反潛直升機平行跳躍護航搜索方法及其仿真

叢紅日，陳鄧安，肖明強

(1.海軍航空工程學院 指揮系,山東 煙臺 264001; 2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊,山東 煙臺 264001)

0 引 言

護航反潛的任務是為航渡過程中的水面艦艇編隊提供反潛防護[1]。由艦載反潛直升機進行伴隨護航反潛時，通常由反潛直升機在編隊周圍受敵潛艇威脅最大的方向建立反潛巡邏線[2]。

對于航渡過程中的水面艦艇編隊，受敵潛艇威脅最大的方向一般為編隊航向的前方或側前方[3]。為此，需要在編隊前方建立反潛巡邏線進行護航反潛，稱為前置法。艦載反潛直升機進行前置法護航反潛時，通常使用吊放聲吶建立反潛巡邏線。為了長時間地持續為編隊提供反潛防護，需要反潛直升機與編隊之間密切進行協同，特別是要保持反潛巡邏線與編隊之間的同步[4]。

本文結合吊放聲吶作戰使用的特點和前置法護航反潛的要求，提出一種新的作戰使用方法并對其作戰效能進行仿真，為部隊訓練和作戰提供參考。

1 平行跳躍搜索法

1.1 平行跳躍搜索基本方法

由于反潛直升機使用吊放聲吶搜索時前進的速度與水面艦艇編隊的航速之間存在較大差異，因此前置法護航反潛時，為了保持二者之間的同步運動，從而長時間地為編隊提供反潛防護，同時還能具有較高的搜索效能，需要設計并采取合理的搜索方法。

平行跳躍搜索法就是反潛直升機在水面艦艇編隊航向前方一定距離上跳躍式地進行一定寬度的往返搜索，從而使垂直于編隊航向的反潛巡邏線沿編隊前進的方向平行推進。通常單機組織實施，也可以雙機、甚至多機組織實施，如圖1所示。

圖1 平行跳躍搜索法(雙機)示意圖Fig.1 The sketch map of parallel jumping search method (double helicopters)

平行跳躍搜索法通過反潛直升機在與編隊航向垂直的方向上進行一定寬度的往返搜索后跳躍到另一個平行搜索線上進行搜索的方式，始終保持在編隊前方形成一定搜索寬度，大大降低了敵潛艇突防的概率。

1.2 主要參數關系分析

從圖1可以看出，平行跳躍搜索具有明顯的周期性，這里取一個周期為例進行主要參數關系分析。

如圖2所示，設：水面艦艇編隊的航速為Vb，敵潛艇的航速為Vq，吊放聲吶的實際有效探測距離(取決于吊放聲吶的性能、作戰海區水文條件、敵潛艇噪聲特性等)為Dc，每相鄰2個探測點之間的間距為d， 相鄰2個平行搜索段之間的距離為L，相鄰2個平行搜索跳躍段的長度為LT，與編隊航向垂直的搜索寬度為DK，要求反潛直升機所承擔防敵潛艇突防的防護寬度為LD，在1個周期內，探測點數量為n。

圖2 平行跳躍搜索周期分析圖Fig.2 The analysis picture of parallel jumping search periods

從圖2中可知：

DK=(n-1)d+Dc，

(1)

(2)

反潛直升機在伴隨護航反潛時核心任務是搜潛，為編隊提供預警信息，因此，在整個過程中最重要的效能指標就是探測概率P，此外搜潛寬度DK也是一個重要指標，DK越大，搜潛的范圍就越大。

影響P的因素有很多，主要包括：DC，d，n，Vq以及反潛直升機使用吊放聲吶搜索時的探測周期tT等[6]。此外，作戰海區戰場環境、裝備性能和機組訓練水平等因素也會對P產生影響。綜合分析，在具體作戰使用過程中，d，n是影響P的主要因素。

1.3 保持同步的方法

保持同步就是要使反潛直升機使用吊放聲吶所建立的巡邏搜索線的移動方向和速度與水面艦艇編隊的運動方向和速度保持一致。其中，方向上保持一致相對容易，關鍵是速度上如何保持一致。

當1個同步周期結束時，水面艦艇編隊的航行時間tb可表示為：

tb=L/Vb；

(3)

當1個同步周期結束時，反潛直升機的搜索飛行時間tZ可表示為：

tZ=(2n-1)tT+LT/VZ。

(4)

其中，VZ為反潛直升機飛行速度；tT為反潛直升機使用吊放聲吶進行探測時在一個懸停探測點完成各項工作的時間周期，稱為吊放聲吶的探測周期，包括：放置吊放聲吶入水的時間tF，在探測點懸停探測的時間tC，收起吊放聲吶的時間tS，從1個探測點飛向另1個探測點的時間tX[7]，即

tT=tF+tC+tS+tX，

(5)

