基于声纳浮标的反潜直升机应召搜潜仿真研究

王 磊，吴福初，陈钰宁，史海龙

（1海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2海军91445部队，山东 烟台 264001）

反潜直升机应召搜潜是指反潜直升机在起降平台、指定空域待命，在己方兵力如潜艇、航空兵、固定的观察器材、水面舰船等发现敌潜艇且没有保持跟踪的条件下，按上级的命令，飞往发现海区，搜索和攻击敌潜艇的作战行动[1]。反潜直升机使用声纳浮标进行应召搜潜可以充分发挥速度快、机动性强、及时性好的特点，迅速到达发现敌潜艇活动的海区进行搜索和攻击，有利于节省兵力，是反潜直升机最主要的反潜活动方式之一。然而影响声纳浮标应召搜潜效能的因素较多，本文通过仿真试验研究了声纳浮标在一定条件下的应召搜潜效能，对影响声纳浮标应召搜潜效能的主要因素进行分析, 得出的结论对提高反潜直升机搜潜效能和作战运用水平具有重要的现实意义。

1 声纳浮标的特点和使用

声纳浮标具有搜索范围广、搜索速度快、搜潜效率高等优点，所以当上级要求在短时间以较高的概率迅速查明水下空间有无敌潜艇时，反潜直升机通常使用声纳浮标搜索敌潜艇。使用声纳浮标实施搜索的过程，包括布放和监听浮标阵两个阶段[2]。

实际使用声纳浮标搜索敌潜艇时，为了保证浮标的水听器到达最佳的探测深度并修正海洋噪声对搜潜效果的影响，应首先布设一枚温度深度浮标，经3～5s后再布设一枚海洋噪声浮标, 两浮标的距离一般为150～200m，不宜过远。大约经过5～7min， 直升机上就可收到温深浮标测定的从海面到预定深度海水温度变化的数据, 获得该数据后, 机组人员立即绘制出海水温度深度曲线, 以确定其他浮标水听器定深用。同时海洋噪声浮标提供该海区海洋噪声的等级（海洋环境噪声的轮廓线）[2]。战术协调员根据温深浮标、海洋噪声浮标提供的信息及反潜直升机执行任务的性质确定搜索浮标的寿命、水听器的工作深度、VHF接收通道等参数，然后布设搜索浮标阵。为保持搜潜过程的隐蔽性, 获得较好的搜潜效果，一般应先布设被动非定向浮标阵，待被动非定向浮标获得目标后，再布设定向浮标或主动浮标，对目标进行定位并测定其运动要素。

2 吊放声纳应召搜潜效能仿真模型

2.1 仿真环境假设

假设 X月 X日 15时 08分，红方战机在北纬24°33'，东经 121°22'发现不明潜艇浮航，双方遭遇后潜艇迅速下潜。15时10分，红方接到通报，经分析，该艇可能为蓝方潜艇，距红方编队30海里。红方决定出动反潜舰载直升机前往搜索。15时17分，反潜直升机起飞；15时30分，到达目标位置。

1）当其他兵力发现目标，命令反潜直升机使用声纳浮标前去搜索，潜艇开始逃跑时，开始计时。

2）潜艇逃跑的海区面积足够大，保证潜艇和反潜直升机能够按各自要求展开行动。

3）潜艇逃跑开始时，航向在[0 °,360°]内服从均匀分布，速度大小在[Vdl, Vdh]内均匀分布，在逃跑过程中速度大小、方向保持不变。

4）直升机航渡速度、布放浮标飞行速度及监听时飞行速度假设相同，且保持不变。

5）浮标的作用区域是以浮标为圆心，以浮标作用距离为半径的圆。

6）定义潜艇的初始位置与目标散布中心的距离为矢量：该距离偏北时为正、否则为负，假设其服从（0，σz1）的正态分布；潜艇的初始方位服从区间[0°,360°]上的均匀分布。

