水下無人航行器集群搜潛效能建模分析

盧清亮，王雪仁，郭峰

(中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161)

0 引 言

隨著軍事科技的迅猛發展，現代戰爭正加快向信息化和智能化發展，其中一個明顯標志是多種無人裝備列裝[1]。在水下作戰空間，水下無人航行器受到各國關注，逐漸發展成為一支獨特的作戰力量。集群協同是無人裝備的重要使用方式[2]，水下無人航行器集群搜潛可有效支撐體系反潛能力提升。本文首先對水下無人航行器執行集群搜潛任務進行分析，提出多種可能的組網模式、搜索路徑；基于裝備效能評估一般流程[3]，制定作戰海域、海洋環境、雙方企圖等背景條件，之后假定雙方的部分目標特性，利用經典聲學傳播損失模型和聲吶探測模型，計算得到不同航速下的探測效能；基于效能仿真評估系統，采用蒙特卡洛法大樣本計算，對水下無人航行器集群搜潛效能進行建模分析，給出了不同使用策略下的搜潛效能。

1 集群搜潛任務分析

1.1 組網模式

無人集群通過多個無人個體協作完成既定任務，具有智能化、高效能和低成本的特點，可根據任務設定選擇多種組網模式。假定某集群搜潛任務共派遣8 個水下無人航行器，每個水下無人航行器最多可對鄰近2 個進行通信，即可組成節點數為8、每個節點最多2 條連接邊的集群網絡。該網絡可以是“環”型組網、“隊”型組網、“團”型組網、“串”型組網等類型，如圖1 所示。

圖 1 水下無人航行器搜潛路徑示意圖Fig. 1Schematic diagram of UUV networking

水下無人航行器按照設定的組網模式執行搜索任務，其中每個網絡節點與鄰近的網絡節點距離需保持在可通信范圍內。

1.2 搜索路徑

由于潛艇的高度隱蔽性，水下無人航行器一般設置在固定區域或航線內，通過機動形成搜索幕或搜索帶，用以發現和封堵潛艇。在搜索區域一定情況下，搜索路徑存在多種形式（見圖2），分別列舉了“弓”字形、“回”字形、“之”字形3 種搜索路線。

圖 2 水下無人航行器組網示意圖Fig. 2Schematic diagram of UUV searching submarine path

2 集群搜潛效能評估流程

水下無人航行器集群搜潛效能評估結論應在確定的作戰場景及裝備體系背景下得出[4]。因此，為達到效能評估目的，應充分發揮動態模擬仿真方法優勢，建立較精細的水下裝備隱身模型、探測模型及目標特征傳播模型。對天氣模型、指揮關系模型、行為模型等應以接近真實作戰態勢為目標，在保證結果可信度的前提下，采用盡可能簡化的數學模型，以減小建模難度與仿真系統運行負荷。根據作戰效能評估的典型流程，水下無人航行器集群搜潛效能評估流程如圖3所示。

評估步驟主要有：

1）首先根據效能評估目的，設定作戰背景、雙方企圖、雙方兵力構成、兵力部署態勢、海戰場環境、雙方行動方案等內容；

2）根據裝備實體功能性能、行為邏輯等參數和裝備體系指揮關系、通信關系等作戰構成，建立平臺組件、傳感器組件、通信組件、目標特性組件、行為組件等多個組件，再由不同組件構成不同的裝備實體和戰場關系，建立作戰仿真模型；

3）基于效能仿真評估系統開展大樣本仿真計算，提取仿真結果，給出評估結論。

3 集群搜潛想定

3.1 任務背景

藍方派遣1 艘潛艇向紅方關鍵海域機動，意圖對紅方實施抵近偵察。獲取藍方意圖后，紅方派遣若干水下無人航行器，赴指定海域執行區域搜潛任務，雙方部署態勢如圖4 所示。任務海域海底地形平坦，不考慮底質變化、表面風浪對聲傳播的影響，聲速剖面如圖5 所示。紅方水下無人航行器發現藍方潛艇后，即通知相鄰友方兵力，搜潛任務成功。若任務全程未發現藍方潛艇，即搜潛任務失敗。

圖 3 水下無人航行器集群搜潛效能評估流程Fig. 3Evaluation process of UUV cluster search efficiency

圖 4 雙方部署態勢Fig. 4Deployment situation of both sides

圖 5 任務海域聲速剖面Fig. 5Sound velocity profile in the mission area

3.2 裝備性能參數假設

水下無人航行器單平臺搜潛主要影響因素有機動能力、隱身能力、探測能力和通信能力。其中，機動能力需考慮續航力、航速、潛深等；隱身能力主要考慮聲隱身性能，包括輻射噪聲[5]和聲目標強度；探測能力主要考慮發射聲源級、探測頻率、檢測閾、接收陣增益等；通信能力主要考慮水聲通信距離。假定任務全程雙方均使用被動聲吶，構成集群的每個水下無人航行器性能相同。假設水下無人航行器航速為3～5 kn，藍方潛艇航速為8 kn，藍方潛艇被動聲吶性能優于水下無人航行器，水下無人航行器輻射噪聲性能優于藍方潛艇。

在設定的海洋背景下，利用經典聲學傳播損失模型和聲吶探測模型計算各兵力探測效能。結果顯示，在各個方向解析得到的聲傳播損失量基本近似，任選一個方向，獲得不同航速下各兵力探測概率與距離的關系，如圖6 所示。

