航空搜潜研究综述

杨日杰，蒋志忠，陈建勇，熊 雄

（海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001）

0 引言

如何搜索和攻击潜艇，取得海战场上的主动权，是各国海军不断研究和探索的问题。对潜作战首要任务是发现对方潜艇，由于潜艇具有良好的水下隐蔽性和较强的水声对抗能力，加上现代潜艇朝高速、深潜和低噪声方向发展，使搜索发现潜艇更加困难和复杂。因而搜潜是一项相当困难的任务。航空搜潜因其具有速度快、机动性强、可携带多种探测设备、搜索效率高、不易被潜艇攻击等特点受到各国海军重视，国内外不少学者对此进行了深入的研究。航空搜潜研究主要有两大块，在理论上要进行搜索算法研究，为优化搜潜提供理论基础；在实践上，以搜索理论为基础，进行航空兵机动与观察的战术行动序列研究，提高搜潜效率。本文从理论和实践两层面对航空搜潜的研究成果及现状进行分析，指出存在的不足。

1 航空搜潜理论国内外研究现状

航空搜潜的理论基础是搜索论。在20世纪下半叶，搜索论经过3个主要发展阶段：50年代Koopman创立了搜索论，70年代Stone发展与完善搜索论，80年代各种搜索算法的发展。前2个阶段不仅形成与完善了搜索论的理论，并全面地解决了对静止目标的搜索问题；后一个阶段主要是解决了对有条件确定型运动目标的搜索算法，即给出了制定搜索策略的技术。

在国外，美军一直是搜索论研究的核心，Operations Research杂志是搜索论研究的主导园地。B.O.Koopman 对静止目标的最优搜索问题即搜索资源的最优分配问题开展了研究[1-6]。Lawrence D.Stone在B.O.Koopman的基础上，对最优搜索理论进行了完善，解决了搜索问题的“最优搜索力配置存在的充分与必要条件”[7]。但研究范畴仍然是对静止目标的搜索问题，初步涉及了对两种形式的机动目标的搜索：“两单元格的马尔科夫型运动（Markov Type Motion）”与“有条件确定型运动（Conditionally Deterministic Motion）”。主要思想是：用拉格朗日乘子法将受搜索力费用等条件约束的最优搜索力配置模型，转换为无约束条件的优化问题。文献[7]使对静止目标搜索问题的研究在理论上达到了成熟状态，但是由于严格的假设条件及探测函数的正则性要求，使这些研究成果在军事上的实用性受到了较大的限制。

20世纪70年代中期至80年代中期，在军事需求实用化的推动下，搜索论进入了对机动目标搜索算法的研究阶段，即确定对机动目标的搜索行动计划。文献[8]首先在对机动目标搜索算法上取得了重要进展：利用Kuhu-Tucker算法，将对时间和空间离散的马尔科夫型运动目标（Markov Type Motion Target）的搜索问题，简化为对一系列的静止目标的搜索。与研究对静止目标的搜索相同，Stone 证明了对机动目标搜索的最优搜索力配置存在的充分与必要条件[9]。在此基础上，文献[10]研究了对海上失事船舶上的遇难者搜索问题，遇难者可能经历多个状态阶段，如随失事船舶漂移、被转移到救生筏、落水、死亡，对这类问题的基本要求是在遇难者死亡前被发现，即搜索是有时间限制的。文献[11]研究了对机动目标的推断下落搜索问题，这类搜索问题的特点是经过一段时间搜索后，若已发现目标则搜索成功，若没有发现但此时搜索者可正确地推断出目标的下落，也算搜索成功，这一模型在军事上多用于对目标进行驱赶或攻击的情况。文献[12]总结并发展了FAB算法，用于解决目标位于N个单元格、其运动服从时间和空间离散马尔科夫链的搜索问题。文献[13]将最优路径搜索问题描述为部分可测马尔可夫决策过程，并给出了相应的算法。文献[14]则给出了非线性规则算法。

