王 磊，吳福初，陳鈺寧，史海龍

（1海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；2海軍91445部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）

反潛直升機(jī)應(yīng)召搜潛是指反潛直升機(jī)在起降平臺(tái)、指定空域待命，在己方兵力如潛艇、航空兵、固定的觀(guān)察器材、水面艦船等發(fā)現(xiàn)敵潛艇且沒(méi)有保持跟蹤的條件下，按上級(jí)的命令，飛往發(fā)現(xiàn)海區(qū)，搜索和攻擊敵潛艇的作戰(zhàn)行動(dòng)[1]。反潛直升機(jī)使用聲納浮標(biāo)進(jìn)行應(yīng)召搜潛可以充分發(fā)揮速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、及時(shí)性好的特點(diǎn)，迅速到達(dá)發(fā)現(xiàn)敵潛艇活動(dòng)的海區(qū)進(jìn)行搜索和攻擊，有利于節(jié)省兵力，是反潛直升機(jī)最主要的反潛活動(dòng)方式之一。然而影響聲納浮標(biāo)應(yīng)召搜潛效能的因素較多，本文通過(guò)仿真試驗(yàn)研究了聲納浮標(biāo)在一定條件下的應(yīng)召搜潛效能，對(duì)影響聲納浮標(biāo)應(yīng)召搜潛效能的主要因素進(jìn)行分析, 得出的結(jié)論對(duì)提高反潛直升機(jī)搜潛效能和作戰(zhàn)運(yùn)用水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 聲納浮標(biāo)的特點(diǎn)和使用

聲納浮標(biāo)具有搜索范圍廣、搜索速度快、搜潛效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)上級(jí)要求在短時(shí)間以較高的概率迅速查明水下空間有無(wú)敵潛艇時(shí)，反潛直升機(jī)通常使用聲納浮標(biāo)搜索敵潛艇。使用聲納浮標(biāo)實(shí)施搜索的過(guò)程，包括布放和監(jiān)聽(tīng)浮標(biāo)陣兩個(gè)階段[2]。

實(shí)際使用聲納浮標(biāo)搜索敵潛艇時(shí)，為了保證浮標(biāo)的水聽(tīng)器到達(dá)最佳的探測(cè)深度并修正海洋噪聲對(duì)搜潛效果的影響，應(yīng)首先布設(shè)一枚溫度深度浮標(biāo)，經(jīng)3～5s后再布設(shè)一枚海洋噪聲浮標(biāo), 兩浮標(biāo)的距離一般為150～200m，不宜過(guò)遠(yuǎn)。大約經(jīng)過(guò)5～7min， 直升機(jī)上就可收到溫深浮標(biāo)測(cè)定的從海面到預(yù)定深度海水溫度變化的數(shù)據(jù), 獲得該數(shù)據(jù)后, 機(jī)組人員立即繪制出海水溫度深度曲線(xiàn), 以確定其他浮標(biāo)水聽(tīng)器定深用。同時(shí)海洋噪聲浮標(biāo)提供該海區(qū)海洋噪聲的等級(jí)（海洋環(huán)境噪聲的輪廓線(xiàn)）[2]。戰(zhàn)術(shù)協(xié)調(diào)員根據(jù)溫深浮標(biāo)、海洋噪聲浮標(biāo)提供的信息及反潛直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)確定搜索浮標(biāo)的壽命、水聽(tīng)器的工作深度、VHF接收通道等參數(shù)，然后布設(shè)搜索浮標(biāo)陣。為保持搜潛過(guò)程的隱蔽性, 獲得較好的搜潛效果，一般應(yīng)先布設(shè)被動(dòng)非定向浮標(biāo)陣，待被動(dòng)非定向浮標(biāo)獲得目標(biāo)后，再布設(shè)定向浮標(biāo)或主動(dòng)浮標(biāo)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位并測(cè)定其運(yùn)動(dòng)要素。

2 吊放聲納應(yīng)召搜潛效能仿真模型

2.1 仿真環(huán)境假設(shè)

假設(shè) X月 X日 15時(shí) 08分，紅方戰(zhàn)機(jī)在北緯24°33'，東經(jīng) 121°22'發(fā)現(xiàn)不明潛艇浮航，雙方遭遇后潛艇迅速下潛。15時(shí)10分，紅方接到通報(bào)，經(jīng)分析，該艇可能為藍(lán)方潛艇，距紅方編隊(duì)30海里。紅方?jīng)Q定出動(dòng)反潛艦載直升機(jī)前往搜索。15時(shí)17分，反潛直升機(jī)起飛；15時(shí)30分，到達(dá)目標(biāo)位置。

