有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同護(hù)航反潛研究

徐 梁，董文洪，吳 銘

(海軍航空大學(xué)航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院，山東煙臺(tái)264000)

0 引言

潛艇具有隱蔽性強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、探測(cè)距離遠(yuǎn)等作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的隱蔽偵查、跟蹤和火力打擊，是艦船編隊(duì)面臨的主要威脅[1]。因反潛巡邏機(jī)具有搜索速度快、搜索效率高等優(yōu)勢(shì)，一直以來(lái)都是編隊(duì)實(shí)施遠(yuǎn)程反潛的主要兵力。但反潛巡邏機(jī)續(xù)航時(shí)間短、作戰(zhàn)半徑小、缺乏自衛(wèi)能力等缺點(diǎn)，又增加了反潛難度，限制了其使用范圍[2]。而無(wú)人機(jī)則具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)靈活、作戰(zhàn)半徑大和不考慮傷亡等優(yōu)勢(shì)，與反潛巡邏機(jī)協(xié)同混編作戰(zhàn)，可實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升航空反潛戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用的靈活性。目前關(guān)于有人機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的理論多集中于協(xié)同偵查監(jiān)視、協(xié)同火力打擊，以及協(xié)同指控技術(shù)等方面[3]，為適應(yīng)未來(lái)海上反潛作戰(zhàn)需求，結(jié)合海軍岸基、艦載、空載無(wú)人機(jī)裝備發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，研究反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同反潛作戰(zhàn)具有較強(qiáng)的前瞻性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同反潛作戰(zhàn)過程分析

為了確定艦船編隊(duì)中反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的配置方法，首先應(yīng)分析反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同護(hù)航反潛過程。根據(jù)反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)技術(shù)性能和反潛特性，借鑒外軍反潛巡邏機(jī)運(yùn)用情況，反潛巡邏機(jī)一般在編隊(duì)外圍實(shí)施先期反潛，無(wú)人機(jī)則在反潛巡邏機(jī)的指揮通信范圍內(nèi)遂行更遠(yuǎn)距離的偵查監(jiān)視任務(wù)，形成遠(yuǎn)程反潛網(wǎng)絡(luò)，并在敵潛艇到達(dá)反艦導(dǎo)彈攻擊陣地之前發(fā)現(xiàn)并將其消滅。無(wú)人機(jī)一旦發(fā)現(xiàn)敵潛艇活動(dòng)跡象，實(shí)時(shí)地向反潛巡邏機(jī)傳送目標(biāo)位置信息。反潛巡邏機(jī)則根據(jù)無(wú)人機(jī)提供的信息進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤、識(shí)別、定位，并完成最后的攻擊。由于無(wú)人機(jī)載重小，可以攜帶的任務(wù)載荷種類相對(duì)較少，必須合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)的搭載方案，以提高發(fā)現(xiàn)潛艇的概率。例如雷達(dá)+電子/紅外探測(cè)設(shè)備，主要對(duì)露出水面或進(jìn)行通信的潛艇進(jìn)行探測(cè)；雷達(dá)+小型磁探儀主要對(duì)水下或半潛的潛艇進(jìn)行探測(cè)。反潛巡邏機(jī)則主要攜帶魚雷等攻潛武器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行最后的攻擊，可攜帶少量的主動(dòng)聲吶浮標(biāo)進(jìn)行攻擊前的最后定位。

