汪志強 謝國新 郭 磊

(海軍陸戰(zhàn)學院 廣州 510430)

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登陸編隊前置直升機防潛警戒配置方法及其仿真

汪志強 謝國新 郭 磊

(海軍陸戰(zhàn)學院 廣州 510430)

根據(jù)登陸編隊對潛防御的要求,分析了登陸編隊前置直升機對潛防御警戒幕配置方法,提出了前置直升機警戒幕的近界和遠界;構(gòu)建了直升機警戒幕防敵潛艇突破數(shù)學模型,并在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了直升機警戒幕防敵潛艇突破仿真系統(tǒng)。通過仿真實驗,對直升機警戒幕對潛防御效率進行了詳細分析,為直升機伴隨護航反潛的作戰(zhàn)使用提供了理論依據(jù)。

登陸編隊; 直升機警戒幕; 配置方法; 仿真

Class Number U674.76

1 引言

在登陸作戰(zhàn)中,對潛防御是登陸編隊防御的一項重要內(nèi)容。隨著潛艇裝備技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代潛艇航速更快,隱身性能更好,續(xù)航能力更強、水下航行的時間更長,武器裝備的攻擊能力也不斷增強,加上難以預測和復雜多變的海洋環(huán)境,使得對潛防御變得更加困難。由于潛艇所具有的強大的突擊能力以及其突出的牽制和威懾作用,在登陸作戰(zhàn)中,如忽視對其防御,必將對登陸編隊造成致命威脅[1～2]。本文根據(jù)登陸編隊對潛防御的要求,對登陸編隊近程前置直升機警戒幕的配置方法進行了分析,并對直升機警戒幕防敵潛艇突破概率進行了仿真實驗。

2 前置直升機警戒幕配置方法

圖1 登陸編隊直接警戒幕配置示意圖

根據(jù)文獻[3～4],為保護登陸輸送艦艇安全,直接警戒艦艇通?？筛鶕?jù)敵潛艇魚雷的極限射距圓進行配置(圖1),形成直接警戒幕。其中JB為登陸輸送隊中心位置,O點為敵魚雷的極限射距圓圓心,r為登陸輸送隊外切圓半徑,SYX為敵魚雷的有效射程,HB為登陸編隊航向。

艦載反潛直升機通常可使用吊放聲納建立對潛警戒巡邏線,攜帶吊放聲納的直升機通常在編隊的前方、側(cè)翼實施雙機搜索,其中前置巡邏警戒線的直升機配置在編隊前方一定距離LBZ上,增大編隊對潛防御的縱深和警戒搜索效率,同時可對直接警戒艦艇形成一定的保護,以防御從編隊前方突破的敵潛艇對警戒艦艇的攻擊[5～6]。因此巡邏線近界LBZ1應使警戒艦艇可置于直升機保護之下,其配置位置如圖2所示,其中O2點為敵潛艇魚雷對警戒艦艇極限射距圓的圓心;當需要較大防御縱深或需要直升機在對潛警戒搜索的同時為編隊提供一定的防空警戒時,為保證對輸送艦艇群的保護,遠界LBZ2應保證直升機警戒巡邏線邊緣不出現(xiàn)缺口(圖3)。

圖2 直升機前置配置“己”字形點水搜索示意圖一

圖3 直升機前置配置“己”字形點水搜索示意圖二

3 數(shù)學模型

在我登陸編隊配置直升機警戒幕時,敵潛艇成功突破警戒幕的概率與警戒幕的配置、巡邏線長度、搜索方法等多種因素有關(guān)。在此以圖1為例,為保持與登陸編隊同步,直升機常用的搜索方式有兩列、三列曲折機動搜索[7～8]。當我前置直升機警戒幕對潛艇魚雷可攻擊區(qū)域形成完全覆蓋警戒時,敵潛艇為對我登陸編隊攻擊,如繞開我直升機警戒幕則無法進入魚雷可攻區(qū)域?qū)ξ揖庩爩嵤┕?因此敵潛艇必須突破我直升機警戒幕才能對我登陸編隊構(gòu)成威脅,在此對直升機警戒幕發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率進行分析。設(shè)兩架直升機在登陸編隊前方配置,采用三列“己”形曲折機動(如圖2所示)。按圖4所示,以編隊航向為X軸正方向,編隊左正橫方向為Y軸正方向,吊放聲納搜索范圍外切框的左下角為原點,建立起平面直角坐標系。敵潛艇在我直升機巡邏線以外時,對我直升機搜索沒有影響,只有當敵潛艇進入到直升機巡邏線邊緣時,再繼續(xù)運動才有可能被我直升機發(fā)現(xiàn)[9]。因此設(shè)t=0時刻,敵潛艇正處于我直升機巡邏線邊緣擬進行突破,L為前置直升機警戒巡邏線的長度,潛艇進行突破時的突破點的坐標為(Xd0,Yd0),Yd0在(0,L)范圍內(nèi)服從均勻分布,則:

