反潜直升机“弓”字形前方护航搜索方法及其仿真*

丛红日　周海亮　沙德鹏

(1.海军航空工程学院指挥系　烟台　264001)(2.海军航空工程学院研究生管理大队　烟台　264001)

反潜直升机“弓”字形前方护航搜索方法及其仿真*

丛红日1周海亮2沙德鹏2

(1.海军航空工程学院指挥系烟台264001)(2.海军航空工程学院研究生管理大队烟台264001)

摘要使用舰载直升机进行伴随护航反潜是保证水面舰艇编队对潜防御安全的重要方法。针对编队前方反潜护航的实际需要和反潜直升机使用吊放声纳搜索的特点,提出了“弓”字形护航搜索法这一新的作战使用方法,建立了同步模型,提出了提高搜索效能的基本方法。通过建立仿真模型对“弓”字形护航搜索方法的搜索效能进行了仿真,并根据仿真结果对“弓”字形护航搜索法的具体作战使用方法进行了优化,为直升机采用前置法进行伴随护航反潜的作战使用提供了理论依据。

关键词反潜直升机; “弓”字形护航搜索法; 前置法; 吊放声纳; 伴随护航反潜; 仿真模型

Class NumberV249

1引言

在现代的编队反潜护航中主要是采用舰载反潜直升机伴随护航反潜[1],在舰载反潜直升机进行伴随护航反潜时,通常由反潜直升机在编队周围受敌潜艇威胁最大的方向建立反潜巡逻线[2]。

对于航渡过程中的水面舰艇编队,受敌潜艇威胁最大的方向一般为编队航向的前方或侧前方[3]。为此,需要在编队前方建立反潜巡逻线进行护航反潜,称为前置法。舰载反潜直升机进行前置法护航反潜时,通常使用吊放声纳建立反潜巡逻线。为了长时间地持续为编队提供反潜防护,需要反潜直升机与编队之间密切进行协同,特别是要保持反潜巡逻线与编队之间的同步[4]。

本文结合吊放声纳作战使用的特点和前置法护航反潜的要求,提出一种新的作战使用方法并对其作战效能进行仿真,为部队训练和作战提供参考。

2“弓”字形搜索法

2.1基本方法

“弓”字形搜索法就是反潜直升机在舰艇编队航向的正前方一定距离上进行类似“弓”字形的曲折搜索运动,通常单机组织实施,也可以双机、甚至多机组织实施,如图1所示。

图1　“弓”字形搜索法(双机)示意图

“弓”字形搜索法的关键是保证反潜直升机搜索推进过程与舰艇编队保持同步。在确保同步的基础上,根据兵力数量、装备性能、敌潜艇速度和上级要求我反潜直升机所担负的防护宽度(防止敌潜艇突防宽度)等综合因素确定搜索宽度、探测点间距。

2.2主要参数关系分析

“弓”字形搜索呈现明显的的周期性,这里取一个同步周期为例进行主要参数关系分析。

图2　“弓”字形搜索周期分析图

由图2可知:

D宽=(n-1)d+D测

(1)

其中:D测为吊放声纳的探测圆直径,D宽为搜潜宽度。

反潜直升机在伴随护航反潜时核心任务是搜潜,为编队提供预警信息[5]。因此,在整个过程中最重要的效能指标就是探测概率P,此外搜潜宽度D宽也是一个重要指标,D宽越大,搜潜的范围就越大。

影响P的因素有很多,主要包括:吊放声纳的探测圆直径D测,每相邻两个悬停探测点之间的间距d,在一个直线搜索段内的探测点数量n,从一个探测点飞向另一个探测点的时间t巡,反潜直升机使用吊放声纳搜索时的探测周期t探(包括:下放吊放声纳至预定深度的时间t放、收起吊放声纳的时间t收、在悬停探测点听测的时间t测[6]),反潜直升机飞行的速度V直,敌潜艇的航速V潜等。另外,海区天气状况、水文环境、装备性能和机组训练水平等因素也会对P产生影响[7]。综合分析,在搜潜过程中d、n是影响P的主要因素。

2.3保持同步的方法

反潜直升机在舰艇编队航向前方进行类似“弓”字形型搜索,使得反潜直升机使用吊放声纳进行搜索时的平均搜索速度在编队航向上的分量与编队的航速相当,从而保持与舰队编队同步运动。

从图2可以看出,“弓”字形搜索法具有明显的周期性,因此,只需对其中一个同步周期进行分析即可。一个同步周期是指反潜直升机使用吊放声纳沿着垂直于编队航向的方向上的一个直线搜索段从第一个悬停探测点开始依次悬停探测直至转移到下一个直线搜索段的时间周期。

