陳 強(qiáng)， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

UUV集群探雷效能評(píng)估方法

陳 強(qiáng)， 袁思鳴

(海軍裝備研究院，北京 100161)

針對(duì)UUV探雷作業(yè)任務(wù)，建立UUV集群探雷作業(yè)效能評(píng)估模型。針對(duì)UUV集群搜索和探測(cè)水雷2種機(jī)動(dòng)方式，進(jìn)行集群探雷作業(yè)效能評(píng)估分析，給出UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率。

UUV；集群探雷；效能評(píng)估

0 引 言

本文主要研究典型作業(yè)條件下，UUV集群探雷作業(yè)效能評(píng)估問題。在以典型作業(yè)為背景進(jìn)行效能評(píng)估時(shí)，效能評(píng)估方法和評(píng)估結(jié)果實(shí)際上與UUV裝備性能、作戰(zhàn)環(huán)境、作業(yè)方法密切相關(guān)，應(yīng)該考慮這3個(gè)方面的要素。實(shí)際進(jìn)行評(píng)估時(shí)，為簡化工作量，減少評(píng)估的復(fù)雜性，常常會(huì)假定某個(gè)條件，或簡化模型，以突出某個(gè)階段重點(diǎn)關(guān)注的問題，淡化其他影響因素。例如，在主要考慮UUV機(jī)動(dòng)方式或主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能影響因素時(shí)，可能會(huì)取典型海洋環(huán)境條件下探測(cè)傳感器的性能指標(biāo)，從而弱化不同海洋環(huán)境因素對(duì)探測(cè)傳感器性能和作業(yè)效能的影響。UUV探測(cè)水雷一般有2種方式：一是在某個(gè)區(qū)域以固定航速沿直線方向搜索和探測(cè)水雷；二是在某個(gè)區(qū)域按“梳”字形機(jī)動(dòng)搜索和探測(cè)水雷。

典型想定為：UUV由Ngc個(gè)探測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)和Ntx個(gè)通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)群使用。UUV探測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的距離為d/m，探測(cè)水雷距離為Rgc/m。探雷作業(yè)區(qū)域大小，橫向?qū)挾葹锽hx/n mile，縱向長度為Lzx/n mile，作業(yè)區(qū)域面積Ssq/n mile2，考察UUV集群探雷作業(yè)效能。

1 在某個(gè)區(qū)域以固定航速沿直線方向搜索和探測(cè)探雷

UUV集群以航速Vgc/kn沿著作業(yè)區(qū)縱向搜索。UUV群可采用橫向線式隊(duì)形搜索，也可采用三角形隊(duì)形搜索。

對(duì)于采用三角形分布的集群，領(lǐng)航者在前面，其他UUV在其后面跟隨。領(lǐng)航者與各UUV之間的間距為d，其在橫向方向投影為dhx，在縱向方向投影為dzx，UUV集群隊(duì)形長度Lhx與作業(yè)區(qū)域?qū)挾菳hx相同，dhx由下式確定：

Lhx=(dhx(Ngc-1)+2Rgc)/1852，

(1)

圖1 搜索區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)縱向長度遠(yuǎn)大于橫向長度的矩形Fig.1 Rectangle search area (lognitudinal length more longer then transverse length)

圖2 UUV橫向間距的確定Fig.2 Establish transverse distance between a UUV and another UUV

(2)

當(dāng)UUV群采用橫向線式分布時(shí)，只需將UUV間距d替換原來的橫向間距dhx，即可利用上述公式計(jì)算橫向線式分布情況下的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率。當(dāng)給定UUV探測(cè)距離Rgc時(shí)，可根據(jù)搜索區(qū)域橫向總寬度，確定UUV之間的橫向間距。若2個(gè)UUV之間的橫向間距大于UUV探測(cè)距離2倍時(shí)；二者之間會(huì)出現(xiàn)空隙區(qū)；若小于UUV探測(cè)距離2倍時(shí)，二者之間會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)。設(shè)：

Zpj=dhx-2Rgc。

(3)