苏联在搜索理论和方法上做出了很大的贡献，这集中体现在文献[15]中；日本、欧洲也有相当的研究成果发表[16-20]。

直到现在，在整个发展过程中，搜索论一直处于典型的运筹学方法范畴之内，以最优化为目的、以定量计算为手段；技术上以贝叶斯决策为主，结合二人零和对策；在研究范围主要集中在对静止目标的搜索与对有条件确定型机动目标的搜索，并在理论与方法上达到相当完善的程度。

鉴于搜索论在理论上已趋于成熟，美海军已于上世纪80年代停止支持在理论上对搜索论的研究工作，此后的工作重点转向扶持计算机辅助搜索CAS（Computer Aided Search）的研究与开发[21]，如美军已装备部队的ADA、ASWTDA与SALT 等系统[22-27]。

国内对搜索论的研究[28-39]主要集中在搜索算法方面。其中，文献[28]把分支定界算法应用于多目标优化搜索；文献[29]讨论了搜索线上搜索力的最优配置问题，给出了求解的算法并对其收敛性作了证明；文献[30]给出了目标搜索的预测分析公式,提出了最优搜索计划的一种优化逼近方法；文献[31]提出了在一定的期望搜索效果前提下确定需参加搜索的最优搜索兵力的求算方法；文献[32]在对极限搜索圆进行特殊分割的条件下，导出准最优增量搜索和准最优总量搜索发现目标概率的计算公式，得出了准最优增量搜索优于准最优总量搜索的重要结论；文献[33]提出了由最优搜索向局部最优随机搜索转化的一种算法；文献[34]研究规避搜索时机动目标运动的最优控制问题；文献[35]应用最优搜索理论，导出了待搜目标服从均匀分布、正态分布时离散搜索力的最优配置模型、目标的踪迹预测方法和最优增量搜索计划的求法；文献[36]根据目标位置划分搜索空域，建立了预警机指挥下的编队搜索力最优分配模型；文献[37]把模糊推理方法应用于潜艇威胁判断模型的研究上做了初步尝试；文献[38]应用对策论与最优控制理论对航空反潜搜索效能评估模型进行分析；文献[39]在引出马尔可夫搜索模型的基础上，探讨了一种有效的目标搜索方法。文献[40]对海军搜索行动方法的学术研究作了总结。国内对最优搜索理论的研究较少，文献[41]是国内第一本搜索论专著，主要是对Koopman的《运筹学方法》和Stone的《最优搜索论》的相关内容的综合；文献[42]系统地介绍了离散空间与连续空间中静止目标与运动目标的最优搜索问题。

2 航空搜潜战术国内外研究现状

航空搜潜设备主要有声学探测和非声学探测，声学探测设备主要有吊放声纳和空投浮标，非声学探测设备主要有雷达、红外和磁探仪。

目前，国外有关航空搜潜战术层次方面的作战研究和应用的细节，由于涉及军事保密，很难了解，有关搜潜过程的研究一般大多限于定性的、粗线条的描述。其中，有关国外航空搜潜战术在文献[43-45]中作了综合介绍；文献[46]研究了机载雷达对水面状态或潜望镜状态的潜艇的探测发现概率和影响因素；文献[47]采用对策论研究了直升机搜潜战术应用；文献[48]论述了反潜战战术辅助决策的应用；文献[49]分析了反潜战指挥决策过程，并进行了计算机实现。

国内航空搜潜装备发展及战术应用起步较晚。20世纪80年代中期后才引进反潜直升机，很长一段时间仅停留在对装备的操作使用上，对与装备使用相关的搜潜战术研究重视不够，而航空搜潜是装备、海洋环境、潜艇目标特性、搜潜战术密切结合的技术，在该方面我国与世界先进水平存在着较大差距。

国内可查阅的航空搜潜的文献及研究内容为：文献[50-52]对航空搜潜装备的战术运用作了简单介绍；文献[53-59]对直升机使用吊放声纳搜潜的方法、搜潜模型及搜潜效能进行了仿真研究。其中，文献[53]通过仿真环境假设，吊放声纳搜潜效能描述，建立了吊放声纳搜潜效能的蒙特卡洛法模型；