设相邻两个直线搜索段之间的间距为L,当一个同步周期结束时,反潜直升机使用吊放声纳进行搜索的时间t直为

t直=[(n-1)d+L]/V直+n(t放+t测+t收)

(2)

此时,航母编队的航行时间t编为

t编=L/V编

(3)

为保持同步,应使:

t编=t直

(4)

即:

L/V编=[(n-1)d+L]/V直+n(t放+t测+t收)

(5)

式中,V编、V直、t放和t收通常是一定的,因此,为保持同步,主要应合理调整d、t测、L和n的取值。

2.4提高搜索效能的方法

为提高搜潜效能,每相邻两个探测圆之间距离d必须满足一定条件[8],通常按照战术原则设定:

D测/2≤d≤D测

(6)

但是在特殊情况下,比如上级要求的搜潜宽度很宽,而我反潜直升机数量不够时,可以采取扩大d的办法以增加搜潜宽度。

3仿真模型建立

3.1反潜直升机运动模型

1) 反潜直升机的位置表示

建立如图3所示的平面直角坐标系。

可以看出,反潜直升机第一个探测点的位置为

(7)

则第k个探测点的位置为

当k∈[2k1n+1,(2k1+1)n],k1=0,1,2…时:

(8)

当k∈[(2k1+1)n+1,2(k1+1)n],k1=0,1,2…时:

(9)

图3　“弓”字形搜索周期坐标系

2) 时间表示

假设以反潜直升机在首个悬停探测点开始探测时为基准时间(即时间为0),则在第k个悬停探测点结束探测时的时间tk为

tk=k·(t放+t测+t收)

(10)

3.2敌潜艇运动模型

1) 敌潜艇的初始位置分布

只有当敌潜艇有可能进入到反潜直升机建立的反潜巡逻线搜索范围内,反潜直升机才有可能搜索到,否则对搜索效果不产生影响[9]。在前置法护航搜潜时,反潜直升机在编队前方建立巡逻搜索线进行搜索,因此,敌潜艇的初始位置(x潜0,y潜0)可以表示为

(11)

其中,可假设yε在D宽范围内服从均匀分布。设ε1为服从均匀分布的随机数,且0≤ε1≤1,则:

yε=ε1·D宽

(12)

2) 敌潜艇的航向分布

设敌潜艇航向为θ,由于敌潜艇是正面突防,如果θ过大,则会驶离反潜直升机的搜索范围,所以θ的范围可设为

4/3π≤θ≤5/3π

(13)

设θ在(4/3π,5/3π)范围内服从均匀分布,ε2为服从均匀分布的随机数,且0≤ε2≤1,则:

θ=4/3π+ε2/3π

(14)

3) 敌潜艇航速

敌潜艇在接近舰艇编队时,通常会采取高速突破的方式,但是一般不会使用最大速度。

4) 敌潜艇的运动模型

在当前同步周期内的较短时间,可假设敌潜艇的航向和航速是恒定的,中途不发生改变。设敌潜艇航速为V潜,则敌潜艇在任意时刻t的位置坐标为

(15)

3.3探测效果的判别

反潜直升机使用吊放声纳进行探测时,是否能探测到目标,取决于能否满足一定条件。即需要对探测效果进行判别。

由于各个同步周期的情况类似,因此,仿真时,仅对一个同步周期进行仿真即可。在一个同步周期内,要对每一时刻敌潜艇和反潜直升机的位置进行计算,然后判断两者之间的距离。如果两者的距离小于D测/2,这时说明敌潜艇已经进入我反潜直升机吊放声纳可能的探测范围内[10]。如果此时反潜直升机正处于一个搜索周期内的t测阶段(即有效工作时间),则如果不考虑装备的可靠性、机组的训练水平、海区天气水文等影响,则敌潜艇被探测到,该次仿真结束。否则,说明没有探测到敌潜艇,需要进入下一个探测周期急需进行判别,直至发现敌潜艇或到达预定结束时间(该同步周期的结束时间)。

4仿真分析

4.1仿真目的

把吊放声纳相邻探测点间距d和敌潜艇航速v潜作为变量进行仿真,得出d和v潜取不同值时的搜潜概率P,通过分析仿真结果,得出能用于指导作战使用的结论。

4.2仿真想定

水面舰艇编队航速为18kn,吊放声纳实际有效探测距离为8km,在每个悬停探测点收、放吊放声纳的时间分别为1min,在每个悬停探测点进行听测的时间为5min,转移悬停探测点时直升机的飞行速度为150km/h,n为4个。