1）當(dāng)其他兵力發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，命令反潛直升機(jī)使用聲納浮標(biāo)前去搜索，潛艇開(kāi)始逃跑時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

2）潛艇逃跑的海區(qū)面積足夠大，保證潛艇和反潛直升機(jī)能夠按各自要求展開(kāi)行動(dòng)。

3）潛艇逃跑開(kāi)始時(shí)，航向在[0 °,360°]內(nèi)服從均勻分布，速度大小在[Vdl, Vdh]內(nèi)均勻分布，在逃跑過(guò)程中速度大小、方向保持不變。

4）直升機(jī)航渡速度、布放浮標(biāo)飛行速度及監(jiān)聽(tīng)時(shí)飛行速度假設(shè)相同，且保持不變。

5）浮標(biāo)的作用區(qū)域是以浮標(biāo)為圓心，以浮標(biāo)作用距離為半徑的圓。

6）定義潛艇的初始位置與目標(biāo)散布中心的距離為矢量：該距離偏北時(shí)為正、否則為負(fù)，假設(shè)其服從（0，σz1）的正態(tài)分布；潛艇的初始方位服從區(qū)間[0°,360°]上的均勻分布。

7）定義直升機(jī)所到達(dá)的浮標(biāo)投放點(diǎn)相對(duì)于理論投放點(diǎn)的距離為矢量：該距離偏北時(shí)為正、否則為負(fù)，假設(shè)其服從（0，σz2）的正態(tài)分布；實(shí)際投放點(diǎn)相對(duì)于理論投放點(diǎn)的方位服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布。同理，定義浮標(biāo)實(shí)際入水點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際投放點(diǎn)的距離為矢量：該距離偏北時(shí)為正、否則為負(fù)，假設(shè)其服從（0，σz3）的正態(tài)分布；其方位服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布。

8）近海海流的流動(dòng)速度范圍在 0m/s～0.6m/s之間，浮標(biāo)隨著海流流動(dòng)，海流速度與海況成正比，角度服從區(qū)間[0 °,360°]上均勻分布。

9）直升機(jī)搜索方法是指在已知目標(biāo)散布中心時(shí)，直升機(jī)應(yīng)到哪些點(diǎn)（理論投放點(diǎn)）投放浮標(biāo)，并在哪段飛行距離上進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，它包括投放點(diǎn)的坐標(biāo)，監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及監(jiān)聽(tīng)時(shí)機(jī)（分為先布放浮標(biāo)后進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)和邊布放浮標(biāo)邊進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)）等要素。

10）直升機(jī)搜索到潛艇是指直升機(jī)在探測(cè)期間，潛艇與被激活的浮標(biāo)的距離小于浮標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)作用距離（浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)潛艇的條件同吊聲應(yīng)召搜潛），同時(shí)直升機(jī)與該浮標(biāo)的距離小于浮標(biāo)的監(jiān)聽(tīng)距離。

2.2 聲納浮標(biāo)搜潛效能描述

根據(jù)以上假設(shè)，直升機(jī)使用浮標(biāo)搜索潛艇的過(guò)程可以描述為：t =0時(shí)，潛艇從位于圓心附近的點(diǎn)C開(kāi)始逃跑，其速度方向?yàn)棣羗，大小為vm，直升機(jī)以最大飛行速度飛往點(diǎn)C；當(dāng)t=Tyc時(shí)，直升機(jī)飛至第一個(gè)投放點(diǎn)并開(kāi)始投放浮標(biāo)，然后以速度V飛往下一個(gè)投放點(diǎn)，直至浮標(biāo)探測(cè)到潛艇或投完所有點(diǎn)。浮標(biāo)搜潛效能是指，在已知潛艇距離、潛艇距離誤差、潛艇運(yùn)動(dòng)速度大小范圍及方向范圍、浮標(biāo)作用距離、直升機(jī)飛行速度、潛艇定位誤差及卡型機(jī)定位誤差的情況下，使用某種搜潛方法時(shí)，搜索到潛艇的概率。直升機(jī)使用浮標(biāo)搜索到潛艇是指某個(gè)浮標(biāo)與直升機(jī)的距離小于或等于浮標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)作用距離。