文献[54]深入分析了吊放声纳在水平面和垂直面内搜潜的过程，并通过仿真研究了吊放声纳的搜潜效率；文献[55]针对应召反潜中敌潜艇直线形规避行为，提出了双机协同反潜的预测搜索法；文献[56]对传统已有的基于反潜直升机声纳探测的潜艇被发现概率算法，用较完善的水声探测模型进行了修正，仿真分析了潜艇辐射噪声级、辐射噪声频率和海面风力的影响；文献[57]采用蒙特卡洛法，通过计算机模拟对3种搜潜方法的搜索概率进行了性能比较；文献[58]通过建立反潜机的方形、扇形和螺旋线形应召搜索模型，分析讨论了潜艇航速和航向的变化对吊放声纳搜索概率的影响；文献[59]针对已知目标的大概航向，建立了利用吊放声纳的扇形和弧形应召搜潜模型、潜艇运动模型、搜潜概率模型，并进行仿真分析。文献[60]对舰载飞机使用声纳浮标搜潜阵式进行了分析，将舰载飞机使用声纳浮标搜潜效能作了量化描述；文献[61]研究了声纳浮标在巡逻线搜索时的发现概率并给出了其数学模型；文献[62]基于对反潜巡逻机布放被动声纳浮标阵的研究，对方形阵的布放建立了模型；文献[63]针对直升机搜索潜艇的特点，研究了被动声纳浮标目标运动分析问题。对固定目标和匀速直线运动目标，分别应用确定性计算和线性最小二乘法进行数学建模及其仿真。文献[64-66]对空投浮标的定位问题进行了研究。其中，文献[64]以航空搜潜声纳浮标与飞机的相对方位信息为基础，利用扩展卡尔曼滤波技术，分析了计算浮标位置的原理、方法，建立了相应的数学模型和仿真算法；文献[65]以反潜机的位置、运动路径、反潜机与航空搜潜浮标的相对位置和距离关系为依据，利用斜距测量法，分析了计算搜潜浮标位置的原理和方法，采用最小二乘法，建立了反潜机对浮标定位的数学模型及相应的快速定位算法，仿真分析了初始估计角对计算浮标位置收敛速度的影响，并对定位算法进行了验证；文献[66]研究了采用格型卡尔曼滤波的航空浮标定位算法，根据航空搜潜声纳浮标与飞机的相对方位信息,采用格型扩展卡尔曼滤波技术，建立了状态简化的状态定位系统的数学模型。文献[67-68]对声纳浮标的战术使用作了介绍。其中，文献[67]探讨了航空声纳浮标在反潜作战中的主要运用方式和战术使用目的，以及在不同的使用环境下其控制区域的计算方法，依据环境对浮标战术使用的影响等，进而提出了建立航空声纳浮标使用环境数据库的重要性；文献[68]分析了舰载直升机投放海洋温深浮标和海洋噪声浮标的方法和布设模型，针对布设时存在的问题提出了改进对策。文献[69-71]对机载雷达搜潜进行研究。其中，文献[69]分析了反潜机雷达的搜潜效率，探讨了潜艇使用雷达侦察仪和潜望镜对机载雷达和反潜机探测并据以实施防御的方法；文献[70]建立了一个机载雷达搜索常规潜艇的发现概率模型来评估搜索效率和发现概率，对模型进行了比较分析，并对重要参数进行了分析；文献[71]建立了反潜直升机使用雷达离散搜索时发现潜艇的概率模型，给出该模型的适用条件。文献[72-76]对红外探潜的可能进行论证。其中，文献[72]给出了密度分层环境下潜艇排出热尾流的浮升规律模型，预估了水面热轨迹的大体形状，并对热成像探潜系统的关键技术指标进行了理论分析；文献[73]研究了潜艇热尾流在不同流体环境中的浮升的差异以及水面热轨迹的大体形状，同时分析了目前的红外探测器件条件和红外探潜对红外器件的更高要求；文献[74]通过理论计算和分析表明：采用焦平面探测器的红外热成像系统可以在一定距离上分辨海面海水的细小温度差异，并可在高帧频下快速扫描大范围的海面；文献[75]论述了红外探潜的原理，分析了国内外发展的现状，对红外探潜技术中仪器的指标要求做出了分析；文献[76]分析了潜艇热尾流形成的原因和浮升的规律,论述了机载红外热成像系统的组成、工作原理与工作方式，对红外热成像系统在探潜中的信噪比进行了计算，还进行了潜艇模型热尾流的红外探测试验研究，理论计算和试验分析表明，具有高灵敏度的机载红外成像系统可以在一定的距离上探测到潜艇热尾流的存在；文献[77]讨论了在一定的假设条件下，反潜直升机用尾迹探测仪和废气分析仪搜索潜艇的发现概率与搜索效率的计算公式，并对文献中外军给出的反潜直升机搜索效率公式进行了理论分析和数学验证；文献[78]建立了在被动全向声纳浮标探测到潜艇目标的条件下，利用磁探仪对潜艇进行定位的相关数学模型，仿真分析了声纳浮标作用范围、磁探仪高度、潜艇下潜深度等因素对搜潜概率及搜潜效率的影响；文献[79]把遗传算法应用到浮标布阵；文献[80]把粒子群算法应用到反潜优化搜索，对智能仿生优化算法应用于反潜搜索进行了有益的探索。