圖 6 不同航速下水下無人航行器和藍方潛艇的探測概率Fig. 6Detection probability of UUV and submarine at different speeds

3.3 實驗工況

考慮不同組網模型、搜索路徑、兵力數量、航速等實驗變量，設定22 種仿真實驗工況見表1。

3.4 搜潛效能指標設計

以不同使用策略時水下無人航行器對藍方潛艇的首先發現概率為搜潛效能指標，計算方法為：

4 仿真結果分析

基于效能仿真評估系統，對22 種實驗工況進行了建模與仿真計算。以8 節點“環”形組網模式為例，建立不同搜索路徑的仿真模型如圖7 所示。

通過仿真計算，獲得不同實驗工況下水下無人航行器對藍方潛艇的首先發現概率，如表2 所示。

根據仿真計算結果，分析如下：

表 1 水下無人航行器集群搜潛仿真實驗工況Tab. 1Simulation test conditions of UUV cluster search

圖 7 “環”形組網模式下不同搜索路徑仿真模型Fig. 7Simulation model of different search paths in“ring” networking mode

表 2 不同工況仿真計算結果Tab. 2Simulation results of different working conditions

1）總體分析

在設定背景的22 種實驗工況中，平均搜潛效能達到了0.69，即水下無人航行器對藍方潛艇的首先發現概率達到了0.69。其中，水下無人航行器采用“團”型組網模式、航速3 kn、“之”字形搜潛路徑時效能最優，為0.98；水下無人航行器采用“團”型組網模式、航速5 kn、“之”字形搜潛路徑時效能最優，為0.98；水下無人航行器采用“環”型組網模式和“回”字形搜潛路徑時效能最差，為0.26。

2）不同組網模式搜潛效能分析

當水下無人航行器數量為8 個、航速為5 kn 時：

“環”型組網模式平均搜潛效能為0.41，其中“弓”字形搜潛效能最優，“回”字形搜潛效能良好，“之”字形搜潛效能較差；

“隊”型組網模式平均搜潛效能為0.46，其中“弓”字形搜潛效能較差，“回”字形搜潛效能良好，“之”字形搜潛效能最優；

“團”型組網模式平均搜潛效能為0.65，其中“弓”字形搜潛效能最優，“回”字形搜潛效能較差，“之”字形搜潛效能良好；

“串”型組網模式平均搜潛效能為0.69，其中“弓”字形搜潛效能良好，“回”字形搜潛效能較差，“之”字形搜潛效能最優；

可以看出，在設定背景下，4 種組網模式種，“串”型組網模式下的搜潛效能最高；不同搜潛模式下，采用不同搜索路徑表現的搜潛效能差別較大。

3）不同搜潛路徑效能分析

當水下無人航行器數量為8 個、航速為5 kn 時：

“弓”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.61，其中“環”型組網模式搜潛效能較差，“隊”型組網模式搜潛效能最差，“團”型組網模式搜潛效能最優，“串”型組網模式搜潛效能較優；

“回”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.42，其中“環”型組網模式搜潛效能最差，“隊”型組網模式搜潛效能較優，“團”型組網模式搜潛效能較差，“串”型組網模式搜潛效能最優；

“之”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.64，其中“環”型組網模式搜潛效能最差，“隊”型組網模式搜潛效能較優，“團”型和“串”型組網模式搜潛效能最優。

4）搜潛效能與水下無人航行器數量的關系

根據計算結果，得到“環”型和“串”行組網模式以5 kn 航速進行搜索時，搜潛效能隨著水下無人航行器數量變化關系如圖8 所示。

可以看出，“環”型或“串”型組網模式下，搜潛效能隨著水下無人航行器數量的增加而增加，增加速率隨數量的增加而降低。

5）不同搜潛速度效能分析

由仿真計算結果可以看出，當水下無人航行器的數量、組網模式和搜索路徑相同時，3 kn 航速的搜潛效能高于5 kn 航速。其中，“環”型組網模式搜潛效能提升140%，“隊”型組網模式搜潛效能提升63.3%，“團”型組網模式搜潛效能提升21.8%，“串”型組網模式搜潛效能提升23.1%。

圖 8 水下無人航行器數量Fig. 8Relationship between submarine search efficiency and number of UUV

5 結 語

本文基于效能仿真評估系統，考慮水下無人航行器組網模式、搜索路徑、數量、航速等參數變化，對提出的22 種實驗工況進行了建模與仿真，對計算結果開展了多維度分析，得到以下結論：

1）在設定背景下，提出的22 種搜索方案的平均搜潛效能達到了0.69，水下無人航行器集群是一種有效的搜潛方式；

2）組網模式的優劣性和搜索路徑的優劣性需要在一定背景下進行判斷，根據實驗結果，兩項參數的優劣性沒有固定的規律；

3）選擇有利探測航速時，雖然一定時間內航跡覆蓋范圍減小，最終的搜潛效能不一定降低。在本文的設定背景下，由于單個水下無人航行器的探測效能增加，速度降低時搜潛效能反而增加。

本文設定了固定的海洋背景環境和戰術行動方案，對實際環境進行簡化。從仿真過程與計算結果可以看出，水下無人航行器集群戰術選擇具有多樣性，指揮員在制度水下無人航行器集群使用策略時，需要根據作戰海域環境、雙方裝備性能、作戰目的等多種因素進行綜合決策。