若Zpj<0，則出現(xiàn)重疊區(qū)；若Zpj>0，則出現(xiàn)空隙區(qū)；若Zpj=0，則既沒有空隙區(qū)，也沒有重疊區(qū)，此時(shí)，UUV隊(duì)形為最優(yōu)配置。取各UUV探測(cè)覆蓋范圍在橫向投影寬度之和與搜索區(qū)域橫向?qū)挾戎茸鳛榘l(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率，可計(jì)算得到UUV集群搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率。

Pfx=各UUV探測(cè)覆蓋范圍在橫向投影寬度之和
/搜索區(qū)域橫向?qū)挾取?/p>

(4)

UUV集群搜索效率分以下2種情況進(jìn)行計(jì)算。

有空隙區(qū)時(shí)：

Cjq=(2RgcNgc)Vgc/1852；

(5)

有重疊區(qū)時(shí)：

Cjq=(2RgcNgc-abs(Zpj)
(Ngc-1))Vgc/1852。

(6)

1)算例1

假設(shè)Ngc=3，Ntx=2，橫向?qū)挾菳hx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=3 kn，作業(yè)時(shí)間需6～7 h。將基本數(shù)據(jù)帶入式(1)～式(6)，可計(jì)算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率和集群搜索效率。

計(jì)算結(jié)果表明：若UUV探測(cè)距離小于140 m，則2個(gè)UUV之間有空隙區(qū)域，目標(biāo)會(huì)有遺漏；若UUV探測(cè)距離大于140 m，則2個(gè)UUV之間有重疊區(qū)域。2個(gè)UUV有空隙區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率較低,空隙區(qū)減小，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率增加；有重疊區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率達(dá)到1，重疊區(qū)增加對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率沒有影響。UUV探測(cè)距離增加，集群搜索效率提高；出現(xiàn)重疊區(qū)后，重疊區(qū)增加對(duì)集群搜索效率沒有影響。

表1 UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率計(jì)算

2)算例2

假設(shè)Ngc=3，Ntx=2，搜索區(qū)縱向長度Lzx=20 n mile。UUV航速Vgc=3 kn，作業(yè)時(shí)間需6～7 h。航向器探測(cè)距離為Rgc，UUV之間的橫向間距為dhx,則搜索區(qū)橫向?qū)挾菳hx可根據(jù)UUV探測(cè)距離和UUV之間的橫向間距來確定。將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計(jì)算得到搜索區(qū)橫向?qū)挾取UV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率和目標(biāo)搜索效率。

表2 UUV探測(cè)距離為100 m時(shí)的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

表3 UUV探測(cè)距離為140 m時(shí)的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

表4 UUV探測(cè)距離為180 m時(shí)的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

計(jì)算分析表明：UUV探測(cè)距離增加，在保持相同發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率條件下，搜索區(qū)域橫向?qū)挾瓤稍龃?，集群搜索效率增加；有重疊區(qū)時(shí)，重疊區(qū)越大，集群搜索效率越低，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率不變保持為1；有空隙區(qū)時(shí)，空隙區(qū)越大，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率越低，而集群搜索效率不變。

3)算例3

UUV主要性能如表5所示。假設(shè)Ngc=3～5，Ntx=2，作業(yè)區(qū)域橫向?qū)挾菳hx=914 m，縱向長度Lzx=20 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約9.8 n mile2。UUV航速Vgc=4 kn，作業(yè)時(shí)間需5 h。將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計(jì)算得到UUV之間的橫向間距、UUV之間的橫向空隙區(qū)或重疊區(qū)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率和目標(biāo)搜索效率。

表5 典型UUV主要性能參數(shù)

Tab.5 Typical UUV main performance parameter

項(xiàng) 目UUV-AUUV-B搜索速度/kn44續(xù)航力/km100180搜索時(shí)間/h1324側(cè)掃聲吶工作頻率/kHz300400側(cè)掃聲吶覆蓋角/(°)150128側(cè)掃聲吶側(cè)掃范圍/m100200