7）定义直升机所到达的浮标投放点相对于理论投放点的距离为矢量：该距离偏北时为正、否则为负，假设其服从（0，σz2）的正态分布；实际投放点相对于理论投放点的方位服从区间[0 °,360°]上的均匀分布。同理，定义浮标实际入水点相对于实际投放点的距离为矢量：该距离偏北时为正、否则为负，假设其服从（0，σz3）的正态分布；其方位服从区间[0 °,360°]上的均匀分布。

8）近海海流的流动速度范围在 0m/s～0.6m/s之间，浮标随着海流流动，海流速度与海况成正比，角度服从区间[0 °,360°]上均匀分布。

9）直升机搜索方法是指在已知目标散布中心时，直升机应到哪些点（理论投放点）投放浮标，并在哪段飞行距离上进行监听，它包括投放点的坐标，监听点的坐标，以及监听时机（分为先布放浮标后进行监听和边布放浮标边进行监听）等要素。

10）直升机搜索到潜艇是指直升机在探测期间，潜艇与被激活的浮标的距离小于浮标的战术作用距离（浮标发现潜艇的条件同吊声应召搜潜），同时直升机与该浮标的距离小于浮标的监听距离。

2.2 声纳浮标搜潜效能描述

根据以上假设，直升机使用浮标搜索潜艇的过程可以描述为：t =0时，潜艇从位于圆心附近的点C开始逃跑，其速度方向为αm，大小为vm，直升机以最大飞行速度飞往点C；当t=Tyc时，直升机飞至第一个投放点并开始投放浮标，然后以速度V飞往下一个投放点，直至浮标探测到潜艇或投完所有点。浮标搜潜效能是指，在已知潜艇距离、潜艇距离误差、潜艇运动速度大小范围及方向范围、浮标作用距离、直升机飞行速度、潜艇定位误差及卡型机定位误差的情况下，使用某种搜潜方法时，搜索到潜艇的概率。直升机使用浮标搜索到潜艇是指某个浮标与直升机的距离小于或等于浮标的战术作用距离。

2.3 声纳浮标搜潜蒙特卡洛法模型

在反潜直升机与潜艇的斗争中充满了偶然因素，处理这种偶然性事件的最有效的方法就是统计实验方法，又称蒙特卡洛（Monte Carlo）法[3]。根据蒙特卡洛法的基本思想，应对声纳浮标搜索到潜艇这个随机事件作统计试验，求声纳浮标搜索到潜艇的统计频率，即浮标搜潜效能的近似值[4-5]。

以目标散布中心O点为原点，正北方向为X轴正方向，顺时针角度变化为正方向，建立直角坐标系。

1）抽取潜艇初始位置要素与运动要素的随机值

按照目标散布规律，考虑综合定位圆误差的存在，使得潜艇初始位置 C点和目标散布中心 O点发生偏离，角度误差βoc服从区间[0 °,360°]上的均匀分布，距离roc服从（0，σz1）的正态分布，试验时按此分布规律随机抽取数据βoci、roci。按照目标的运动方向服从[0 °,360°]上的均匀分布、运动速度服从[Vdl,Vdh]上的均匀分布的规律，抽取目标的运动方向和运动速度的随机数[6]。

2）浮标搜索要素表

卡型机使用浮标搜索潜艇的主要方法有方形阵、方形扩展阵、圆形阵、螺旋线阵等。考虑单机和双机的情况，搜索要素应包括：飞机编号、浮标编号、投放点离基准点距离、投放点方位角、持续探测时间等。以螺旋线阵为例，其要素如表1所示。

表1 浮标螺旋线搜索要素表

其中，mod表示螺旋阵系数，TSR为浮标战术作用距离；φi=( ri+12+ ri2-(2*R)2)/2 ri+1*ri；R=m*TSR，m为浮标间隔系数；Thd=Dsub/Vmax；Dsub为潜艇距离；Vmax为卡型机最大速度；Tyc=Tfy+Thd；Tfy卡型机反应准备时间；tsf表示浮标在空中和海中下落时间和入水后浮标准备时间；ttc表示浮标持续工作时间；T1= Tyc+tsf+ttc；T2= T1+tsf+ tgd+ ttc；T3= T2+tsf+ tgd+ ttc；…….