2.3 聲納浮標(biāo)搜潛蒙特卡洛法模型

在反潛直升機(jī)與潛艇的斗爭(zhēng)中充滿(mǎn)了偶然因素，處理這種偶然性事件的最有效的方法就是統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，又稱(chēng)蒙特卡洛（Monte Carlo）法[3]。根據(jù)蒙特卡洛法的基本思想，應(yīng)對(duì)聲納浮標(biāo)搜索到潛艇這個(gè)隨機(jī)事件作統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，求聲納浮標(biāo)搜索到潛艇的統(tǒng)計(jì)頻率，即浮標(biāo)搜潛效能的近似值[4-5]。

以目標(biāo)散布中心O點(diǎn)為原點(diǎn)，正北方向?yàn)閄軸正方向，順時(shí)針角度變化為正方向，建立直角坐標(biāo)系。

1）抽取潛艇初始位置要素與運(yùn)動(dòng)要素的隨機(jī)值

按照目標(biāo)散布規(guī)律，考慮綜合定位圓誤差的存在，使得潛艇初始位置 C點(diǎn)和目標(biāo)散布中心 O點(diǎn)發(fā)生偏離，角度誤差βoc服從區(qū)間[0 °,360°]上的均勻分布，距離roc服從（0，σz1）的正態(tài)分布，試驗(yàn)時(shí)按此分布規(guī)律隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)βoci、roci。按照目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向服從[0 °,360°]上的均勻分布、運(yùn)動(dòng)速度服從[Vdl,Vdh]上的均勻分布的規(guī)律，抽取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的隨機(jī)數(shù)[6]。

2）浮標(biāo)搜索要素表

卡型機(jī)使用浮標(biāo)搜索潛艇的主要方法有方形陣、方形擴(kuò)展陣、圓形陣、螺旋線(xiàn)陣等?？紤]單機(jī)和雙機(jī)的情況，搜索要素應(yīng)包括：飛機(jī)編號(hào)、浮標(biāo)編號(hào)、投放點(diǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)距離、投放點(diǎn)方位角、持續(xù)探測(cè)時(shí)間等。以螺旋線(xiàn)陣為例，其要素如表1所示。

表1 浮標(biāo)螺旋線(xiàn)搜索要素表

其中，mod表示螺旋陣系數(shù)，TSR為浮標(biāo)戰(zhàn)術(shù)作用距離；φi=( ri+12+ ri2-(2*R)2)/2 ri+1*ri；R=m*TSR，m為浮標(biāo)間隔系數(shù)；Thd=Dsub/Vmax；Dsub為潛艇距離；Vmax為卡型機(jī)最大速度；Tyc=Tfy+Thd；Tfy卡型機(jī)反應(yīng)準(zhǔn)備時(shí)間；tsf表示浮標(biāo)在空中和海中下落時(shí)間和入水后浮標(biāo)準(zhǔn)備時(shí)間；ttc表示浮標(biāo)持續(xù)工作時(shí)間；T1= Tyc+tsf+ttc；T2= T1+tsf+ tgd+ ttc；T3= T2+tsf+ tgd+ ttc；…….

3）抽取反潛直升機(jī)在各投放點(diǎn)搜索時(shí)的位置要素

反潛直升機(jī)在飛往各探測(cè)點(diǎn)，實(shí)際點(diǎn)與理論點(diǎn)（由搜索方法可得）仍然會(huì)存在飛行定位誤差，仍將其視為方向上服從[0 °,360°]上的均勻分布，距離上服從（0，σz2）的正態(tài)分布。根據(jù)此規(guī)律，在投放點(diǎn)Oi都抽取一個(gè)方向上和距離上的隨機(jī)數(shù)βii、rii，與各投放點(diǎn)共同得出實(shí)際投放點(diǎn)的位置O'i。確定實(shí)際投放點(diǎn)后，以該點(diǎn)為圓心，以R0為半徑畫(huà)圓，該圓即為聲納浮標(biāo)搜索圓。

