直升机前飞投雷命中概率研究

丁海兰，刘金荣，秦　飞，张武雄

(1.中国电子科学研究院，北京　100041；2.中国科学院无线传感网与通信重点实验室，上海　200050)



工程与应用

直升机前飞投雷命中概率研究

丁海兰1，刘金荣1，秦飞2，张武雄2

(1.中国电子科学研究院，北京100041；2.中国科学院无线传感网与通信重点实验室，上海200050)

本文基于反潜直升机前飞投放鱼雷对水下目标进行攻击的作战使用方式，建立了直升机前飞投雷参数解算模型和鱼雷发现概率模型，利用蒙特卡罗法对直升机前飞投雷攻击过程进行了模拟仿真，分析了目标初始距离、传感器探测精度、武器投放精度等对鱼雷发现概率的影响，分析结果对反潜直升机作战使用具有一定的参考价值和指导作用。

前飞投雷; 投放精度; 发现概率

TJ630.1

A

1673-5692(2016)02-204-04

0　引　言

航空反潜以其机动性强、搜潜效率高、攻击效果优[1]成为当今反潜作战的主要方式。直升机反潜是航空反潜的重要组成部分，其主要攻潜武器为声自导鱼雷[2]，攻潜方式分为悬停投雷和前飞投雷[3]。文献[4]对直升机悬停投雷和前飞投雷两种攻潜方式的选择进行了仿真研究，文献[5]对直升机悬停投雷的命中概率进行了仿真研究。本文通过建立直升机前飞投雷参数解算模型和鱼雷发现概率模型，利用蒙特卡罗法仿真和分析目标初始距离、传感器探测精度、武器投放精度等对鱼雷发现概率的影响，对直升机前飞投雷作战使用具有一定的参考价值和指导作用。

1　直升机前飞投雷攻击过程和攻击效能指标选取

反潜直升机执行反潜任务时，可采用单机搜攻潜和双/多机编队协同搜攻潜。在单机搜攻潜条件下，通常采用机载吊放声纳、声纳浮标探测水下目标。当吊放声纳探测到目标、直升机与目标距离大于悬停投放鱼雷所要求的距离时，应实施前飞投雷攻击[4]；直升机收起吊放声纳水下分机，飞往武器投放点，设定武器参数，投放鱼雷对水下目标进行攻击。

在双/多机协同搜攻潜条件下，搜潜直升机采用吊放声纳、声纳浮标进行探测，获取水下目标的运动要素后，通过通信/数据链设备发送给攻潜直升机。理想情况下，搜潜直升机保持与目标接触，实时更新发送目标信息，攻潜直升机调整战位，在距离水下潜艇目标适当位置实施武器投放(鱼雷)；但在实际作战条件下，潜艇发现自身暴露后往往采取规避措施，搜潜直升机可能与潜艇目标失去接触，搜潜直升机将最后一次探测的目标信息发送至攻潜直升机，当与目标距离大于悬停投放鱼雷所要求的距离时，实施前飞投雷攻击，直升机进行投放参数解算，飞往武器投放点，设定武器参数，投放鱼雷对水下目标进行攻击。

声自导鱼雷投放后的活动可分为空中下降、入水下潜、搜索、捕获、攻击和再搜索等几个阶段。鱼雷入水后经历水下无动力、发动机启动到控制系统进入正常工作状态，按给定程序下潜至设定深度等一系列过程。鱼雷在搜索深度开启自导装置，对目标进行搜索，一旦接收到有效信号，就进入捕获阶段，对目标进行追踪，当确认是目标信号，完成对目标的核实，则转入攻击阶段。在攻击阶段，鱼雷按照规定的运动方式接近目标，直到命中目标。如果鱼雷在追踪或攻击过程中丢失目标信号，则转入预先规定的程序进行再搜索。

直升机对水下目标的攻击效能取决于鱼雷对目标的毁伤概率，毁伤概率依赖于杀伤半径和射击误差的标准偏差[6]。对声自导鱼雷，其射击误差可用鱼雷发现目标概率、鱼雷跟踪目标概率、鱼雷命中目标概率的乘积来表达。由于杀伤半径以及鱼雷跟踪目标概率、鱼雷命中目标概率等取决于鱼雷本身的性能，而在直升机前飞投雷攻击过程中，目标测量误差、投放点解算、载机导航误差、武器投放误差、目标散布等多种外部因素都将对鱼雷发现目标概率产生较大的影响，因此本文用鱼雷发现目标概率作为表征直升机对水下目标攻击效能的主要指标，并重点分析目标初始距离、传感器探测精度、武器投放精度等对鱼雷发现概率的影响。