2 協(xié)同配置原則

通過對(duì)反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同護(hù)航反潛過程的分析得知，在編隊(duì)航渡過程中反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的陣位配置取決于所承擔(dān)的任務(wù)。根據(jù)編隊(duì)護(hù)航反潛的需求，以及反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)技術(shù)性能，兩者在協(xié)同護(hù)航反潛過程中必須滿足以下原則：1)配置于編隊(duì)受威脅的主要方向。在外層反潛體系中，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)配置的主要威脅方向，應(yīng)是敵潛艇能夠快速占據(jù)導(dǎo)彈攻擊陣位，并能保證在導(dǎo)彈攻擊完畢后迅速撤離，即敵潛艇使用反艦導(dǎo)彈有利于攻擊扇面內(nèi)[4]。如果無(wú)人機(jī)數(shù)量充足，也可圍繞編隊(duì)成環(huán)形配置。當(dāng)受敵機(jī)威脅較大時(shí)，反潛巡邏機(jī)還應(yīng)受到我殲擊航空兵的掩護(hù)。具體如圖1所示。2)反潛巡邏機(jī)的前出距離需要綜合考慮續(xù)航時(shí)間、任務(wù)持續(xù)時(shí)間和敵情威脅等，在滿足編隊(duì)所需的反潛縱深條件下，應(yīng)保證反潛巡邏機(jī)在空中有較長(zhǎng)的巡邏時(shí)間。3)無(wú)人機(jī)應(yīng)在反潛巡邏機(jī)監(jiān)控范圍內(nèi)，能夠與反潛巡邏機(jī)之間建立穩(wěn)定的通信聯(lián)系，并能實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。4)反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)陣位設(shè)置應(yīng)便于編隊(duì)指揮所的控制。當(dāng)無(wú)人機(jī)前出距離較大時(shí)，通過反潛巡邏機(jī)上完善的指揮通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 反潛巡邏和無(wú)人機(jī)護(hù)航反潛掩護(hù)示意圖Fig.1 Antisubmarine cover schematic diagram of antisubmarine patrol aircraft and UAVs

3 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)前出距離確定

3.1 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)界確定

根據(jù)配置原則2)和3)可得：

式中：Dparo_fore為反潛巡邏機(jī)的前出距離；DUav_fore為無(wú)人機(jī)的前出距離；Sparo為反潛巡邏機(jī)前出基準(zhǔn)點(diǎn)的最大距離；Dlis為反潛巡邏機(jī)有效監(jiān)聽無(wú)人機(jī)的距離；tlife為反潛巡邏機(jī)的續(xù)航時(shí)間；tstor為反潛巡邏機(jī)巡航儲(chǔ)備時(shí)間；tparo為反潛巡邏機(jī)的巡邏時(shí)間。

又根據(jù)1)可知，反潛巡邏機(jī)的活動(dòng)空域需得到殲擊航空兵或艦載機(jī)的空中掩護(hù)，情況如圖2所示。當(dāng)空中預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)敵機(jī)在E點(diǎn)，此時(shí)反潛巡邏機(jī)在A點(diǎn)，殲擊機(jī)在B點(diǎn)。預(yù)警機(jī)經(jīng)過識(shí)別確認(rèn)后，向編隊(duì)發(fā)出警報(bào)時(shí)間是t1。指揮所引導(dǎo)殲擊機(jī)攔截?cái)硻C(jī)，占領(lǐng)攻擊陣位C，持續(xù)時(shí)間為t2。在空空彈最大射程發(fā)射，在D點(diǎn)與敵機(jī)相遇。此時(shí)應(yīng)保證AD之間的距離大于敵空空導(dǎo)彈最大射程，即在敵機(jī)使用武器之前，我方殲擊機(jī)至少完成了一次攻擊。

圖2 殲擊機(jī)空中掩護(hù)過程圖Fig.2 Air cover process diagram of fighter

由此可得

式中：DAE是預(yù)警機(jī)為反潛巡邏機(jī)提供的預(yù)警距離；DBC為殲擊機(jī)前出迎敵的距離；Dfor為反潛巡邏機(jī)與攔截殲擊機(jī)之間的距離，數(shù)值為正表示殲擊機(jī)在反潛巡邏機(jī)陣位前，數(shù)值為負(fù)表示殲擊機(jī)陣位在反潛巡邏機(jī)之后；Dm_misle為我空空導(dǎo)彈最大有效射程；Vm_misle為我空空彈飛行速度；Vmair為我殲擊機(jī)速度；De_misle為敵空空彈最大有效射程；Veair為敵機(jī)的飛行速度。可以看出若有殲擊機(jī)掩護(hù)條件下，反潛巡邏機(jī)的前出距離就可以由殲擊機(jī)的前出距離，以及反潛巡邏機(jī)和殲擊機(jī)陣位之間的距離來(lái)確定。

3.2 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)近界確定

圖3 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)縱深示意圖Fig.3 Depth schematic diagram of antisubmarine patrol aircrafts and UAVs

艦船編隊(duì)防潛縱深是指在敵潛艇占領(lǐng)導(dǎo)彈發(fā)射陣位之前，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別并實(shí)施攻擊，無(wú)人機(jī)最遲發(fā)現(xiàn)潛艇的界線到編隊(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的距離[5]。反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同護(hù)航反潛作戰(zhàn)的過程，如圖3所示。