其中tX主要取決于d、反潛直升機飛行的速度VZ以及作戰海區風力、風速等[8]，在典型情況下：

tx=d/VZ。

(6)

綜合式(4)～式(6)可得：

tZ=[2(n-1)d+LT]/VZ+(2n-1)(tF+tC+tS)，

(7)

當1個同步周期結束時，為了保持同步，必須使：

tb=tZ，

(8)

因此：

L/Vb= [2(n-1)d+LT]/VZ+(2n-1)

(tF+tC+tS)。

(9)

式(9)中，在某一次具體作戰時，Vb，VZ，tF和tS是一定的，LT是由L和d決定的，因此影響同步的主要因素為d，tC,L和n。 在作戰使用過程中，通過對上述參數的合理控制，就能夠保持同步。

1.4 滿足防護寬度要求的方法

在保持同步的同時，反潛直升機在編隊前方的正面搜索寬度必須不小于要求反潛直升機所承擔的防止敵潛艇突防的任務區寬度，即

DZ≥LD，

(10)

DK越大，反潛巡邏線的有效搜索寬度越大，越能從總體上降低敵潛艇的突防概率。

綜合式(1)和式(10)，應保證：

(n-1)d+DC≥LD。

(11)

1.5 提高搜索效能的方法

1)同一直線搜索段內折返搜索時

在垂直于編隊航向的直線搜索段內，從第1個懸停探測點開始搜索直至沿直線搜索段依次搜索并折返回到該懸停探測點的這一段時間內，敵潛艇前進的距離不能大于吊放聲吶實際有效探測距離的2倍，否則，敵潛艇就可能不進入該巡邏搜索線內吊放聲吶的任何一個懸停探測點的有效搜索范圍而實現突防。為防止這種情況出現，應使：

VQ·T1≤2Dc，

(12)

其中：

T1=2(n-1)tT=2(n-1)(tF+tC+tS+d/VZ)，

(13)

綜合式(12)和式(13)可得：

DC≥VQ(n-1)(tF+tC+tS+d/VZ)。

2)不同直線搜索段間跳躍時

由于在這段時間內吊放聲吶無法工作，為保證敵潛艇不能利用該時間差進行突防，應使相鄰2個直線搜索段之間不存在搜索盲區，即

L-2DC≤0。

(14)

否則，如果相鄰2個直線搜索段之間存在搜索盲區，則在這段時間內敵潛艇前進的距離不能大于相鄰2個直線搜索段之間的搜索盲區的寬度，即

VQ·T2≤L-2DC，

(15)

其中：

(16)

2 仿真模型建立

2.1 反潛直升機運動模型

1)反潛直升機的位置表示

建立如圖3所示的平面直角坐標系。

圖3 平行跳躍搜索周期坐標系Fig.3 The coordinate system hunting period of jumping of equal rank

以平行跳躍搜索法的任意1個同步周期為例進行分析。顯然，反潛直升機第1個懸停探測點的位置坐標為：

則反潛直升機使用吊放聲吶探測時第k個懸停探測點的位置坐標如下：

當k∈[2k1n+1，(2k1+1)n]，k1=0，1，2，…，時，

當k∈[(2k1+1)n，2(k1+1)n-1]，k1=0，1，2,…,時，

當k∈[2(k1+1)n，(2k1+3)n-1]，k1=0，1，2,…,時，

當k∈[(2k1+3)n-1，2(k1+2)n-2]，k1=0，1，2,…,時，

2)時間表示

假設以反潛直升機在首個懸停探測點開始探測時為基準時間(即時間為0)，則在第k個懸停探測點結束探測時的時間為：

tK=k·tC。

(22)

2.2 敵潛艇運動模型

1)敵潛艇初始位置分布

在前置法護航搜潛時，反潛直升機在編隊前方建立巡邏搜索線進行搜索，只有當敵潛艇進入到反潛直升機建立的反潛巡邏線搜索范圍內，反潛直升機才有可能搜索到，否則對搜索效果不產生影響[8]。因此，如果不考慮敵潛艇的航行深度，則如圖3所示，敵潛艇的初始位置(xQ0，yQ0)可以表示為：

其中，可假設yε在LK范圍內服從均勻分布。設ε1為服從均勻分布的隨機數，且0≤ε1≤1，則

yε=ε1·LK。

(24)

2)敵潛艇的航向分布

設敵潛艇航向與編隊航向之間的夾角為θ，則由于敵潛艇是正面突防，如果θ過大，則會駛離反潛直升機的搜索范圍，而敵潛艇必須突破反潛巡邏線才能對水面艦艇編隊實施攻擊，所以θ的范圍應設為：