3 航空搜潜研究存在的不足

3.1 航空搜潜理论研究的不足

以Lawrence D.Stone的专著《最优搜索理论》为基础的搜索论主要存在以下几点不足：

1）搜索论解决搜索问题的基石是被搜索目标的先验位置分布（Prior Location Distribution，PLD），而PLD是主观先验概率，获取的前提条件是目标的位置及其运动规律是能够完全被定量化描述的。虽然在实践中已总结出各种求取PLD的具体算法，但在实际问题中通常是一个通过主观分析加以定量化的过程，并不存在系统的、被证明是有效的普遍适用的方法。该过程远不是科学的，更为可怕的是无法判定得出的结果是对还是错。其中，存在两件极为困难的工作：① 建立目标运动模型，特别是具有主观能动性的规避目标；② 确定描述目标各运动参数的主观分布概率。

2）最优搜索力配置存在的严格数学条件限制，对搜索态势的简化，使搜索计划过分理想化，容易脱离了实际搜索态势。

3）搜索论对单边搜索问题的研究已相当成熟，形成了比较完善的搜索算法。但对双边搜索问题的研究还不够成熟，在实践中采取以下处理方法：忽略被搜索目标的主观对抗性与决策能力，将规避目标简化为机动目标；用二人零和对策或多步对策算法。后者，由于对策论特别是随机策略在军事应用上本身的缺陷，使该方法处理双边搜索问题的能力非常有限；前者无论是在理论研究上还是在实际应用上都是主要方法，但该方法对搜索态势的简化过于理想化，在实用时是危险的。

4）在建立实际计算机辅助搜索系统（CAS）时，对目标位置分布概率进行动态修正，用目标位置的验后分布代替PLD，以弥补主观分析的偏差。但由于在实际搜索过程中信息获取与反馈比较困难等原因，特别是当搜索者的观察能力有限时（与目标相比处于劣势），搜索计划的预见性与自适应能力较差，在实施过程中不便于根据搜索态势的变化进行调整，易被目标规避，对抗性不强。

5）搜索论所采用的非线性规划、动态规划等优化方法是传统的运筹学方法，非线性、高维数、大容量等缺点给制定搜索计划带来极大不便，特别是实际搜索行动所获得的数据具有不连续、模糊、虚假等特点，难以满足最优搜索力配置模型对输入数据的要求。

3.2 航空搜潜实践的不足

以各种机载搜潜设备搜潜效能评估为对象的航空搜潜实践方面主要有以下不足：

1）建立的反潜机飞行模型和机载搜潜设备搜潜模型过于简单。如仿真时，反潜机的飞行轨迹都认为是由一条条直线构成的折线段，而实际上直升机的飞行轨迹要考虑风速的影响，如逆风悬停等，对于固定翼反潜机来说，还受最小转弯半径的限制等等。对于搜潜设备搜潜建模来说，认为目标位于搜潜设备的作用范围之内，就是探测到了潜艇，其实不然，目标位于搜潜设备范围之内，只能有可能接触到目标，还应考虑识别概率。