由圖3可知，編隊(duì)所需的最小防潛縱深為

式中：DAnti_misle為敵潛艇反艦導(dǎo)彈有效射程；Δω為無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)敵潛艇時(shí)可能存在的艇位誤差；DUav_tec為無(wú)人機(jī)有效發(fā)現(xiàn)敵潛艇的距離。

式中：Dsail為艦船編隊(duì)在反艦導(dǎo)彈飛行過程中運(yùn)動(dòng)的距離；Vsail為艦船編隊(duì)的航行速度；VAnti_misle為敵潛艇反艦導(dǎo)彈的速度。

式中：Dact表示從無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)敵潛艇到反潛巡邏機(jī)完成攻擊的總時(shí)間內(nèi)敵潛艇相對(duì)艦船編隊(duì)的航行距離；Ven_sped表示敵潛艇的速度。

式中：t1為無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)潛艇向指揮所和反潛巡邏機(jī)傳遞信息持續(xù)時(shí)間；t2為指揮員迅速?zèng)Q斷，確定作戰(zhàn)方案，給反潛巡邏機(jī)下達(dá)作戰(zhàn)攻擊命令時(shí)間；t3為反潛巡邏機(jī)在無(wú)人機(jī)的引導(dǎo)下，迅速飛往發(fā)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域，完成搜索、跟蹤、定位和攻擊整個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間。

艦船編隊(duì)在航渡的過程中，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同為編隊(duì)提供的反潛縱深必須大于Dwarn，此時(shí)無(wú)人機(jī)至少前出的距離為Dwarn-DUav_tec，反潛巡邏機(jī)至少前出的距離為Dwarn-Dlis-DUav_tec，這既增加了反潛巡邏機(jī)的留空時(shí)間，也能通過無(wú)人機(jī)的前出增大防潛縱深。

4 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)巡邏線配置

護(hù)航反潛過程中反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)不可能保持在某一個(gè)陣位，而是在一定空域或巡邏線上往返飛行[6]。而在編隊(duì)航行過程中，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)參考的基準(zhǔn)點(diǎn)是不斷變化的，因而兩者的巡邏空域或巡邏線應(yīng)隨著編隊(duì)有規(guī)律地前移[7]。而在實(shí)際的運(yùn)用中，反潛巡邏機(jī)通常在編隊(duì)前方按照巡邏線飛行，以盡可能遮攔敵潛艇主要威脅扇面[8]，這符合原則1)配置要求。文章以此討論反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的配置。

如圖4所示，直線MN為反潛巡邏機(jī)的巡邏線，垂直于威脅軸，其中兩個(gè)圓分別是反潛巡邏機(jī)分別在2個(gè)端點(diǎn)能夠有效監(jiān)聽無(wú)人機(jī)的距離范圍。

圖4 反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)配置示意圖Fig.4 Configuration schematic diagram of antisubmarine patrol aircrafts and UAVs

反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)可以為艦船編隊(duì)提供的最大防潛縱深Dmax為

式中：DMN為反潛巡邏機(jī)巡邏線MN的長(zhǎng)度。

反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)的前出距離、巡邏線長(zhǎng)度與反潛縱深、掩護(hù)扇面角度之間存在如下關(guān)系式：

式中：L為反潛縱深；φ為掩護(hù)扇面角。

而當(dāng)反潛巡邏機(jī)從巡邏線的M點(diǎn)飛到N點(diǎn)，處于C點(diǎn)的無(wú)人仍然在其監(jiān)聽范圍內(nèi)，此時(shí)應(yīng)使CH的長(zhǎng)度大于Dwarn，即在敵潛艇對(duì)編隊(duì)中艦船實(shí)施導(dǎo)彈攻擊之前，反潛巡邏機(jī)和其他區(qū)域反潛兵力已對(duì)潛艇至少實(shí)施一次攻擊。相應(yīng)的表達(dá)式可以表述為