3）抽取反潜直升机在各投放点搜索时的位置要素

反潜直升机在飞往各探测点，实际点与理论点（由搜索方法可得）仍然会存在飞行定位误差，仍将其视为方向上服从[0 °,360°]上的均匀分布，距离上服从（0，σz2）的正态分布。根据此规律，在投放点Oi都抽取一个方向上和距离上的随机数βii、rii，与各投放点共同得出实际投放点的位置O'i。确定实际投放点后，以该点为圆心，以R0为半径画圆，该圆即为声纳浮标搜索圆。

4）潜艇运动模型

潜艇初始位置在搜索区域内任意点随机出现，设潜艇初始位置为（X0，Y0）。其速度大小在[Vdl, Vdh]内均匀分布，设潜艇速度为Vqt，并在运动过程中速度保持不变；潜艇初始运动航向在[0 °,360°]内服从均匀分布，设潜艇运动方向与Y轴夹角为θ，在运动过程中潜艇航向保持不变。

当潜艇航向、航速保持一定时，潜艇在坐标系中的位置可用下式表示：

式中，Vqt为潜艇运动速度，Xqt为潜艇在 X轴坐标，Yqt为潜艇在Y轴坐标，t为潜艇在搜索区内运动时间，θ为潜艇运动方向与Y轴之间的夹角。

5）反潜直升机在一次搜索潜艇过程是否结束的判断模型

判断条件一：反潜直升机在本次应召搜潜中搜索到潜艇；

判断条件二：潜艇在我直升机搜索期间已逃离直升机搜索海域；

Xqt＞ W 或 Xqt＜ 0 或 Yqt＞ H 或 Yqt＜ 0

判断条件三：反潜直升机已搜索完指定海域，仍未搜索到潜艇。

在上述三个判断条件中，只要满足任一个条件，就判断这一次搜索过程结束。

2.4 吊声效能仿真实现

在将反潜直升机搜潜的实际过程转化为计算机程序时，考虑到潜艇可能最终逃离搜索海区及可能使用多架反潜直升机的实际情况，在求解反潜直升机搜潜效能时，以反潜直升机的位置作为模拟的主线，编制仿真程序（仿真流程图见图1）。该仿真程序是用Visual C++ 6.0实现的，编制仿真程序时，首先要产生每个随机变量在那次随机实验中的随机值。在该仿真程序中，主要存在服从均匀分布和正态分布的两种随机变量。各个阵形的搜索要素点位置或者存储在数据库中或在程序中实时计算。搜潜概率在程序中计算，概率结果由程 序调用MATLAB绘图功能进行绘图。

图1 反潜直升机使用声纳浮标应召搜潜仿真模型流程图

参数说明：N为模拟次数，M为仿真步数，m为发现潜艇次数，K为指定海域探点数，t探为探测时间，dt为仿真时间步长，r为声纳浮标作用距离，P发为指定搜索海域对潜艇的发现概率。

2.5 仿真结果及分析

反潜直升机的搜潜效率受到反潜装备的战技性能、水声环境、潜艇辐射噪声特征能等诸多因素的影响。其使用声纳浮标应召搜潜时，声纳浮标间隔系数、螺旋系数、浮标数目和搜索阵型等都对搜索效率产生较大的影响，下面采用仿真方法，重点对这几个影响反潜直升机声纳浮标搜潜效率的因素进行研究。