Xd=2dzs

(1)

Yd=ξ1L

(2)

式中,dzs為直升機吊放聲納有效作用距離;ξ1為服從(0,1)均勻分布的隨機數(shù)。

θ角在(0,π)服從均勻分布,則:

θ=ξ2π

(3)

式中,ξ2為服從(0,1)均勻分布的隨機數(shù)。

圖4 敵潛艇突破直升機警戒幕示意圖

假設(shè)潛艇不改變運動方向,則其運動方程為

(4)

設(shè)兩架直升機坐標分別為(Xz1,Yz1),(Xz2,Yz2),t=0時刻,顯然Xz1=Xz2=dzs,Yz1在(3dz+dzs,5dz+dzs)內(nèi)服從均勻分布,則:

Yz1=3dz+dzs+ξ32dz

(5)

式中,dz為直升機相鄰兩個探測點的距離;ξ3為服從(0,1)均勻分布的隨機數(shù)。

則:

Yz2=2dz+dzs-ξ32dz

(6)

直升機一個探測周期的時間為

TZ=dz/vz+tf+tj+ts

(7)

式中,tf為直升機放下吊放聲納所需的時間;tj為直升機使用聲納聽測時間;ts為直升機收起吊放聲納所需的時間;vz為直升機轉(zhuǎn)移探測點時的飛行速度。

在圖4中,直升機處于探測點進行聽測時,設(shè)直升機1、2與潛艇的距離分別為D1、D2,當D1>dzs且D2>dzs,潛艇沒有進入吊放聲納探測范圍,潛艇沒有被發(fā)現(xiàn)。當D1≤dzs或者D2≤dzs,潛艇進入直升機吊放聲納探測范圍,潛艇可能被發(fā)現(xiàn)。由于海洋環(huán)境復雜,存在大量不確定因素,直升機不一定能發(fā)現(xiàn)進入到吊放聲納探測范圍的敵潛艇。目前國內(nèi)外常用式(8)來描述聲納發(fā)現(xiàn)潛艇的概率[10]。

(8)

式中,D為直升機吊放聲納進行探測時,直升機與敵潛艇的距離。

4 仿真實驗

4.1 仿真系統(tǒng)

敵潛艇突破直升機仿真系統(tǒng)基于Microsoft Visual C++6.0的開發(fā)環(huán)境下而實現(xiàn),仿真程序?qū)ξ遗炤d直升機警戒幕防敵潛艇突破進行仿真(見圖3)。仿真程序流程如圖5所示,n為當前仿真次數(shù),m為發(fā)現(xiàn)敵潛艇次數(shù),tz為一次聲納發(fā)射信號到接收信號的時間,tj為聽測時間,tc為一個探測點的探測總時間,tf為放吊放聲納時間,D1、D2分別為直升機1、2到敵潛艇的距離,仿真次數(shù)N默認設(shè)置為10000次,系統(tǒng)主界面上主要包括對相關(guān)數(shù)據(jù)和初始態(tài)勢的設(shè)置(如圖6所示)。

為降低仿真難度,提高仿真效率,在本仿真過程中作如下假設(shè):

1) 敵潛艇的運動是連續(xù)的,在其突破我直升機警戒幕過程中,假定其不改變航向、航速。

2) 在敵潛艇突破我直升機警戒幕過程中,通過計算直升機在探測點探測過程中每一時刻與敵潛艇的距離Dqz來判斷探測效果。當Dqz大于直升機吊放聲納作用距離dzs時,認為敵潛艇沒有進入到吊放聲納的有效探測范圍,不會被發(fā)現(xiàn);當Dqz≤dzs時,敵潛艇進入到吊放聲納的有效探測范圍,有可能被發(fā)現(xiàn)。由于能否發(fā)現(xiàn)敵潛艇還取決于聲納誤差、水文氣象條件、人員訓練水平等多種因素,在此忽略這些因素的影響,根據(jù)式(8)計算潛艇進入吊放聲納探測范圍被發(fā)現(xiàn)的概率,再結(jié)合蒙特卡羅法判定潛艇是否被發(fā)現(xiàn)。

圖5 仿真程序框圖

圖6 直升機警戒幕防敵潛艇突破仿真系統(tǒng)主界面

4.2 仿真實驗方案

1) 方案一:相鄰探測點間距對直升機警戒幕警戒效果的影響

設(shè)定仿真實驗參數(shù):

(1)直升機的轉(zhuǎn)移速度為180km/h,在一個探測周期內(nèi),收吊放聲納的時間為60s,放吊放聲納的時間為40s,吊放聲納監(jiān)聽時間為180s,潛艇速度為8節(jié)。

