康 樂(lè)

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

現(xiàn)代反潛機(jī)正向高度自動(dòng)化、綜合化及智能化方向發(fā)展，提供給駕駛員的信息復(fù)雜多樣，僅僅依靠飛行員本身來(lái)考慮眾多因素進(jìn)而做出規(guī)劃和決策幾乎是不可能的。在武器平臺(tái)性能一定的條件下，提高規(guī)劃系統(tǒng)的決策效率能有效提高反潛戰(zhàn)效能。通過(guò)量化反潛直升機(jī)應(yīng)召搜潛和巡邏搜潛模式下的搜索效能、攻潛效能、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間、控制海區(qū)面積或攔阻長(zhǎng)度等信息，結(jié)合預(yù)設(shè)作戰(zhàn)想定，給出單機(jī)模式下反潛武器掛載方案輔助任務(wù)規(guī)劃人員決策。

1 反潛直升機(jī)武器掛載方案模型建立

反潛直升機(jī)的主要作戰(zhàn)模式分為應(yīng)召反潛和巡邏搜潛[1]。不論哪種任務(wù)模式，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性、敵方潛艇的對(duì)抗策略，預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)想定可能隨戰(zhàn)況變化而需要調(diào)整，導(dǎo)致只依據(jù)單一預(yù)設(shè)想定進(jìn)行規(guī)劃的武器掛載方案不能靈活匹配實(shí)際作戰(zhàn)任務(wù)需求。為提高反潛戰(zhàn)效率，需要綜合考慮預(yù)設(shè)作戰(zhàn)想定和其它可能轉(zhuǎn)入的作戰(zhàn)模式，并由此規(guī)劃反潛武器掛載方案。

以S-70B“海鷹”反潛直升機(jī)為參考對(duì)象[2]。假定反潛直升機(jī)可攜帶的武器類(lèi)型包括魚(yú)雷、聲吶浮標(biāo)、吊放聲吶、對(duì)海搜索雷達(dá)、前視紅外探測(cè)儀和磁探儀，其中對(duì)吊放聲吶、對(duì)海搜索雷達(dá)、前視紅外探測(cè)儀和磁探儀是固定掛載器材，魚(yú)雷和聲吶浮標(biāo)為動(dòng)態(tài)掛載器材。4人機(jī)組人員分別是正副駕駛員、傳感器操作員和戰(zhàn)術(shù)操作員。

傳統(tǒng)的常規(guī)動(dòng)力潛艇需要定期上浮充電，但是當(dāng)前主要軍事大國(guó)的潛艇基本以先進(jìn)的AIP潛艇和核動(dòng)力潛艇為主，具備水下長(zhǎng)期航渡能力。即便是常規(guī)潛艇，其安靜性、自持力和水下連續(xù)續(xù)航能力也大為提高，例如基洛級(jí)。綜上考慮，假定潛艇在執(zhí)行任務(wù)期間不上浮充電，并由此認(rèn)為反潛直升機(jī)采用吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)、磁探儀對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行搜索，同時(shí)借助對(duì)海搜索雷達(dá)、前視紅外傳感器,目力對(duì)水面和近水面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，幫助判斷吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)、磁探儀發(fā)現(xiàn)的疑似目標(biāo)是否是水面艦或其他虛警目標(biāo)。

雖然吊放聲吶和聲吶浮標(biāo)設(shè)備可以同時(shí)工作，但是鑒于本文假定的反潛直升機(jī)傳感器操作員只有1人，無(wú)法同時(shí)判讀聲吶浮標(biāo)聲信號(hào)和吊放聲吶聲信號(hào)，假設(shè)吊放聲吶系統(tǒng)和聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)工作時(shí)間互斥。

1.1 應(yīng)召反潛掛載方案

應(yīng)召搜索的特征是已知目標(biāo)在搜索前某一時(shí)刻的大概位置。相比聲吶浮標(biāo)復(fù)雜的準(zhǔn)備流程和較長(zhǎng)的布陣時(shí)間[3,4]、搜索深度固定、定位速度慢和精讀差等缺點(diǎn)[1]，吊放聲吶具有搜索速度快、機(jī)動(dòng)靈活、工作深度可變、精讀高等特點(diǎn)，且有多種工作模式，經(jīng)濟(jì)性也比聲吶浮標(biāo)好[5]。假設(shè)單機(jī)應(yīng)召模式首先采用吊放聲吶進(jìn)行搜索[6～8]。

由于應(yīng)召搜索距離不同，導(dǎo)致反潛機(jī)應(yīng)召搜索效率、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間都不同。在這種條件下，需要考慮應(yīng)召失敗后是否需要進(jìn)行攔阻或巡邏，以及攜帶多少聲吶浮標(biāo)進(jìn)行攔阻或巡邏。本文假設(shè)應(yīng)召失敗后根據(jù)剩余留空時(shí)間決定用多少，以及偵聽(tīng)多長(zhǎng)時(shí)間。

