被動定向浮標探潛模型研究

戰和，楊日杰，金中原

?

被動定向浮標探潛模型研究

戰和1,2，楊日杰1，金中原1

(1. 海軍航空工程學院，山東煙臺 264001；2. 92074部隊，浙江寧波 315020)

反潛戰中，被動定向聲吶浮標是一種主要的探潛手段，兩枚被動定向浮標同時發現目標即可對其進行定位。研究了初始浮標陣中僅有一枚浮標能夠發現目標但不能實現定位的情況下，如何通過補投被動定向浮標對目標進行定位的模型問題。根據水下目標和反潛機的運動特點，將實際中所有可能出現的情況進行了分類討論，建立了被動定向浮標的補投模型。通過仿真分析了模型的探測效能，驗證了模型的正確性和可用性，為被動定向浮標的戰術使用提供了一定的理論基礎。

航空反潛；被動定向浮標；發現概率

0 引言

反潛戰中，航空搜、探潛發揮著重要的作用，反潛機扮演著水面艦艇編隊探路者和保衛者的重要角色[1-2]。對于反潛機(尤其是固定翼反潛機)而言，聲吶浮標是對水下目標進行探測的一種主要手段。浮標按聲吶工作方式分為主動浮標和被動浮標，按數據處理能力分為全向浮標和定向浮標，兩者均為全向監聽，其中被動定向浮標能夠對發現的目標進行定向，因此，兩枚同時發現目標即可進行定位[3-4]。本文的研究內容即是在原始浮標陣中僅有一枚被動定向浮標發現目標的基礎上，反潛直升機如何進行后續補投及補投后浮標的探測效率問題。

1 問題描述

假設布設的原始浮標陣為圓形陣[5]，圓陣半徑為，其中發現目標的浮標編號定義為1，坐標為(，)，發現目標方位（與正東方向的夾角）為，反潛機坐標為(，)，反潛機航速為。由于被動浮標的隱蔽性能非常好，潛艇不會發現威脅而采取規避措施，故可以假設其航速不變，記為。浮標探測半徑由被動聲吶方程=1－++確定，其中被動聲源級1與潛艇航速有關，且滿足

式中：為噸位，單位t；為頻率，單位kHz[6]。態勢如圖1所示。為統一編號和明確物理意義，將后續補投的浮標記為2、3、…，對應的坐標記為(2，2)，(，)，…；反潛機在布放2過程中1能發現潛艇的最后方位角記為；反潛機到達投放點時目標活動范圍的半徑記為。

2 被動定向浮標補投模型

2.1 潛艇尚未逃出浮標1的探測范圍

2.2 潛艇已逃出浮標1的探測范圍

2.2.1 浮標2發現潛艇

2.2.2 浮標2未發現潛艇

投放完3、4、5號浮標后，應持續監聽，若其中有兩枚能夠發現潛艇則可以對其進行定位，若其中只有一枚能夠發現潛艇，則可按2.1節的方法補投一枚浮標，若仍無法發現，則認為潛艇已逃逸。

3 效能分析

3.1 發現概率隨初始距離的變化關系

假設潛艇航速為10 kn，當初始距離在25~50 km變化時，被動定向浮標補投模型的發現概率變化情況如圖5所示。

由圖5可見，發現概率隨初始距離的增大而減小。當初始距離小于30 km時，此時直升機的監聽位置距浮標較近，前往補投位置的時間較短，潛艇在該時間段內的活動半徑較小，補投的浮標能夠完全覆蓋潛艇的活動區域，發現概率為100%。當初始距離達到監聽距離極限的50 km時，直升機前往補投位置的時間較長，潛艇活動半徑較大，可能存在的位置較分散，發現概率下降至57%。

3.2 發現概率隨潛艇航速的變化關系

假設初始距離為35 km，當潛艇航速在6~16 kn變化時，被動定向浮標補投模型的發現概率變化情況如圖6所示。

由圖6可見，圖像大致呈現為“V”字型，當潛艇航速低于12 kn時，發現概率隨航速增大而減小，這是因為在直升機執行補投階段低航速潛艇的活動半徑較小，被浮標發現的概率則相對較大。特別是當潛艇航速小于8 kn時，潛艇所有可能活動的區域均被按補投模型投放的浮標所覆蓋，發現概率為100%。當潛艇航速大于12 kn以后，輻射噪聲有所增加，使浮標探測距離有明顯增大，發現概率也隨之增大，到16 kn時已可達97%。