表6 典型UUV集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

從表中計(jì)算結(jié)果可知，UUV-A由于探測(cè)目標(biāo)距離近，配置3個(gè)UUV-A不能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，存在較大空隙區(qū)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率為0.656，集群搜索效率為1.296；配置4個(gè)UUV-A仍不能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，存在一定空隙區(qū)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率提高到0.875，集群搜索效率提高到1.728；配置5個(gè)UUV-A能完全覆蓋搜索區(qū)域橫向?qū)挾?，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率達(dá)到1.00，集群搜索效率達(dá)到1.974，與配置3個(gè)UUV-B的集群搜索效率和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率相同。因此，在上述假設(shè)條件下，所需UUV-A與UUV-B數(shù)量之比為5∶3， 即3艘UUV-B相當(dāng)于5艘UUV-A的作業(yè)效果，說明探測(cè)目標(biāo)距離對(duì)集群搜索效率有很大影響。

在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率為1.00條件下，集群搜索效率為1.974，假設(shè)目標(biāo)落入探測(cè)聲吶作用區(qū)域的概率為P接觸，則UUV在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標(biāo)的期望數(shù)為：

γ期望= (C集群/Ssq)×P接觸。

(7)

取接觸概率P接觸為1.0，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)，得到單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標(biāo)的期望數(shù)為：

γ期望=(1.974/9.8)×1.00=0.2(1/h)。

搜索整個(gè)區(qū)間所需時(shí)間為5 h，5 h發(fā)現(xiàn)目標(biāo)期望數(shù)為1.0，即采用上述搜索方法和搜索隊(duì)形參數(shù)，搜索5 h必定能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

2 在某個(gè)區(qū)域按“梳”字形機(jī)動(dòng)搜索和探測(cè)水雷

假定UUV采用“梳”字形機(jī)動(dòng)搜索一個(gè)面積為Ssq(n mile2)的區(qū)域。作業(yè)區(qū)域橫向?qū)挾菳hx=2 n mile，縱向長度Lzx=10 n mile，作業(yè)區(qū)域面積約20 n mile2。探測(cè)UUV數(shù)量Ngc=3～5，通信UUV數(shù)量Ntx=2，航速Vgc=4 kn，UUV探測(cè)距離Rgc為100 m或200 m。UUV采用橫線式隊(duì)形搜索目標(biāo)，UUV之間的橫向間距d=2Rgc，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率Pfx=1，將基本數(shù)據(jù)代入式(1)～式(6)，可計(jì)算得到UUV隊(duì)形長度Lhx和集群搜索效率。

圖3 “梳”字形機(jī)動(dòng)搜索和探測(cè)作業(yè)示意圖Fig.3 Mobile search and detection operation in comb form

UUV類型UUV數(shù)量NgcUUV探測(cè)距離Rgc/mUUV之間的橫向間距d/mUUV隊(duì)形長度Lhx/mUUV航速Vgc/kn集群搜索效率Cjq/nmile2·h-1UUV-A310020060041296UUV-A410020080041728UUV-A5100200100042160UUV-B3200400120042592UUV-B4200400160043456UUV-B5200400200044320

UUV編隊(duì)沿著橫向走“梳”字形，根據(jù)UUV編隊(duì)長度Lhx和搜索區(qū)縱向長度Lzx，可確定編隊(duì)完成整個(gè)區(qū)域搜索沿著橫向需要搜索次數(shù)，即：

Nbs=INT(1852×Lzx/Lhx)。

(8)

式中：INT為取整數(shù)的函數(shù)。

根據(jù)幾何概率公式，在搜索區(qū)域內(nèi)編隊(duì)集群搜索時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率為編隊(duì)搜索目標(biāo)面積與搜索區(qū)域面積之比，并考慮UUV編隊(duì)縱向搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率，即：

Pjqfx=(Sgc/Ssq)×Pfx。

(9)

式中：

Sgc=Lhx×Bhx×Nbs/1852，

(10)

Ssq=Lzx×Bhx，

(11)