2　投放参数解算模型

直升机接收到最后一次目标信息，决定实施前飞投雷攻击时，以直升机位置为原点，建立二维坐标系XOY，如图1所示。目标初始位置点为M，方位为B0，距离为D0，航向为Cm，速度为Vm。

图1　前飞投雷点解算示意图

由于从鱼雷投放到鱼雷开启自导装置对目标进行搜索要经过一段时间的延迟，直升机前飞投雷的武器投放点应设置投雷提前量R0，使得鱼雷投放后，经过空中下降、入水下潜后，开启声自导装置，在自导搜索范围与目标相遇。通常把以相遇点I为圆心，以R0为半径的圆定义为投雷圆。

从鱼雷投放到鱼雷开启自导装置阶段运行轨迹对应的时间分别为空中下降时间t1、水下无动力时间t2、发动机启动到控制系统进入正常工作状态时间t3，对应的水平面投影距离分别为s1、s2、s3，则鱼雷水平面投影总距离即投雷圆半径R0为

(1)

总运动时间Ts为

(2)

设图1中的I点为相遇点，载机沿OI方向飞行，经历时间Tf，到达投雷圆边缘K点开始投雷，鱼雷投放后，经过时间Ts，与目标在I点相遇。在ΔOMI中，可求出应飞时间Tf和I点的坐标，具体过程如下：

直升机应飞时间Tf：

(3)

前置相遇点I的坐标为

Xi=Xm+Vm×(Tf+Ts)×sinCm

(4)

OI段长度：

OI=Vf×Tf+R0

(5)

直升机应飞航向：

(6)

3　鱼雷发现概率模型

直升机采用吊放声纳、声纳浮标探测水下目标，获取目标的位置信息(距离和方位)，设其误差服从正态分布。连续探测数个点后，通过拟合处理得到目标速度和航向，同时可计算出速度和航向误差。

设传感器探测距离误差为ΔD0、方位误差为ΔB0，以及目标航向误差为ΔCm、速度误差为ΔVm，各误差分布如下

(7)

则潜艇实际初始位置M′坐标为

(8)

直升机接收到最后一次目标信息为起点(此时直升机与目标的距离为目标初始距离)，假设目标从M′开始匀速直航，在时刻t，潜艇位置点坐标为

(9)

影响直升机武器投放精度的因素有：载机惯导误差、投放机构延迟、人为投放操作误差、鱼雷空中弹道以及风速、风向等。因此相遇点I存在误差，设误差满足正态分布，则I点的真实坐标为

(10)

经过时间t，鱼雷到达I点，自动开启声自导系统，开始搜索目标，假设鱼雷的搜索弹道为环形，鱼雷搜索的圆心为I点，即投放参数解算模型中计算的目标理论位置，则鱼雷声自导启动后的运行轨迹模型为

(11)

其中：α1为鱼雷环形搜索角速度；αf为鱼雷入水后的航向(与直升机应飞航向相同)；r1为鱼雷环形搜索半径。

鱼雷在t时刻对应的航向为

(12)

鱼雷发现潜艇的条件：在鱼雷环形搜索期间，根据相对方位和相对距离的约束条件，判断目标是否处于鱼雷自导搜索扇面之内，如果目标位于鱼雷自导搜索扇面区域内，就认为目标被鱼雷发现。这里不考虑鱼雷和潜艇的深度关系，假设鱼雷与潜艇处于同一个平面。

设rx为鱼雷自导作用距离，θ为自导扇面角，则发现潜艇条件可描述为

(13)

4　仿真分析

假设目标潜艇速度为10～12kn，直升机前飞速度Vf=150km/h，从鱼雷投放到鱼雷开启自导的时间Ts=20s，投雷圆半径R0=500m，声自导鱼雷采用环形搜索方式，角速度α1=7°/s，转弯半径r1=115m，自导作用距离rx=1000m，自导扇面角θ=60°。用蒙特卡罗法模拟N次(N≥4 000)，鱼雷搜索到潜艇n次，则鱼雷发现目标概率为p≈n/N。

直升机可对目标进行攻击对应的鱼雷发现概率范围一般在0.5～0.9之间，仿真时取发现概率为0.8[7]。

4.1目标初始距离对鱼雷发现概率的影响

假设传感器对目标的测距误差σD=0.03D，测向误差σB=3°，武器投放精度100m，仿真计算不同目标初始距离下的鱼雷发现概率，结果如图2所示。

图2　目标初始距离对鱼雷发现概率的影响

结果表明，在给定条件下，目标初始距离大于3.5km后，随着目标初始距离增大，鱼雷发现目标概率明显降低。考虑到攻击航线和攻击时间等因素，直升机前飞投雷目标初始距离存在一个最佳区间(3～5km)。