(25)

假設θ在此范圍內服從均勻分布。設ε2為服從均勻分布的隨機數，且0≤ε2≤1，則

(26)

3)對敵潛艇航速的判斷

敵潛艇在接近我編隊時，通常會采取較高航速進行突防。在進行突防的較短時間內，可假定敵潛艇航速VQ不變。

4)敵潛艇位置表示

設敵潛艇在任意時刻t的位置為(xQt，yQt)，則[9]

2.3 探測效果判別

根據吊放聲吶的工作原理，如果不考慮裝備可靠性、機組的訓練水平等因素的影響，則當敵潛艇進入到吊放聲吶當前懸停探測點的實際有效探測范圍，且處于吊放聲吶有效工作時間內時，則認為搜索到敵潛艇[10]。

由于每個同步周期的情況相同，因此只需要對1個同步周期的情況進行仿真計算即可。仿真時，每次仿真均采用時間推進的方式，即在當前時刻，首先計算敵潛艇的位置和反潛直升機的位置，然后計算二者之間的距離，如果二者的距離小于DC，且當前時刻在tC內(這是因為在tT內，只有tC才是吊放聲吶的有效工作時間)，則判定搜索到了敵潛艇，該次仿真結束，進入下一次仿真過程，否則，按設定的仿真步長增加一個步長，再按照上述方法進行判別，直至當前同步周期的時間全部用完，表明該次搜索沒有探測到敵潛艇，轉入下一次搜索過程繼續進行仿真。

3 仿真分析

3.1 仿真目的

把吊放聲吶相鄰探測點間距d和敵潛艇航速vQ作為變量進行仿真，得出d和vQ取不同值時的搜潛概率P，通過分析仿真結果，得出能用于指導作戰使用的結論。

3.2 仿真想定

水面艦艇編隊航速為18 kn，吊放聲吶實際有效探測距離為8 km，在每個懸停探測點收、放吊放聲吶的時間分別為1 min，在每個懸停探測點進行聽測的時間為5 min，轉移懸停探測點時直升機的飛行速度為150 km/h，n為4個。

吊放聲吶相鄰探測點間距d的取值分別為：8 km，10 km，12 km，14 km，16 km；敵潛艇的航速在5～20 kn之間，級差為1 kn。

仿真次數N為1 000次，仿真步長△t為1 min。

3.3 仿真程序

使用Matlab編寫仿真程序。仿真程序框圖如圖4所示。其中，k為吊放聲吶相鄰探測點之間的重疊系數，△t為仿真步長，N為仿真次數，m為探測到敵潛艇的次數。

圖4 仿真程序框圖Fig.4 Logic block diagram of the simulation program

3.4 仿真結果

仿真結果如圖5所示。

圖5 平行跳躍搜索法仿真效果圖Fig.5 The simulation result graph of parallel jumping search method

3.5 仿真結果分析

1)探測點間距對搜索概率的影響

從圖5可以看出，探測點間距對以探測概率表示的搜索效能有重要影響，探測點間距過大或過小都不能取得好的搜索效果，特別是當探測點間距過大(≥14 km)時，探測概率下降非常明顯。當探測點間距為10 km(即重疊系數為1.25)時，探測概率較高，最高時為0.89，最低時為0.41。由此可見，使用平行跳躍搜索法時，當懸停探測點間距大約為吊放聲吶實際有效探測距離的1.25倍時，搜索效果最好。

2)敵潛艇航速對搜索概率的影響

敵潛艇航速對搜潛效能有重要影響，無論吊放聲吶相鄰探測點間距為多少，總的趨勢是，敵潛艇航速越高，探測概率越低，特別是當敵潛艇航速高于某一數值(大約為12 kn)時，探測概率隨著敵潛艇航速的增加將加速降低，因此，對于有可能高速突防的敵潛艇，僅僅建立一道巡邏搜索線可能還難以保證我編隊的對潛防御安全，需要建立更加嚴密的反潛防御體系。

4 結 語

使用艦載直升機進行伴隨護航反潛是保證水面艦艇編隊對潛防御安全的重要方法。針對前置反潛護航的實際需要和反潛直升機使用吊放聲吶搜索的特點，提出平行跳躍搜索法這一新的作戰使用方法，不但有效解決了巡邏搜索線與編隊之間的同步問題，而且通過建立模型進行仿真表明，該方法可以取得比較理想的搜潛效果。同時，通過對仿真結果的分析，對平行跳躍搜索法的具體作戰使用方法進行了優化，能為部隊訓練和作戰提供參考。

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