反潛直升機吊放聲納搜潛策略分析

金惠明，李建勛

(1.中國人民解放軍92728部隊，上海 200436;2.上海交通大學，上海 200240)

0 引言

反潛戰(zhàn)在各國海軍海上作戰(zhàn)中具有十分重要的作用，尤其是隨著潛艇向著高速、深潛和低噪聲的方向發(fā)展，使反潛作戰(zhàn)更加困難和復雜。在各種反潛手段中，由于直升機反潛具有速度快、效率高，受潛艇威脅小的優(yōu)點，因此直升機反潛受到了世界各國海軍的重視。目前，世界上最具有代表性的反潛直升機有美國的SH－60/S－70海鷹;俄羅斯卡 －28蝸牛;歐洲 NH90、EH101灰背隼;法國AS－565SA黑豹;英國海軍山貓MK7等［1］。反潛直升機一般攜帶航空反潛魚雷、深水炸彈等武器，反潛設(shè)備包括吊放式聲納、浮標和磁探等設(shè)備，能在短時間內(nèi)搜索較大面積的海域，準確測定潛艇位置［2］。

反潛直升機一般采用應召搜潛方式，即反潛直升機在沿海機場、母艦或指定空域待命，當獲得敵潛艇的活動信息后，飛往發(fā)現(xiàn)潛艇的海區(qū)，搜索、跟蹤或攻擊敵潛艇的戰(zhàn)斗行動。其應召搜索的特征是已知目標在搜索前某一時刻的大概位置或(和)運動參數(shù)(速度和航向)。搜索是直升機反潛行動中的首要環(huán)節(jié)，反潛直升機可以使用多種搜潛設(shè)備和器材對潛艇進行搜索定位，但主要使用吊放聲納和聲納浮標探測水下潛艇。反潛直升機使用吊放聲納進行應召搜潛具有搜索速度快、機動靈活、工作深度可變、精度高、有多種工作方式、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，是平時(或戰(zhàn)時)使用最多的搜潛方式之一。然而影響吊放聲納應召搜潛效能的因素較多，尤其是反潛直升機的搜潛路徑［3］。本文在分析潛艇分布的基礎(chǔ)上，針對反潛直升機使用吊放聲納對潛搜索能力進行研究，重點研究多機聯(lián)合搜潛的搜潛策略，為直升機反潛提供了相關(guān)的理論決策基礎(chǔ)。

1 反潛直升機使用吊放聲納搜索潛艇的一般方法和過程

反潛直升機使用吊放聲納搜索潛艇，不論其反潛作戰(zhàn)樣式和搜索方法如何，其搜潛過程基本是相同的，即采用邊前進邊逐點探測的方法，其飛行搜索 (作業(yè))剖面如圖1 所示［4］。

圖1 吊放聲納搜索飛行剖面圖Fig.1 Flying profile of dipping sonar searching

反潛直升機到達搜索海域后，按預定的搜索航線飛行，在飛行過程中，反潛直升機飛行的高度一般為100 m以上，速度為100 kn以上。反潛直升機在快接近第1個探測點時，逐漸降低飛行高度和速度。在懸停點下降到離海面一定高度(Hxt＜50 m)上迎風懸停，按吊放聲納操作規(guī)程放下水下分機(換能器)，邊放邊觀察，根據(jù)當時的水深和水聲環(huán)境條件，把水下分機放到合適的深度(吊放聲納的吊放電纜長度一般為150～450 m)。開機搜索目標，聽測2～3 min，一般是先被動(噪聲方式)，再主動(回聲方式)，如果發(fā)現(xiàn)可疑信號，就要進一步探測，或用主動方式測定目標的位置，并隨時把目標位置傳送到指控系統(tǒng)，計算出目標運動參數(shù)，以便對目標實施跟蹤或攻擊，或引導其他兵力進行跟蹤或攻擊。如沒有發(fā)現(xiàn)目標，即收起水下分機爬升到一定高度(Hfx≈50～150 m)。增速至100 kn以上，迎風飛行，經(jīng)兩次轉(zhuǎn)彎向第2個探測點過渡，在快接近第2個探測點時再次逐步減速和降低飛行高度。迎風懸停，放下?lián)Q能器進行探測。反潛直升機就這樣周期性地對敵潛艇進行逐點探測，直至探測到潛艇或搜索完規(guī)定的時間tss。