在ΔCNH中，根據(jù)勾股定理可得：

5 實(shí)例計(jì)算

5.1 參數(shù)設(shè)置

反潛巡邏機(jī)有效監(jiān)聽無(wú)人機(jī)的距離40 km，巡航高度6 000 m，巡航速度460 km/h，續(xù)航時(shí)間6.5 h，轉(zhuǎn)彎半徑4 km。上級(jí)指定的巡邏時(shí)間為5 h，儲(chǔ)備時(shí)間20 min。無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)水面通氣管的距離為 70 km，速度為 300 km/h，巡航高度4 000 m，無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)敵潛艇時(shí)可能存在的艇位誤差為20 m。預(yù)警機(jī)為反潛機(jī)提供的預(yù)警距離為260 km，發(fā)現(xiàn)敵機(jī)后，綜合識(shí)別并發(fā)出警報(bào)時(shí)間15 s。紅方殲擊機(jī)陣位與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離為250 km，巡航速度為 900 km/h。空空彈最大射程為120 km，速度為4 Ma。無(wú)人機(jī)從發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)，跟蹤識(shí)別并向指揮所發(fā)出警報(bào)的時(shí)間為5 min；指揮員根據(jù)無(wú)人機(jī)獲取的目標(biāo)信息制定作戰(zhàn)方案，給反潛巡邏機(jī)下達(dá)攻擊命令持續(xù)時(shí)間為4 min；反潛巡邏機(jī)從巡邏空域快速飛向發(fā)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)，完成搜索、跟蹤、攻擊持續(xù)的時(shí)間在25 min。水面艦船編隊(duì)的航速為24 kn。

藍(lán)方攻擊機(jī)的巡航速度1 200 km/h，空空導(dǎo)彈的射程150 km。敵潛艇反艦導(dǎo)彈有效射程110 km，速度2 Ma。潛艇以12 kn航速突破編隊(duì)防潛警戒。

5.2 仿真計(jì)算

根據(jù)公式(1)-(8)可得

根據(jù)公式(9)-(14)可得：

上面計(jì)算說明，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)提供的反潛縱深滿足護(hù)航反潛的需求，無(wú)人機(jī)前出的距離至少在80.52 km以上，而反潛巡邏機(jī)只需前出40.52 km即可，相應(yīng)的反潛巡邏機(jī)用于巡邏警戒的時(shí)間延長(zhǎng)。

而當(dāng)反潛巡邏機(jī)的前出距離分別在50 km、60 km、70 km、110 km、120 km 時(shí)，由公式(15)-(21)可得編隊(duì)反潛警戒縱深與掩護(hù)扇面角與反潛巡邏機(jī)前出距離之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 反潛縱深隨反潛巡邏機(jī)前出距離變化圖Fig.5 Diagram of antisubmarine depth varying with front distance of antisubmarine patrol aircraft

圖6 掩護(hù)扇面角隨反潛巡邏機(jī)前出距離變化圖Fig.6 Diagram of cover sector varying with front distance of antisubmarine patrol aircraft

從圖5和圖6可知，在反潛巡邏機(jī)巡邏線長(zhǎng)度一定的情況下，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)提供的反潛縱深和掩護(hù)扇面角隨著反潛巡邏機(jī)前出距離的增加而增加；在前出距離大于70 km以后，掩護(hù)扇面角開始急劇下降。基于反潛巡邏機(jī)最佳前出距離在70 km，反潛縱深在166 km時(shí)，掩護(hù)扇面角達(dá)到最大為 51°。

按照反潛巡邏機(jī)作戰(zhàn)半徑和續(xù)航時(shí)間之間的比例關(guān)系，前出距離越小反潛巡邏機(jī)在空中巡邏警戒時(shí)間越長(zhǎng)[9]，據(jù)此推算前出70 km的續(xù)航時(shí)間完全可以保證護(hù)航反潛任務(wù)的需要，降低反潛巡邏機(jī)使用批次，有效提高飛機(jī)的利用效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同反潛空域配置方法進(jìn)行了探討，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同護(hù)航反潛的可行性和實(shí)用性。其中編隊(duì)反潛縱深和掩護(hù)扇面角與反潛巡邏機(jī)前出距離有直接關(guān)系，并給出了掩護(hù)扇面角最大時(shí)反潛巡邏機(jī)前出的距離，以及反潛縱深。而隨著編隊(duì)規(guī)模、作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)對(duì)象的不同，反潛巡邏機(jī)和無(wú)人機(jī)陣位，為編隊(duì)提供的反潛縱深、掩護(hù)扇面角，以及巡邏線長(zhǎng)度之間也會(huì)相應(yīng)變化，并最終達(dá)到一種平衡，即作戰(zhàn)效能最大化。