4）潛艇運(yùn)動(dòng)模型

潛艇初始位置在搜索區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)隨機(jī)出現(xiàn)，設(shè)潛艇初始位置為（X0，Y0）。其速度大小在[Vdl, Vdh]內(nèi)均勻分布，設(shè)潛艇速度為Vqt，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度保持不變；潛艇初始運(yùn)動(dòng)航向在[0 °,360°]內(nèi)服從均勻分布，設(shè)潛艇運(yùn)動(dòng)方向與Y軸夾角為θ，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中潛艇航向保持不變。

當(dāng)潛艇航向、航速保持一定時(shí)，潛艇在坐標(biāo)系中的位置可用下式表示：

式中，Vqt為潛艇運(yùn)動(dòng)速度，Xqt為潛艇在 X軸坐標(biāo)，Yqt為潛艇在Y軸坐標(biāo)，t為潛艇在搜索區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，θ為潛艇運(yùn)動(dòng)方向與Y軸之間的夾角。

5）反潛直升機(jī)在一次搜索潛艇過(guò)程是否結(jié)束的判斷模型

判斷條件一：反潛直升機(jī)在本次應(yīng)召搜潛中搜索到潛艇；

判斷條件二：潛艇在我直升機(jī)搜索期間已逃離直升機(jī)搜索海域；

Xqt＞ W 或 Xqt＜ 0 或 Yqt＞ H 或 Yqt＜ 0

判斷條件三：反潛直升機(jī)已搜索完指定海域，仍未搜索到潛艇。

在上述三個(gè)判斷條件中，只要滿(mǎn)足任一個(gè)條件，就判斷這一次搜索過(guò)程結(jié)束。

2.4 吊聲效能仿真實(shí)現(xiàn)

在將反潛直升機(jī)搜潛的實(shí)際過(guò)程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序時(shí)，考慮到潛艇可能最終逃離搜索海區(qū)及可能使用多架反潛直升機(jī)的實(shí)際情況，在求解反潛直升機(jī)搜潛效能時(shí)，以反潛直升機(jī)的位置作為模擬的主線(xiàn)，編制仿真程序（仿真流程圖見(jiàn)圖1）。該仿真程序是用Visual C++ 6.0實(shí)現(xiàn)的，編制仿真程序時(shí)，首先要產(chǎn)生每個(gè)隨機(jī)變量在那次隨機(jī)實(shí)驗(yàn)中的隨機(jī)值。在該仿真程序中，主要存在服從均勻分布和正態(tài)分布的兩種隨機(jī)變量。各個(gè)陣形的搜索要素點(diǎn)位置或者存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中或在程序中實(shí)時(shí)計(jì)算。搜潛概率在程序中計(jì)算，概率結(jié)果由程 序調(diào)用MATLAB繪圖功能進(jìn)行繪圖。

圖1 反潛直升機(jī)使用聲納浮標(biāo)應(yīng)召搜潛仿真模型流程圖

參數(shù)說(shuō)明：N為模擬次數(shù)，M為仿真步數(shù)，m為發(fā)現(xiàn)潛艇次數(shù)，K為指定海域探點(diǎn)數(shù)，t探為探測(cè)時(shí)間，dt為仿真時(shí)間步長(zhǎng)，r為聲納浮標(biāo)作用距離，P發(fā)為指定搜索海域?qū)撏У陌l(fā)現(xiàn)概率。

2.5 仿真結(jié)果及分析

反潛直升機(jī)的搜潛效率受到反潛裝備的戰(zhàn)技性能、水聲環(huán)境、潛艇輻射噪聲特征能等諸多因素的影響。其使用聲納浮標(biāo)應(yīng)召搜潛時(shí)，聲納浮標(biāo)間隔系數(shù)、螺旋系數(shù)、浮標(biāo)數(shù)目和搜索陣型等都對(duì)搜索效率產(chǎn)生較大的影響，下面采用仿真方法，重點(diǎn)對(duì)這幾個(gè)影響反潛直升機(jī)聲納浮標(biāo)搜潛效率的因素進(jìn)行研究。

1）間隔系數(shù)仿真：仿真次數(shù) 2000，2架，速度200km/h，距離誤差1海里，浮標(biāo)數(shù)目48，海況1級(jí)，典型常規(guī)潛艇；圖2、圖3分別為方形擴(kuò)展陣、螺旋線(xiàn)陣搜潛時(shí)搜潛概率與間隔系數(shù)的仿真結(jié)果分析。