因?yàn)椴粩y帶魚(yú)雷即使發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，也無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行反制，反潛任務(wù)失敗，所以本文不考慮不攜帶魚(yú)雷進(jìn)行應(yīng)召反潛的情況。應(yīng)召條件下的武器掛載方案算法流程，如圖1所示。

圖1 單機(jī)應(yīng)召搜索武器掛載方案解算流程

1.1.1 模型描述

采用蒙特卡洛法計(jì)算吊放聲吶搜索概率。定義潛艇處于吊放聲吶探測(cè)點(diǎn)所在有效戰(zhàn)術(shù)作用距離時(shí)，認(rèn)為潛艇被發(fā)現(xiàn)。采用吊放聲吶，其搜索陣型和應(yīng)召距離會(huì)影響到搜潛效率。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，給出同等應(yīng)召條件下，擴(kuò)展螺旋搜索方式搜潛效率最高。采用擴(kuò)展螺旋搜索方式計(jì)算吊放聲吶應(yīng)召搜索效能。

搜潛效能定義為

Psrch=PdsPmad

(1)

式中，Pmad是磁探儀搜索效能；Pds是吊放聲吶搜索效能。

文獻(xiàn)[8]給出吊放聲吶搜索效能Pds的定義，為

(2)

式中，n為探測(cè)到目標(biāo)的次數(shù)；N為蒙特卡洛仿真次數(shù)。

不同掛載方案下的任務(wù)最大執(zhí)行時(shí)間為

(3)

式中，tmax表示可執(zhí)行最長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間；Wmax表示全部魚(yú)雷和聲吶浮標(biāo)總重量；tdelay表示飛機(jī)應(yīng)召往返海區(qū)單程時(shí)間；te表示飛機(jī)不攜帶魚(yú)雷和聲吶浮標(biāo)時(shí)可執(zhí)行任務(wù)時(shí)間；tf表示飛機(jī)攜帶全部魚(yú)雷和浮標(biāo)時(shí)可執(zhí)行任務(wù)時(shí)間；Nbuoy表示攜帶的浮標(biāo)數(shù)量、Ntorpedo表示攜帶的魚(yú)雷數(shù)量、Wonetorpedo表示單枚魚(yú)雷重量、Wonebuoy表示單枚魚(yú)雷重量。

攻潛效能為

(4)

式中，μ是單枚魚(yú)雷命中率，μ∈[0,1]。

影響?hù)~(yú)雷命中概率的主要因素是魚(yú)雷入水時(shí)距離潛艇的距離、角度和收吊放聲吶到投放魚(yú)雷的總耗時(shí)[10～12]。假設(shè)戰(zhàn)術(shù)操作員空投魚(yú)雷條件均滿(mǎn)足文獻(xiàn)[9～11]推薦的攻擊條件，否則不予投雷。文獻(xiàn)[10]證明滿(mǎn)足上述條件下進(jìn)行魚(yú)雷攻擊的命中率μ∈[0.8,1]。

如果應(yīng)召失敗，轉(zhuǎn)入攔阻或巡邏可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間為

(5)

式中，tds是吊放聲吶有效搜索時(shí)間；wbuoy表示未攜帶的聲吶浮標(biāo)重量；wtorpedo表示未攜帶的魚(yú)雷重量；Nmeasurebuoy表示溫深海噪聲浮標(biāo)數(shù)量；Nbuoy表示攜帶的浮標(biāo)數(shù)量；Ntorpedo表示攜帶的魚(yú)雷數(shù)量；Wonetorpedo表示單枚魚(yú)雷重量；tprepare表示溫深海噪聲測(cè)量時(shí)間；tthrowbuoy表示布放浮標(biāo)時(shí)間；μbuoy表示聲吶浮標(biāo)成活率。

wbuoy和wtorpedo為

(6)

吊放聲吶搜索時(shí)間tds定義為

(7)

其中n為探測(cè)到目標(biāo)的次數(shù)。

當(dāng)?shù)趼暫痛盘絻x搜索失敗時(shí)，需要在剩余的留空時(shí)間用聲吶浮標(biāo)進(jìn)行攔阻或者包圍，繼續(xù)對(duì)潛艇進(jìn)行反制。

由于圓形包圍陣比方形包圍陣有更好的經(jīng)濟(jì)性和搜索效能[3,4,13]，只將聲吶浮標(biāo)圓形陣作為仿真對(duì)象。

文獻(xiàn)[4]定義圓形聲吶浮標(biāo)搜索陣型搜索面積為

(8)

其中

(9)