3.3 發現潛艇的浮標對分析

在以上的仿真分析中，所有成功發現目標的情況都是由至少一對浮標完成的，下面在成功發現目標的案例中分析各浮標對的表現情況，結果如圖7所示。

4 結論

在航空反潛作戰中，使用聲吶浮標對潛艇進行探測和定位是一種主要手段。本文研究了初始浮標陣中已有一枚能夠探測到潛艇的情況下后續浮標的補投問題，建立了補投模型，該模型確定了各枚補投浮標的補投位置和補投順序，并使用蒙特卡洛方法仿真分析了在多種初始距離和潛艇航速條件下模型的探潛效能，分析了由補投浮標兩兩組成的浮標對在所有發現情況中的發現比重，驗證了模型的可用性，為被動定向浮標的戰術使用提供了一定的理論基礎。

[1] 羅銳. 反潛巡邏機技術的發展動向與分析[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(10): 14-17.

LUO Ri. Development Trend and Analysis of the Anti-submarine Patrol Aircraft Technique[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(10): 14-17.

[2] 劉軍偉, 陳超, 杜正軍. 應召搜潛中直升機六邊形搜索方法[J]. 火力與指揮控制, 2011, 36(11): 11-13.

CHEN Junwei, CHEN Chao, DU Zhengjun. Research on hexagonal serching method in answering the call to anti_submarine[J]. Fire Control & Command Control, 2011, 36(11): 11-13.

[3] 劉海波, 馬建毅. 反潛機技術的裝備與發展[J]. 艦船電子工程, 2015, 35(2): 17-21.

LIU Haibo, MA Jianyi. Equipment technique and development of the antisubmarine aircraft technique[J]. Ship Electronic Engineering, 2015, 35(2): 17-21.

[4] 劉波. 反潛直升機裝備技術與發展[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(11):16-18.

LIU Bo. Equipment technique and development of the anti- submarine helicopter[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(11): 16-18.

[5] 謝振華, 李林, 程江濤. 圓形浮標陣搜潛效能評估研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(12): 168-170.

XIE Zhenhua, LI Lin, CHENG Jiangtao. Evalution of circinal sonobuoy array on the efficiency of searching submarine[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(12):168-170.

[6] 李啟虎. 聲吶信號處理引論[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[7] De Groot M H, Optimal Statistical Decisions[M]. New York: McGraw-Hill, 1997.

[8] Grundel D A. Searching for a moving target: Optimal path planning[C]//Networking, Sensing and Control, 2005. Proceedings. 2005 IEEE. 2005: 867-872.

[9] 孫國振, 董真杰, 連麗婷. 多浮標定位系統最優布站分析[J]. 聲學技術, 2013, 32(6): 477-480.

SUN Guozhen, DONG Zhenjie, LIAN Liting. Optimal station arrangement of multi-buoy positioning system[J]. Technical Acoustics, 2013, 32(6): 477-480.

Research on detection model of passive directional buoys

ZHAN He1,2, YANG Ri-jie1, JIN Zhong-yuan1

(1. Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001, Shandong,China; 2.Unit 92074, Ningbo315020, Zhejiang,China)

In Anti-Submarine Warfare, passive directional sonar buoy is a main method to detect submarine. When two directional buoys have detected the same underwater target at the same time, its position could be fixed. A model about how to lay the supplementary passive directional buoys is researched to fix the position of underwater target in the condition that one and only one directional buoy in the original array has affirmed the existence of underwater target, but could not fix its position. According to the motion features of both underwater target and antisubmarine aircraft, supplementary dropping model of passive directional buoy is established in consideration that all possible situations may occur in practice. By simulation, the detection efficiency of the model is analyzed and the applicability is proved. All of these providea theoretical foundation for tactical uses of passive directional buoys.

aviation antisubmarine; passive directional buoy; detection probability

E273.3

A

1000-3630(2016)-02-0125-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.008

2015-10-10;

2016-01-10

國家自然科學基金資助項目(61271444)

戰和(1984－), 男, 山東龍口人, 博士研究生, 研究方向為水聲工程與航空反潛。

戰和, E-mail: zhanhe@foxmail.com