理論點（由搜索方法可得）仍然會存在飛行定位誤差，仍將其視為方向上服從[0 °,360°]上的均勻分布，距離上服從（0，σz2）的正態(tài)分布。根據(jù)此規(guī)律，在投放點Oi都抽取一個方向上和距離上的隨機數(shù)βii、rii，與各投放點共同得出實際投放點的位置O'i。確定實際投放點后，以該點為圓心，以R0為半徑畫圓，該圓即為聲納浮標搜索圓。

4）潛艇運動模型

潛艇初始位置在搜索區(qū)域內(nèi)任意點隨機出現(xiàn)，設(shè)潛艇初始位置為（X0，Y0）。其速度大小在[Vdl, Vdh]內(nèi)均勻分布，設(shè)潛艇速度為Vqt，并在運動過程中速度保持不變；潛艇初始運動航向在[0 °,360°]內(nèi)服從均勻分布，設(shè)潛艇運動方向與Y軸夾角為θ，在運動過程中潛艇航向保持不變。

當潛艇航向、航速保持一定時，潛艇在坐標系中的位置可用下式表示：

式中，Vqt為潛艇運動速度，Xqt為潛艇在 X軸坐標，Yqt為潛艇在Y軸坐標，t為潛艇在搜索區(qū)內(nèi)運動時間，θ為潛艇運動方向與Y軸之間的夾角。

5）反潛直升機在一次搜索潛艇過程是否結(jié)束的判斷模型

判斷條件一：反潛直升機在本次應(yīng)召搜潛中搜索到潛艇；

判斷條件二：潛艇在我直升機搜索期間已逃離直升機搜索海域；

Xqt＞ W 或 Xqt＜ 0 或 Yqt＞ H 或 Yqt＜ 0

判斷條件三：反潛直升機已搜索完指定海域，仍未搜索到潛艇。

在上述三個判斷條件中，只要滿足任一個條件，就判斷這一次搜索過程結(jié)束。

2.4 吊聲效能仿真實現(xiàn)

在將反潛直升機搜潛的實際過程轉(zhuǎn)化為計算機程序時，考慮到潛艇可能最終逃離搜索海區(qū)及可能使用多架反潛直升機的實際情況，在求解反潛直升機搜潛效能時，以反潛直升機的位置作為模擬的主線，編制仿真程序（仿真流程圖見圖1）。該仿真程序是用Visual C++ 6.0實現(xiàn)的，編制仿真程序時，首先要產(chǎn)生每個隨機變量在那次隨機實驗中的隨機值。在該仿真程序中，主要存在服從均勻分布和正態(tài)分布的兩種隨機變量。各個陣形的搜索要素點位置或者存儲在數(shù)據(jù)庫中或在程序中實時計算。搜潛概率在程序中計算，概率結(jié)果由程 序調(diào)用MATLAB繪圖功能進行繪圖。

圖1 反潛直升機使用聲納浮標應(yīng)召搜潛仿真模型流程圖

參數(shù)說明：N為模擬次數(shù)，M為仿真步數(shù)，m為發(fā)現(xiàn)潛艇次數(shù)，K為指定海域探點數(shù)，t探為探測時間，dt為仿真時間步長，r為聲納浮標作用距離，P發(fā)為指定搜索海域?qū)撏У陌l(fā)現(xiàn)概率。

2.5 仿真結(jié)果及分析

反潛直升機的搜潛效率受到反潛裝備的戰(zhàn)技性能、水聲環(huán)境、潛艇輻射噪聲特征能等諸多因素的影響。其使用聲納浮標應(yīng)召搜潛時，聲納浮標間隔系數(shù)、螺旋系數(shù)、浮標數(shù)目和搜索陣型等都對搜索效率產(chǎn)生較大的影響，下面采用仿真方法，重點對這幾個影響反潛直升機聲納浮標搜潛效率的因素進行研究。

1）間隔系數(shù)仿真：仿真次數(shù) 2000，2架，速度200km/h，距離誤差1海里，浮標數(shù)目48，海況1級，典型常規(guī)潛艇；圖2、圖3分別為方形擴展陣、螺旋線陣搜潛時搜潛概率與間隔系數(shù)的仿真結(jié)果分析。

圖2 方形擴展陣的間隔系數(shù)分析圖

圖3 螺旋線陣的間隔系數(shù)分析圖

結(jié)果分析：方形擴展陣間隔系數(shù)可取 2，螺旋線陣間隔系數(shù)可取1。

2）螺旋系數(shù)仿真：仿真次數(shù)2000，2架，距離誤差1海里，浮標數(shù)目48，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級，速度200km/h；圖4、圖5分別為螺旋線陣、雙機螺旋線陣搜潛時，搜潛概率與螺旋系數(shù)的仿真結(jié)果分析。

圖5 雙機螺旋線陣的螺旋系數(shù)分析圖

結(jié)果分析：螺旋線陣螺旋系數(shù)可取0.4，雙機螺旋陣螺旋系數(shù)可取1。

3）海況等級仿真：仿真次數(shù)2000，雙機螺旋線陣，速度200km/h，距離誤差1海里，浮標數(shù)目48，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇。圖6為各級海況下的搜潛概率分析。

結(jié)果分析：海況0級時，搜潛效果最好，海況1級時，搜潛效果較好，海況2、3級，效果較差。

4）浮標數(shù)目仿真：仿真次數(shù)2000，速度200km/h，潛艇距離30海里，誤差1海里，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級。圖7、圖8分別為1架直升機和2架直升機搜潛時搜潛概率與浮標數(shù)目的仿真分析。

結(jié)果分析：1架時，浮標數(shù)目可取32；卡型機2架時，浮標數(shù)目可取48；兩種情況搜潛概率都隨浮標數(shù)目增加而增加。

圖6 各級海況下的搜潛概率分析

圖7 1架直升機搜潛概率與浮標數(shù)目的分析

圖8 2架直升機搜潛概率與浮標數(shù)目的分析

5）搜索陣形仿真：仿真次數(shù)2000，速度200km/h，距離誤差1海里，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級；圖9、圖10分別為1架直升機、32個浮標和2架直升機、48個浮標搜潛時，各種搜潛陣形的概率分析。

圖9 1架直升機、32浮標的搜潛概率分析

圖10 2架直升機、48浮標的搜潛概率分析

結(jié)果分析：1架時，圓形陣和方形陣搜潛效果較好；2架時，圓形陣效果最好。

6）潛艇型號仿真：仿真次數(shù) 2000，雙機螺旋線陣，速度200km/h，潛艇距離30海里，距離誤差1海里，浮標數(shù)目48，間隔參數(shù)1，海況0級。圖11為各型號潛艇的搜潛概率分析。

圖11 各型號潛艇的搜潛概率分析

結(jié)果分析：被動浮標對噪聲水平高的潛艇具有很高搜潛概率，對于安靜型潛艇搜潛能力很低。

3 結(jié)束語

本文通過對一定條件下反潛直升機使用聲納浮標應(yīng)召搜潛效能進行研究，得出的結(jié)論對于制定反潛作戰(zhàn)方案具有一定的參考價值。需要指出的是，反潛直升機的搜潛效率受到反潛裝備的戰(zhàn)技性能、水聲環(huán)境、潛艇輻射噪聲特征和回波特性、搜潛任務(wù)、直升機數(shù)量、搜潛方法、使用技能等諸多因素的影響。因此，在反潛作戰(zhàn)時應(yīng)綜合權(quán)衡各個因素，一方面要與定性分析密切結(jié)合，另一方面要在反潛作戰(zhàn)實踐中不斷的修正和完善。

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