1）间隔系数仿真：仿真次数 2000，2架，速度200km/h，距离误差1海里，浮标数目48，海况1级，典型常规潜艇；图2、图3分别为方形扩展阵、螺旋线阵搜潜时搜潜概率与间隔系数的仿真结果分析。

图2 方形扩展阵的间隔系数分析图

图3 螺旋线阵的间隔系数分析图

结果分析：方形扩展阵间隔系数可取 2，螺旋线阵间隔系数可取1。

2）螺旋系数仿真：仿真次数2000，2架，距离误差1海里，浮标数目48，间隔参数1，典型常规潜艇，海况1级，速度200km/h；图4、图5分别为螺旋线阵、双机螺旋线阵搜潜时，搜潜概率与螺旋系数的仿真结果分析。

图5 双机螺旋线阵的螺旋系数分析图

结果分析：螺旋线阵螺旋系数可取0.4，双机螺旋阵螺旋系数可取1。

3）海况等级仿真：仿真次数2000，双机螺旋线阵，速度200km/h，距离误差1海里，浮标数目48，间隔参数1，典型常规潜艇。图6为各级海况下的搜潜概率分析。

结果分析：海况0级时，搜潜效果最好，海况1级时，搜潜效果较好，海况2、3级，效果较差。

4）浮标数目仿真：仿真次数2000，速度200km/h，潜艇距离30海里，误差1海里，间隔参数1，典型常规潜艇，海况1级。图7、图8分别为1架直升机和2架直升机搜潜时搜潜概率与浮标数目的仿真分析。

结果分析：1架时，浮标数目可取32；卡型机2架时，浮标数目可取48；两种情况搜潜概率都随浮标数目增加而增加。

图6 各级海况下的搜潜概率分析

图7 1架直升机搜潜概率与浮标数目的分析

图8 2架直升机搜潜概率与浮标数目的分析

5）搜索阵形仿真：仿真次数2000，速度200km/h，距离误差1海里，间隔参数1，典型常规潜艇，海况1级；图9、图10分别为1架直升机、32个浮标和2架直升机、48个浮标搜潜时，各种搜潜阵形的概率分析。

图9 1架直升机、32浮标的搜潜概率分析

图10 2架直升机、48浮标的搜潜概率分析

结果分析：1架时，圆形阵和方形阵搜潜效果较好；2架时，圆形阵效果最好。

6）潜艇型号仿真：仿真次数 2000，双机螺旋线阵，速度200km/h，潜艇距离30海里，距离误差1海里，浮标数目48，间隔参数1，海况0级。图11为各型号潜艇的搜潜概率分析。

图11 各型号潜艇的搜潜概率分析

结果分析：被动浮标对噪声水平高的潜艇具有很高搜潜概率，对于安静型潜艇搜潜能力很低。

3 结束语

本文通过对一定条件下反潜直升机使用声纳浮标应召搜潜效能进行研究，得出的结论对于制定反潜作战方案具有一定的参考价值。需要指出的是，反潜直升机的搜潜效率受到反潜装备的战技性能、水声环境、潜艇辐射噪声特征和回波特性、搜潜任务、直升机数量、搜潜方法、使用技能等诸多因素的影响。因此，在反潜作战时应综合权衡各个因素，一方面要与定性分析密切结合，另一方面要在反潜作战实践中不断的修正和完善。

[1]孙明太.航空反潜概论[M].北京:军事科学出版社,2003.

[2]纪金耀.俄罗斯海军反潜战术[M].北京:军事科学出版社,1992.

[3]王红卫. 建模与仿真[M].北京:科学出版社,2002.

[4]孙明太,赵绪明. 吊放声纳搜潜效能模型解析法与模拟法的分析比较[C].火力与指挥控制 2004年会论文集,2004.

[5]倪卫星. 舰载反潜直升机武器系统效能评估模型研究[J].论证与研究,1997(10):56-57.

[6]王月平. 任务空间概念模型研究[J].军事运筹与系统工程，2003(2):58-60.