吊放声纳相邻探测点间距d的取值分别为:8km、10km、12km、14km、16km;敌潜艇的航速介于5kn～20kn之间,级差为1kn。

仿真步长为1min,仿真次数为1000次。

4.3仿真结果

使用Matlab编写仿真程序进行仿真。仿真结果如图4所示。

4.4仿真结果分析

1) 探测点间距对搜索概率的影响

从图4可以看出,使用“弓”字形搜索法时,对于速度11kn以下的敌潜艇,探测点间距14km时的探测概率较高,最高时为0.82;对于速度11kn以上的敌潜艇,探测点间距8km时的探测概率较高,最低时为0.68。

图4　“弓”字形搜索法仿真效果图

图中曲线走势比较复杂,但是可以看出探测点间距8km时,探测概率稳定性最好,所以对于不明速度的敌潜艇,最好是采用探测点间距8km实施“弓”字形搜索法。也就是说,最佳悬停探测点间距大约为吊放声纳实际有效探测距离的1倍。但是,探测点间距越小,则搜索宽度也越小。因此,实际确定探测点间距时,应综合考虑防护宽度和搜索概率的要求。

2) 敌潜艇航速对搜索概率的影响

敌潜艇航速对搜潜效能有重要影响,无论吊放声纳相邻探测点间距为多少,总的趋势是:敌潜艇航速越高,探测概率越低,特别是当敌潜艇航速高于某一数值时,探测概率随着敌潜艇航速的增加将加速降低。因此,对于有可能高速突防的敌潜艇,仅仅建立一道巡逻搜索线可能还难以保证我编队的对潜防御安全,需要建立更加严密的反潜防御体系。

5结语

使用舰载直升机进行伴随护航反潜是保证水面舰艇编队对潜防御安全的重要方法。针对前置反潜护航的实际需要和反潜直升机使用吊放声纳搜索的特点,提出了“弓”字形搜索法这一新的作战使用方法,不但有效解决了巡逻搜索线与编队之间的同步问题,而且通过建立模型进行仿真表明,该方法可以取得比较理想的搜潜效果。同时,通过对仿真结果的分析,对“弓”字形搜索法的具体作战使用方法进行了优化,能为部队训练和作战提供参考。

参 考 文 献

[1] 丛红日.航空反潜战术[D].烟台:海军航空工程学院,2008:31-37.

[2] 丛红日,肖明强,陈邓安.直升机反潜巡逻线与编队之间同步问题研究[J].舰船电子工程,2011,31(8):8-10.

[3] 吴金平,杨必奉,刘国光.编队护航HVU反潜威胁轴[J].火力与指挥控制,2010,35(12):83-85.

[4] 丛红日,沈培志,王伟.直升机侧翼法伴随护航反潜作战使用方法及其仿真[J].舰船科学技术,2011,33(3):115-119.

[5] 朴成日.航渡中反潜直升机的配置[J].舰船科学技术,2012,34(3):118-121.

[6] 王晓辉,陈建勇,赵红军.直升机吊放声纳搜索方法效能研究[J].火力与指挥控制,2009(9):18-20.

[7] 郭辉,钱学东,刘启军.直升机吊放声纳搜潜机动建模仿真[J].指挥控制与仿真,2009,31(1):87-89.

[8] 丛红日,靳天宇,刘卫东.吊放声纳搜索效能通用仿真模型研究[J].系统仿真技术,2011,7(1):72-75.

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[10] 吴芳,杨日杰,徐俊艳.对潜的吊放声纳应召搜索技术仿真研究[J].系统仿真学报,2009,21(13):3989-3992.

A“Bow”-shape Search Method When Antisubmarine Helicopter Ahead Escort and Its Simulation

CONG Hongri1ZHOU Hailiang2SHA Depeng2

(1. Department of Command, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)(2. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractAccompanying escort antisubmarine with shipborne antisubmarine helicopter is an important method to protect a surface ship formation. According to the actual needs of preposing escort antisubmarine and the search method characteristics of antisubmarine helicopter when using dipping sonar, a new search method of “bow”-shape is put forward, synchronization model is set up, the basic methods to increase the search efficiency are put forward. On this base, the simulation model is set up, and the searching effectiveness is studied with simulation method. In the end the material search method is optimized by analysing the simulation result, and this can offer theoretic foundation for the helicopter preposing escort antisubmarine operating application.

Key Wordsantisubmarine helicopter, “bow”-shape search method, preposing method, dipping sonar, accompanying escort antisubmarine, simulation model

*收稿日期:2015年12月13日,修回日期:2016年1月27日

作者简介:丛红日,男,博士,副教授,研究方向:航空反潜战术、装备管理。周海亮,男,硕士研究生,研究方向:海军兵种战术。沙德鹏,男,硕士研究生,研究方向:海军兵种战术。

中图分类号V249

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.007