式中，k為聲吶浮標(biāo)重疊系數(shù)；Rss表示聲吶浮標(biāo)搜索半徑；m表示外圍浮標(biāo)陣所需浮標(biāo)個(gè)數(shù)。

聲吶浮標(biāo)攔阻陣型攔截長(zhǎng)度為

l=2k(n-1)Rss+2Rss

(10)

式中，k為聲吶浮標(biāo)重疊系數(shù)[13]；n為浮標(biāo)攔截陣浮標(biāo)數(shù)量。

1.1.2 仿真條件

初始為應(yīng)召搜潛條件下的仿真條件，見(jiàn)表1。單機(jī)應(yīng)召搜索武器掛載方案解算流程(如圖1所示)。

表1 應(yīng)召搜潛仿真條件

1.1.3 仿真結(jié)果

不同距離，不同應(yīng)召條件下的單機(jī)武器掛載方案，見(jiàn)表2。

1.2 單機(jī)巡邏反潛掛載方案

巡邏搜索的特征是未知目標(biāo)情報(bào)，對(duì)指定海域進(jìn)行搜索，查明指定海域有無(wú)潛艇。此種背景下，更宜采用聲吶浮標(biāo)對(duì)海區(qū)進(jìn)行搜索，且隱蔽性強(qiáng)[1,4]。

如果巡邏海區(qū)較小，可使用圓形聲吶浮標(biāo)陣對(duì)海區(qū)進(jìn)行包圍偵聽(tīng)；如果海區(qū)太大，可以采用聲吶浮標(biāo)攔阻陣隔離潛艇和保衛(wèi)目標(biāo)。圓形包圍陣比方形包圍陣有更好的經(jīng)濟(jì)性和搜索效能，只將聲吶浮標(biāo)圓形陣作為仿真對(duì)象。

1.2.1 模型描述

單位時(shí)間花費(fèi)的搜索時(shí)間，即時(shí)間面積比為

(11)

式中，tss表示最大搜索時(shí)間；areass表示包圍陣型搜索面積，它的計(jì)算方法見(jiàn)式(8)。

表2 單機(jī)應(yīng)召搜索武器掛載方案應(yīng)召

魚(yú)雷擊毀潛艇所帶來(lái)收益，即魚(yú)雷擊毀潛艇的效費(fèi)比為

(12)

式中，Csubmarine表示潛艇成本；Ntorpedo表示魚(yú)雷數(shù)量；Ctorpedo表示魚(yú)雷成本；攻潛概率πattack定義見(jiàn)式(5)。

1.2.2 仿真條件

初始為巡邏搜潛條件下的仿真條件，見(jiàn)表3。單機(jī)巡邏搜索武器掛載方案解算流程，如圖2所示。

表3 巡邏搜潛仿真條件

圖2 單機(jī)巡邏搜索武器掛載方案解算流程

1.2.3 仿真結(jié)果

單機(jī)巡邏搜索武器掛載方案，見(jiàn)表4。

表4 單機(jī)巡邏搜索武器掛載方案

在攜帶同等數(shù)量聲吶浮標(biāo)情況下，根據(jù)式(8)知，攜帶魚(yú)雷數(shù)量小的方案其巡邏時(shí)間和巡邏面積優(yōu)于攜帶攜帶魚(yú)雷多的方案。由于表2提供的候選集攜帶的魚(yú)雷數(shù)量都是1，因此其巡邏時(shí)間和巡邏面積一定高于同等條件下攜帶2枚魚(yú)雷的方案，所以對(duì)于巡邏面積或巡邏時(shí)間的限制，如果表2滿(mǎn)足，那么攜帶2枚魚(yú)雷同等其他條件下的方案就無(wú)需考慮。

例如，假設(shè)巡邏區(qū)域離基地150 km，要求監(jiān)視時(shí)間不小于1 h，嚴(yán)密包圍面積不小于200 km2。從表2中可以得出，攜帶浮標(biāo)數(shù)量25枚，攜帶魚(yú)雷數(shù)量1。

假設(shè)巡邏區(qū)域離基地200 km，要求監(jiān)視時(shí)間不小于1.5 h，從表2中可知無(wú)可行方案，并由此可確定攜帶2枚魚(yú)雷的方案更不可行。

2 結(jié) 語(yǔ)

建立了反潛直升機(jī)不同武器掛載的搜攻潛效能、搜索時(shí)間和搜索面積等數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真后給出不同情況下的武器掛載方案供任務(wù)規(guī)劃人員決策。仿真結(jié)果表明：武器掛載方案考慮到了不同背景條件和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合搜索效能、攻潛效能和效費(fèi)比等參數(shù)，量化不同情況下的掛載方案各項(xiàng)指標(biāo)，便于操作，可輔助戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃人員進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃。

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