海上线式巡逻落水空勤人员搜救区域模型与仿真

谭乐祖，刘 涛

（海军航空大学，山东烟台264001）

海上搜救是平时和战时海上战斗勤务保障的重要内容。海上搜救过程中，发现目标是展开海上救援的前提和必要条件，也是耗时最长、投入力量最多、过程最复杂的阶段[1]。因此，根据作战平台类型、作战任务、任务海区、飞行状态、自然条件、信息准确程度等，确定初始散布区域，进而依据自然条件，确定搜寻区域的位置、大小和形状，是海上搜救工作的重要内容。

线式巡逻是指空中平台沿某一确定的线段来回往返飞行的行动样式[2-18]。确定搜寻区域与搜索样式时，应尽量满足以下条件：一是搜寻区域应以比较高的概率覆盖搜救对象；二是确定搜寻区域的散布规律，以便集中搜救力量尽快发现搜救对象；三是依据散布范围、形状和特性，选择效能最好的搜索样式；四是搜寻区域形状要能体现任务类型和失事平台特点。

1 搜寻区域初始位置基本类型

散布初始位置是确定搜寻区域的位置、形状和散布特性的基本依据，是计算搜寻力量需求、运用方式与搜寻效率的基本依据。影响初始位置基本类型的因素主要是任务类型和失事状态。其中，任务类型主要是指航空平台的飞行路线或飞行轨迹；失事状态，则是指航空平台失事时，能否提供失事信息以及信息的准确程度。

1.1 点状初始位置

其概率密度分布如图1所示。

图1 点状初始位置概率密度Fig.1 Probability density of punctiform initial position

1.2 线状初始位置

当飞机在远海沿固定直航线执行任务时失事，空勤人员落水，且来不及报告落水坐标，此时，无法确定空勤人员落水准确初始位置，也无法获取飞机在预定航线上的飞行位置与飞行时间t 的关系，应认为空勤人员初始落水位置在预定航线上服从均匀分布[5]，即理论上，空勤人员落水点在固定航线上。在随机因素影响下，散布范围呈现非典型分布的特点。

以飞行航线端点为坐标原点，飞行方向为Y 轴，垂直于飞行方向为X 轴，建立直角坐标系。

1.2.1纵向分布模型

D 的概率密度函数为：

这是一种非典型分布，如图2所示。

图2 落水空勤人员真实位置纵向概率密度函数Fig.2 Longitudinal probability density function of the actual position of the accident aircrew

1.2.2横向分布模型

在随机因素干扰下，垂直于飞行方向的落水点的真实位置X 服从正态分布，其概率密度函数为：

1.2.3落水点分布模型

设X 、Y 相互独立，则线状初始位置时落水点( X,Y )的联合概率密度函数为：

其侧视图、正视图、俯视图和三维视图见图3～6。

2 漂流对落水区域形状与大小影响模型

2.1 环境描述

海面风、水流、波浪等自然环境因素，以及目标几何形状、浸没比例等因素，均对漂移后的位置、大小和形状有着显著的影响[6-7]。

因此，从空勤人员落水至搜救力量到达搜索区域展开搜索的T 时间内，空勤人员落水散布区域将发生位移，且其形状、大小将随影响因素数值的大小与延迟时间的长短而不同。

考虑到该问题的基本特征，可以认为，在T 时间内对落水人员及装备漂移的影响因素主要有海面风、海流、潮流、风生流和波浪5个因素。

设经过对5 个影响因素的速度分量合成后，其综合漂流速度大小为v，速度标准差为σv，漂流方向为θ（以飞行航线为基准），方向标准差为σθ，如图7 所示。

图3 线状初始位置落水点散布区域侧视图 Fig.3 Side view of the distribution area of the linear initial position falling point

图4 线状初始位置落水点散布区域正视图Fig.4 Front view of the distribution area of the linear initial position falling point

图5 线状初始位置落水点散布区域俯视图 Fig.5 Top view of the distribution area of the linear initial position falling point

图6 线状初始位置落水点散布区域三维视图Fig.6 3D view of the linear initial position falling point

2.2 漂流误差分解与综合误差合成

搜救延迟时间是指从空勤人员落水到搜救兵力展开搜救之间的时间。搜救延迟时间T 内的漂移距离DT=OB=vT 。

2.2.1方向偏差分解

所以，方向偏差引起的距离偏移量为：

2.2.2速度偏差分解

速度偏差为σy1=σvT ，则其在xoy 坐标系中的侧向与纵向分量分别为：

2.2.3误差合成

xoy 坐标系中，漂移T 时间后，实际落水点的误差为：

2.3 概率密度函数

纵向则为非典型分布，其概率密度函数为：

所以，漂流后的模型为：

3 仿真分析

从漂流模型可以看出，影响搜索区域形状与大小的因素主要有巡逻线长度、漂流速度、漂流方向和漂流时间。仿真条件如表1所示[8-9]。

表1 仿真条件Tab.1 Simulation conditions

3.1 搜救延迟时间对搜索区域的影响

搜救延迟时间与搜索区域面积见表2，搜救延迟时间与搜索区域面积关系如图8所示。

表2 搜救延迟时间与搜索区域面积Tab.2 Search and rescue delay time and search area

图8 搜救延迟时间与搜索区域面积关系Fig.8 Relationship between search and rescue delay time and search area

3.2 漂流方向对搜索区域的影响

漂流方向与搜索区域面积见表3，漂流方向对搜索区域大小的影响如图9所示。

图9 漂流方向对搜索区域大小的影响Fig.9 Influence of drifting direction on search area

3.3 巡逻线长度对搜索区域的影响

巡逻线长度与搜索区域面积见表4，巡逻线长度对搜索区域大小的影响如图10所示。

3.4 流速度对搜索区域的影响

漂流速度与搜索区域面积见表5，漂流速度对搜索区域大小的影响如图11所示。

表4 巡逻线长度与搜索区域面积Tab.4 Patrol length and search area

图10 巡逻线长度对搜索区域大小的影响Fig.10 Influence of patrol length on search area

表5 漂流速度与搜索区域面积Tab.5 Drifting speed and search area

图11 漂流速度对搜索区域大小的影响Fig.11 Influence of drifting speed on search area

从仿真可以看出：

1）延迟时间越长，搜索面积越大，且搜索面积增大速度越来越快；

2）漂流方向不同，搜索面积增大的速度不同。平行于巡逻线方向漂流时，搜索面积增大速度较慢，垂直于巡逻线方向漂流时，搜索面积增大速度最快，其他漂流方向，则居于两者之间；

3）巡逻线长度和漂流速度，与搜索面积几乎成正比例关系，但漂流速度的影响更加明显。

4 结束语

空勤人员搜救是战斗勤务保障的一项重要内容。线式巡逻是一种常用的空中巡逻样式。巡逻方向、巡逻线长度、漂流方向与漂流速度，以及搜救延迟时间，均对搜索区域大小具有重要影响。搜索区域模型，不仅可以估算搜索区域位置和大小，而且可以据此确定搜救兵力数量和行动样式，对搜救行动具有重要的理论意义。