2）对潜艇的位置散布规律考虑得不够全面和合理。如应召搜索中仅考虑潜艇以确定的航速航行，假设潜艇位置在与其速度成比例增长的圆内呈均匀分布；或者在考虑潜艇以确定的航速航行时，又简单的假设潜艇位置在因延迟时间而出现的散布圆内呈正态分布；有些甚至不考虑潜艇的初始位置散布。

3）建立的潜艇运动模型不符合实际情况。目前搜潜效能评估文献中，都认为潜艇的运动模型为以下4种情况：潜艇航速和航向都不变、潜艇航速改变航向不变、潜艇航速不变航向改变和潜艇航速航向都变，并且在同一深度上机动。实际上，潜艇在水下由于各种原因，其航速变化的范围不大，机动时，主要是航向和下潜深度的改变。

4）主要对声学搜潜设备（如吊放声纳和声纳浮标）的搜潜战术和搜潜效能进行了研究，对非声学搜潜设备（如雷达和红外）的搜潜战术和搜潜效能研究的不多。

5）没有考虑海洋环境对反潜机平台和机载搜潜设备的影响。海洋作为航空反潜作战的主战场，其海区的地理、水文、气象以及海洋生物等自然条件，对航空反潜战斗的指挥决策、战术运用、反潜机及其机载搜潜设备的使用和效果，都有着重要的影响。

4 航空搜潜下一步研究的重点

结合航空搜潜存在的不足，下一步的研究应重点从以下几个方面考虑：

1）根据雷达和红外的搜潜战术，建立雷达和红外的搜潜模型，对搜潜效能进行分析。

2）建立海洋环境对反潜机平台和机载搜潜设备的影响模型，以提高搜潜效能仿真分析的逼真度。主要包括建立海洋大气环境因素对反潜机平台航路规划影响模型，海洋水文环境因素对吊放声纳/浮标最佳工作深度、探测距离影响模型，海洋环境对磁探仪搜索宽度影响模型，海洋环境对雷达和红外作用距离影响模型；结合航空搜潜战术应用，研究海洋环境对吊放声纳搜潜路径选择、探测点选择、搜潜效能影响，对浮标阵形、阵元间隔、阵元数量、浮标阵搜潜效能等影响，对磁探仪搜潜高度、对潜搜索/定位/跟踪航路规划、探潜效能等影响。

3）从飞机和潜艇的六自由度运动方程出发，建立能较真实地反映搜潜实际过程的反潜机和潜艇的运动模型，以提高搜潜效能仿真的逼真度。在整个搜索过程中，反潜机与潜艇之间是非合作的关系，在反潜机利用不同搜潜装备执行不同的搜潜任务过程中，涉及到的关键问题是如何合理规划反潜机的航路，因反潜机航路规划的合理与否直接决定其对潜艇的探测、定位、跟踪和攻击能力。而潜艇在水下的机动会改变自身的目标特性，从而影响搜潜设备的搜索效能。

4）建立各种反潜作战态势下，潜艇的位置散布模型，为搜潜效能仿真分析提供理论基础。综合相关因素，如初次发现者的定位误差、探测精度等，用Monte-Carlo 等统计方法将每一个不确定因素进行定量化描述，给出潜艇位置的概率形式描述，即先验位置分布PLD。

5）建立机载搜潜设备联合搜潜模型，为提高搜潜概率奠定基础。现代潜艇技术取得了长足进步，比较有效的方法就是同时使用几种不同的传感器进行搜索，互相弥补各自性能上的不足，发挥综合战斗能力。

5 结束语

本文在较全面分析航空搜潜方面文献的基础上，从理论和实践上认真总结了航空搜潜的国内外现状及其取得的研究成果，从中分析了其存在的不足，并着重从搜潜实践上指出了下一步航空搜潜应研究的问题，期望能为国内的航空搜潜领域的相关人员提供一些参考。

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