4.2传感器探测精度对鱼雷发现概率的影响

假设投放精度为100m，仿真计算不同传感器探测精度下的鱼雷发现概率，结果如图3所示。

图3　传感器探测精度对鱼雷发现概率的影响

结果表明，鱼雷发现概率随着传感器探测精度的降低而下降；目标初始距离在3.5～6.5km之间时，传感器探测精度对鱼雷发现概率影响较大，鱼雷发现概率随着传感器探测精度提高有较明显的提高。

4.3武器投放精度对鱼雷发现概率的影响

假设目标初始距离为5km，仿真计算不同武器投放精度下的鱼雷发现概率，结果如图4所示。

图4　投放精度对鱼雷发现概率的影响

结果表明，鱼雷发现概率随着投放精度的降低而下降，且投放精度对鱼雷发现概率的影响程度与传感器探测精度存在相关性；但在一定范围内(例如25～100m)投放精度的变化对鱼雷发现概率影响不大。

5　结　语

本文建立了直升机前飞投雷参数解算模型和鱼雷发现概率模型，在鱼雷性能确定的情况下，利用蒙特卡罗法对直升机前飞投雷攻击过程进行了仿真分析，得到以下结论：

(1)鱼雷发现概率随着目标初始距离增大而下降，随着传感器探测精度、武器投放精度的提高而提高；

(2)直升机前飞投雷目标初始距离存在一个最佳区间(3～5km)；

(3)目标初始距离在3.5～6.5km之间时，传感器探测精度对鱼雷发现概率影响较大，鱼雷发现概率随着传感器探测精度提高有较明显的提高；

(4)投放精度对鱼雷发现概率的影响程度与传感器探测精度存在相关性；但在一定范围内投放精度的变化对鱼雷发现概率影响不大。

[1]孙明太. 航空反潜概论[M].北京:国防工业出版社,1997.

[2]赵绪明,杨根源. 一种计算航空反潜鱼雷发现概率的新方法[J].鱼雷技术,2006,12(5):54-57.

[3]孟庆玉,张静远,宋保维. 鱼雷作战效能分析[M].北京:国防工业出版社,2003.

[4]姜凯峰,初磊,周明. 机载鱼雷攻潜方式选择研究[J].舰船科学技术,2010, 32(3):70-73.

[5]林宗祥,周明,初磊. 直升机悬停投雷命中概率仿真[J].指挥控制与仿真,2008,30(5):75-77.

[6]姜青山,郑宝华. 海军运筹分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[7]丁贝,贾跃,姜选凯. 直升机引导管装鱼雷反潜命中概率仿真[J]. 舰船科学技术,2010, 32(9): 111-114.

丁海兰(1972—)，女，北京市人，工程师，主要研究方向为航空反潜技术；

E-mail：jinrong97512@126.com

刘金荣(1983—)，女，辽宁省人，工程师，主要研究方向为搜攻潜作战效能分析；

秦飞( 1982—)，男，河南省人，博士，主要研究方向为无线网络与应用；

张武雄(1985—)，男，湖北省人，博士，主要研究方向为无线网络与应用。

Simulation on Attack Efficiency of Helicopter Flight Pickle

DINGHai-lan1,LIUJIN-rong1,QINFei2,ZHANGWu-xiong2

(1.ChinaAcademyofElectronicsInformationTechnology,Beijing100041,China;2.Keylabofwirelesssensornetworkandcommunication,Chineseacademyofsciences,Shanghai200050,China)

Baseonthetacticalusemodeofanti-submarinehelicopterattackingsubmarineinflightpickle,amodeltocalculateairdropparameterofflightpickleisbuilt,followingthemodeltocalculatedetectionprobabilityofaerialtorpedo.Thesimulationisprovidedtocalculatethedetectionprobabilityofflightpickle,andanalyzedtheinfluenceofinitialdistance,sensordetectionerrorandpickleprecisionontorpedodetectionprobability.Thesimulationresultshavecertainreferencevalueforanti-submarinehelicopterflightpickle.

flightpickle;pickleprecision;detectionprobability

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.016

2016-01-20

2016-03-15

中国科学院无线传感网与通信重点实验室开放课题(2013004)