Pfx=1。

將基本參數(shù)代入式(8)～式(11)，可得編隊(duì)集群搜索該探雷作業(yè)區(qū)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率。

表8 編隊(duì)集群搜索探雷作業(yè)區(qū)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

UUV作業(yè)效能可用UUV在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標(biāo)的期望數(shù)γ期望和期望時(shí)間T期望表征。對(duì)于編隊(duì)集群搜索，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)靜止目標(biāo)的期望數(shù)為：

γ期望=C集群/Ssq，

(12)

若搜索整個(gè)區(qū)域所需時(shí)間為Tssh，則在Tssh發(fā)現(xiàn)目標(biāo)期望數(shù)為：

γ=Tss×γ期望。

(13)

編隊(duì)搜索整個(gè)探雷作業(yè)區(qū)時(shí)間為編隊(duì)航行距離除以航行速度。顯然，編隊(duì)航行距離等于作業(yè)區(qū)橫向?qū)挾瘸艘跃庩?duì)搜索往返次數(shù)。采用上述搜索方法和搜索隊(duì)形參數(shù)，搜索Tssh發(fā)現(xiàn)目標(biāo)期望數(shù)與編隊(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率一致，在95%以上。

表9 “梳”字型編隊(duì)搜索探雷作業(yè)區(qū)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)期望數(shù)

分析表7～表9的計(jì)算結(jié)果可知：UUV-B的集群搜索效率和UUV-B隊(duì)形長度為UUV-A的2倍，編隊(duì)搜索往返次數(shù)和搜索目標(biāo)時(shí)間減少一半，UUV-B采用3 kn或5 kn航速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率最大，4 kn航速時(shí)續(xù)航時(shí)間約為27 h，滿足上述給定區(qū)域搜索作業(yè)時(shí)間的需求；UUV-A采用4 kn航速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率最大，由于4 kn航速時(shí)續(xù)航時(shí)間為13 h，難以滿足上述給定區(qū)域搜索作業(yè)時(shí)間的需求。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)UUV的探雷任務(wù)，提出了典型的探雷作業(yè)方法。按照設(shè)定的典型探雷作業(yè)想定，建立了集群探雷作業(yè)效能評(píng)估模型，給出了不同裝備性能參數(shù)、編隊(duì)隊(duì)形要素對(duì)作業(yè)效能的影響規(guī)律。針對(duì)典型UUV裝備性能參數(shù)，根據(jù)設(shè)定作業(yè)海區(qū)開展了不同搜索樣式下的效能評(píng)估分析。研究和分析結(jié)果可用于UUV裝備型號(hào)研制立項(xiàng)綜合論證，也可為部隊(duì)使用UUV進(jìn)行探雷作業(yè)訓(xùn)練提供參考。

[1] В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達(dá)爾.搜索目標(biāo)法[M].中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)軍事系統(tǒng)工程委員會(huì)，1982.

В.А阿勃楚克，В.Г蘇茲達(dá)爾.Searching target method[M].Systems Engineering Society of China Military Syst-ems Engineering Committee，1982.

[2] 武器裝備論證通用規(guī)范：戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)論證[S].GJBz 20221.6-94.

General specification for demonstration of weapon and equipment Tactical and technical goal demonstration.GJBz 20221.6-94.

[3] WILLCOX S,et al.Multi-vehicle cooperative navigation and autonomy with the bluefin cadre system[M].Cambridge, MA:Bluefin Robotics Corporation.

Research on efficiency evaluation method of UUV group detection mine

CHEN Qiang，YUAN Si-ming

(Navy Equipment Academe，Beijing 100161,China)

Paper established efficiency evaluation model of UUV group detection mine for UUV detection mine task. This progressed efficiency evaluation analysis of UUV group detection mine and presented search efficiency and find target probability in UUV group manner for two kind of mobile manner of UUV group search and detection mine.

UUV;group detection mine;efficiency evaluation

2014-01-17;

2014-03-24

陳強(qiáng)(1961-)，男，研究員，從事艦艇和水下無人航行器論證研究。

TP242

A

1672-7649(2014)12-0178-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.001