圖2 方形擴(kuò)展陣的間隔系數(shù)分析圖

圖3 螺旋線(xiàn)陣的間隔系數(shù)分析圖

結(jié)果分析：方形擴(kuò)展陣間隔系數(shù)可取 2，螺旋線(xiàn)陣間隔系數(shù)可取1。

2）螺旋系數(shù)仿真：仿真次數(shù)2000，2架，距離誤差1海里，浮標(biāo)數(shù)目48，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級(jí)，速度200km/h；圖4、圖5分別為螺旋線(xiàn)陣、雙機(jī)螺旋線(xiàn)陣搜潛時(shí)，搜潛概率與螺旋系數(shù)的仿真結(jié)果分析。

圖5 雙機(jī)螺旋線(xiàn)陣的螺旋系數(shù)分析圖

結(jié)果分析：螺旋線(xiàn)陣螺旋系數(shù)可取0.4，雙機(jī)螺旋陣螺旋系數(shù)可取1。

3）海況等級(jí)仿真：仿真次數(shù)2000，雙機(jī)螺旋線(xiàn)陣，速度200km/h，距離誤差1海里，浮標(biāo)數(shù)目48，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇。圖6為各級(jí)海況下的搜潛概率分析。

結(jié)果分析：海況0級(jí)時(shí)，搜潛效果最好，海況1級(jí)時(shí)，搜潛效果較好，海況2、3級(jí)，效果較差。

4）浮標(biāo)數(shù)目仿真：仿真次數(shù)2000，速度200km/h，潛艇距離30海里，誤差1海里，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級(jí)。圖7、圖8分別為1架直升機(jī)和2架直升機(jī)搜潛時(shí)搜潛概率與浮標(biāo)數(shù)目的仿真分析。

結(jié)果分析：1架時(shí)，浮標(biāo)數(shù)目可取32；卡型機(jī)2架時(shí)，浮標(biāo)數(shù)目可取48；兩種情況搜潛概率都隨浮標(biāo)數(shù)目增加而增加。

圖6 各級(jí)海況下的搜潛概率分析

圖7 1架直升機(jī)搜潛概率與浮標(biāo)數(shù)目的分析

圖8 2架直升機(jī)搜潛概率與浮標(biāo)數(shù)目的分析

5）搜索陣形仿真：仿真次數(shù)2000，速度200km/h，距離誤差1海里，間隔參數(shù)1，典型常規(guī)潛艇，海況1級(jí)；圖9、圖10分別為1架直升機(jī)、32個(gè)浮標(biāo)和2架直升機(jī)、48個(gè)浮標(biāo)搜潛時(shí)，各種搜潛陣形的概率分析。

圖9 1架直升機(jī)、32浮標(biāo)的搜潛概率分析

圖10 2架直升機(jī)、48浮標(biāo)的搜潛概率分析

結(jié)果分析：1架時(shí)，圓形陣和方形陣搜潛效果較好；2架時(shí)，圓形陣效果最好。

6）潛艇型號(hào)仿真：仿真次數(shù) 2000，雙機(jī)螺旋線(xiàn)陣，速度200km/h，潛艇距離30海里，距離誤差1海里，浮標(biāo)數(shù)目48，間隔參數(shù)1，海況0級(jí)。圖11為各型號(hào)潛艇的搜潛概率分析。

圖11 各型號(hào)潛艇的搜潛概率分析

結(jié)果分析：被動(dòng)浮標(biāo)對(duì)噪聲水平高的潛艇具有很高搜潛概率，對(duì)于安靜型潛艇搜潛能力很低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一定條件下反潛直升機(jī)使用聲納浮標(biāo)應(yīng)召搜潛效能進(jìn)行研究，得出的結(jié)論對(duì)于制定反潛作戰(zhàn)方案具有一定的參考價(jià)值。需要指出的是，反潛直升機(jī)的搜潛效率受到反潛裝備的戰(zhàn)技性能、水聲環(huán)境、潛艇輻射噪聲特征和回波特性、搜潛任務(wù)、直升機(jī)數(shù)量、搜潛方法、使用技能等諸多因素的影響。因此，在反潛作戰(zhàn)時(shí)應(yīng)綜合權(quán)衡各個(gè)因素，一方面要與定性分析密切結(jié)合，另一方面要在反潛作戰(zhàn)實(shí)踐中不斷的修正和完善。

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