(2)直升機吊放聲納的作用距離dzs分別為4km,8km,12km。

(3)相鄰探測點間距D分別為:1.1dzs,1.2dzs,1.3dzs,1.4dzs,1.5dzs,1.6dzs,1.7dzs,1.8dzs,1.9dzs,2.0dzs。

2) 方案二:潛艇速度對直升機警戒幕警戒效果的影響

設(shè)定仿真實驗參數(shù):

(1)吊放聲納有效探測距離為8km,相鄰探測點間距為1.4dzs,直升機的轉(zhuǎn)移速度VZ分別為120km/h,160km/h,200km/h)。

(2)在一個探測周期內(nèi),收吊放聲納的時間為60s,放吊放聲納的時間為40s,聲納監(jiān)聽時間為120s。

(3)潛艇速度VD分別為6,7,8,9,10,11,12,13(節(jié))。

4.3 結(jié)果分析

1) 仿真實驗方案一實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)一

直升機相鄰探測點距離對發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率的影響如圖7所示。

從圖7中可以看出,直升機發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率隨著相鄰探測點距離的加大而下降,且下降的幅度較大。由于相鄰探測點距離的加大,直升機點水搜索的時間連續(xù)性差,對警戒區(qū)域重復探測的范圍較小,使得對敵潛艇發(fā)現(xiàn)的概率下降。

圖7 相鄰探測點距離與發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率關(guān)系圖

當相鄰探測點距離在1.1倍到約1.6倍聲納作用距離范圍內(nèi)變化時,發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率隨著吊放聲納作用距離的增加而增加;在相鄰探測點的距離約為1.6倍的聲納作用距離時,不同的聲納作用距離對發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率趨于相等;當相鄰探測點距離在1.6倍到2倍聲納作用距離范圍內(nèi)變化時發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率隨著聲納作用距離的增加而減小。分析其原因為當相鄰探測點距離在1.1倍到約1.6倍聲納作用距離范圍內(nèi)變化時,聲納作用距離越大,則每次探測所能探測的范圍越大,發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率越高;當相鄰探測點距離在1.6倍到2倍聲納作用距離范圍內(nèi)變化時,聲納的作用距離越短,探測點間距小,直升機轉(zhuǎn)移探測點的時間短,則兩次探測的時間間隔短,因而發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率高。

可見,為提高發(fā)現(xiàn)突破的敵潛艇的概率,應采取較小的相鄰探測點間距,但間距過小的話,直升機與編隊同步較難,同時會影響直升機警戒幕的長度,可能造成直升機警戒幕無法對敵魚雷可攻區(qū)域形成完整的警戒。因此,應在保證直升機警戒幕能滿足對敵魚雷可攻區(qū)域形成完整的警戒,適當減小相鄰探測點的距離,以提高發(fā)現(xiàn)突破的敵潛艇的概率。

2) 仿真實驗方案二實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)二

敵潛艇突破速度對發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率的影響如圖8所示。

由圖8可以看出,發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率隨潛艇突破速度的增加而降低,當速度大于一定值時,發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率逐漸趨于穩(wěn)定。潛艇速度的增加,使?jié)撏芤暂^快的速度通過直升機警戒幕,減少了通過警戒幕的時間,從而減小了被發(fā)現(xiàn)的可能。同時從圖8中可以看出,發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率隨直升機轉(zhuǎn)移速度的增加而增加,直升機速度的增加,使直升機相連探測點間隔時間減少,從而提高了發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率。因此,為提高發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率,直升機應提高轉(zhuǎn)移速度。由于直升機轉(zhuǎn)移速度的提高會導致直升機推進速度大于編隊推進速度,為使直升機能與編隊保持同步,可通過減小相鄰探測點距離及延長吊放時間來調(diào)整,這樣既滿足編隊同步推進的要求,又能進一步提高發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率。

圖8 敵潛艇突破速度與發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率關(guān)系圖

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Allocation Method and Simulation of Prepositive Helicopter Anti-submarine Alert Line of Landing Operation

WANG Zhiqiang XIE Guoxin GUO Lei

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

Accodring to the requirement of anti-submarine defence for landing operation, the allocation method of prepositive helicopters anti-submarine is analysed. Near filed and far field of prepositive helicopers’s allocation method are put forward. The mathematical model of helicopters alert line prevent submarine through is set up. On this base, the simulation system of helicopters alert line prevent submarine through is developed. Simulation result is presented and analysed in detail. These result can offer theoretic foundation for the helicopter flanking accompanying anti-submarine operating application.

landing operation, helicopters anti-submarine, allocation method, simulation

2015年1月2日,

2015年2月27日 作者簡介:汪志強,男,碩士,研究方向:戰(zhàn)術(shù)建模與仿真。謝國新,男,教授,研究方向:海軍兵種戰(zhàn)術(shù)與作戰(zhàn)模擬。郭磊,男,碩士,研究方向:海軍戰(zhàn)術(shù)學基礎(chǔ)理論。

U674.76

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.010