由于受迎風懸停的影響，在逐點對敵潛艇探測過程中，反潛直升機在兩探點之間具體的飛行航線是不同的，兩探點之間的間隔為1.25～1.6倍的吊放聲納作用距離(dsnmile)。反潛直升機使用吊放聲納對潛搜索周期除了與收放換能器的時間、在兩探點飛行的時間及在該探點的探測時間有關(guān)之外，還與氣候、海況和晝夜等條件有關(guān)［5］。

在探測過程中，如果發(fā)現(xiàn)潛艇的噪聲或回波，則立即對回波或噪聲進行識別并跟蹤，為了準確測定潛艇位置及其運動要素，吊放聲納一般要與被探測到的潛艇保持10 min的接觸時間才行。兩懸停點距離的選擇，取決于不同搜潛方法和吊放聲納戰(zhàn)術(shù)作用距離大?。?］。

2 潛艇運動模型

潛艇運動是個復雜的六自由度剛體運動方程，方程系數(shù)多達100多個。相對潛艇分布而言，質(zhì)點模型已經(jīng)可以說明問題，但是一些重要的影響因素應予以考慮，尤其是相對潛艇這種大型裝備，轉(zhuǎn)向?qū)⑹且粋€復雜和費時的過程，因此以質(zhì)點模型為基礎(chǔ)［7］，重點考慮轉(zhuǎn)向?qū)撏н\動的影響，以期望獲得一個相對真實的潛艇分布。

設(shè)潛艇的初始航向為θs0，初始航行速度為Vs0，初始位置坐標為(xs0，ys0)，轉(zhuǎn)彎半徑為Rs，轉(zhuǎn)彎時的速度為Vs，轉(zhuǎn)彎角速度為ωs，加速度為a，則有:

假定潛艇進行規(guī)避機動時，主要包括加速直航和加速轉(zhuǎn)彎后直航:

潛艇加速轉(zhuǎn)彎過程中:

這里t0為潛艇開始轉(zhuǎn)彎加速的時刻。轉(zhuǎn)彎需要的時間為

其中:Δθ為潛艇轉(zhuǎn)向角度。

忽略轉(zhuǎn)彎對潛艇圓心坐標的影響，只考慮轉(zhuǎn)彎帶來的時間延遲，轉(zhuǎn)彎后潛艇運動軌跡為

由于潛艇在轉(zhuǎn)向過程中是一個復雜的運動，并且潛艇的尺寸巨大等原因，從而導致轉(zhuǎn)向時延，其結(jié)果使?jié)撏У姆植紡脑瓉淼膱A形分布(航向均勻隨機)變?yōu)橐粋€桃形分布，其結(jié)果將直接影響后續(xù)搜索策略，見圖2。

圖2 考慮潛艇轉(zhuǎn)彎影響的分布圖Fig.2 The distribution considering the effect of submarine’s turning

3 搜索策略

3.1 搜索路徑

螺旋搜索模式是20世紀60年代蘇聯(lián)針對定速直航運動目標所提出的一種搜索模式，并在對潛搜索中得到了應用［8］。螺旋搜索要求反潛直升機可以快速到達發(fā)現(xiàn)潛艇的區(qū)域，而且在搜索的過程中要求直升機可以進行飛行航向的連續(xù)修正?？紤]螺旋線為曲線，搜索直升機難以按曲線航行搜索，因此一些學者［9－10］提出了采用折線代替曲線的逼近搜索方法，其實質(zhì)仍然是螺旋搜索。

對定速直航目標搜索時，如果搜索者保持180°－arccos(vd/vws)的定舷角，vd為目標的期望航速，vws為搜索航速，那么其與目標相遇的軌跡是一條光滑的螺旋線，

其中:k=tan(arcsin(vd/vws));φ為極角。

3.2 初始探測點的選擇

反潛直升機在敵潛艇可能的區(qū)域內(nèi)進行逐點探測。綜合考慮氣象、海況和晝夜時間等因素后，兩探點之間的時間間隔在晝間良好水文條件下一般為12 min左右。初始探測點的選擇原則是:當?shù)醴怕暭{作用距離較大，且敵潛艇速度較低時，以潛艇可能消失點為新的探潛點;但當聲納作用距離較小時，且敵潛艇速度較高時，以潛艇將來位置點為新的探測點?？紤]敵潛艇被發(fā)現(xiàn)后將最大概率地以現(xiàn)有的航向和規(guī)避速度進行規(guī)避，以期望盡快規(guī)避反潛機的反潛探測。當反潛直升機完成一個探測架次，其第2架次的探測根據(jù)新的預測點進行重新反潛探測，而不是在第1個探測的架次上按照螺旋線繼續(xù)探測，從而確保探測的性能。

圖3中的兩條曲線，其中實線表示經(jīng)典的螺旋搜索曲線，而點劃線為考慮轉(zhuǎn)向延遲影響的新螺旋搜索曲線。由此可以看到一定程度上兩條曲線的誤差，尤其在180°航向上誤差最大，因為這個航向上轉(zhuǎn)向所耗費的延遲時間最大。而圖4則考慮吊放聲納有效作用范圍后的螺旋搜索作用區(qū)域。

圖3 螺旋線搜索軌跡Fig.3 Spiral searching locus

圖4 螺旋搜索情況下的聲納作用區(qū)域Fig.4 Sonar action region under spiral searching

4 多機聯(lián)合搜潛分析

4.1 潛艇速度誤差的影響

結(jié)合螺旋線搜索方程(6)，可以發(fā)現(xiàn)潛艇的運動速度將直接影響搜潛直升機與潛艇的相遇條件。圖5為潛艇規(guī)避速度從16～20 kn的相遇解(分別對應實線、點線、點劃線、虛線、+線)。從圖中可以看到最大的差別距離為7 km。假定反潛直升機上攜帶的吊放聲納有效作用距離為2 nmile，結(jié)合反潛直升機的搜索時間曲線，如圖6所示，實線為搜潛飛機的飛行時間與搜索角度的關(guān)系，而虛線為速度誤差所導致3500 m搜索誤差的時間，基于兩條曲線的交點可以獲得確保潛艇無法穿過聲納有效作用區(qū)域的最大單機搜索角度，即為 110°。

圖5 潛艇速度誤差所導致的搜索誤差Fig.5 Searching error with different velocity

圖6 潛艇航行角度與反潛搜索時間曲線Fig.6 Curve of sailing degree to searching time

4.2 4機聯(lián)合搜索

結(jié)合潛艇轉(zhuǎn)彎和規(guī)避速度誤差的聯(lián)合影響，為確保潛艇沒有機會穿越聲納的有效作用區(qū)域，單機的最大搜索區(qū)域不應該大于110°。同時考慮實際應用中可能存在的其他影響因素，因此建議進行4機聯(lián)合搜潛，即4*110°＞360°。在上述典型假設(shè)條件下，雙機、3機聯(lián)合搜索將可能導致搜索的盲區(qū)。隨著直升機和聲納設(shè)備性能的進一步提高，其組成搜索策略也有可能調(diào)整為雙機或3機等。4機聯(lián)合搜潛作用區(qū)域如圖7所示。

圖7 4機聯(lián)合搜潛作用區(qū)域Fig.7 Effect region of searching joint searching with four-antisubmarine helicopter

4機聯(lián)合搜索的具體策略如下:

1)4架飛機聯(lián)合起飛到潛艇出現(xiàn)的上空，分別占位在相互垂直的兩個初始位置點;注意這4個初始位置的初始距離是不同的，這主要是考慮潛艇轉(zhuǎn)彎時所帶來的影響;

2)4架飛機分別按照各自的螺旋線進行搜索，考慮聲納的有效作用范圍，其最大搜索角度為110°;

3)然后4機飛機分別在搜索90°后，如果發(fā)現(xiàn)潛艇，則繼續(xù)進行定位和跟蹤，如果沒有發(fā)現(xiàn)潛艇，則重新估計潛艇運動位置(主要估計可能的徑向距離，而在航向角度上則假定為均勻分布)，重新開始第2輪的搜索;

4)如果第2輪的搜索仍然沒有發(fā)現(xiàn)目標，則以第2輪的初始徑向距離為基礎(chǔ)，逐次向內(nèi)進行搜索;

5)如果依然沒有發(fā)現(xiàn)潛艇，且減少的距離到達最小約束半徑后，則采用米字形進行搜索。米字形的中心為第1次發(fā)現(xiàn)潛艇的位置點;

6)如果依然沒有發(fā)現(xiàn)潛艇，則終止本次搜潛;

7)期間如果再次檢測到潛艇新的位置，則以新的位置為中心重新規(guī)劃搜潛路徑。

5 小結(jié)

潛艇轉(zhuǎn)彎將帶來一定時間的延遲，其結(jié)果將直接影響反潛直升機搜索路線?？傮w考慮潛艇轉(zhuǎn)彎、潛艇速度估計誤差和聲納有效作用范圍等實際影響因素，研究了其對螺旋線搜索策略的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了4機聯(lián)合搜索策略，為實際應用提供了相關(guān)參考。

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