袁大天,于芳芳,陳 亮

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,陜西西安 710089)

艦載直升機(jī)在20世紀(jì)70年代已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模,根據(jù)任務(wù)需要,涉及反潛、反艦、警戒、偵察、電子戰(zhàn)、搜救、運(yùn)輸、火力支援和反水雷等多種任務(wù)領(lǐng)域[1]。預(yù)警指揮類艦載直升機(jī)是以水面艦艇為搭載平臺(tái),滿足了艦艇編隊(duì)海上預(yù)警、指揮控制的需求,其可與艦載機(jī)、預(yù)警機(jī)、艦基指揮系統(tǒng)有效協(xié)同,擴(kuò)展編隊(duì)的立體對(duì)空觀察體系,本文所描述的艦載直升機(jī)均指艦載預(yù)警直升機(jī)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)艦載直升機(jī)的研究也形成了一定的規(guī)模,張智瑋等分析了復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)艦載直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信的數(shù)據(jù)率和誤碼率的影響,并從電磁兼容、電磁頻譜管控、雷達(dá)合理組網(wǎng)部署等技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)層面對(duì)提高艦載防空探測(cè)設(shè)備預(yù)警能力提出了建議[2]。不少高校和研究院所對(duì)艦載直升機(jī)和指揮控制系統(tǒng)開展了理論仿真和數(shù)值模擬研究,主要關(guān)注了艦載直升機(jī)對(duì)空預(yù)警性能仿真分析[3-6],多架艦載直升機(jī)在反潛、預(yù)警任務(wù)中的編隊(duì)配置研究[7-11],預(yù)警機(jī)指揮控制系統(tǒng)仿真建模與效能評(píng)估研究[12-16],對(duì)于艦載直升機(jī)的飛行試驗(yàn),主要集中在起降包線,飛行品質(zhì)方面的研究[17-19], 艦載指揮控制系統(tǒng)飛行試驗(yàn)方面的研究相對(duì)較少。王睿等針對(duì)預(yù)警機(jī)指揮控制系統(tǒng)中的威脅估計(jì)問題,提出了一種基于補(bǔ)償直覺模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CIFNS)的威脅估計(jì)方法[20]；張西川等針對(duì)機(jī)載C3I系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估模型,將粗糙集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,提出了一種試飛數(shù)據(jù)綜合質(zhì)量的計(jì)算方法[21]。

本文首先從前出距離、攔截對(duì)象、預(yù)警探測(cè)距離和攔截區(qū)域4個(gè)方面,分析了艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)的特點(diǎn),建立以艦載直升機(jī)為指揮中心的對(duì)空預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型,再基于上述模型,在一定的假設(shè)條件下,仿真計(jì)算了來襲目標(biāo)和艦隊(duì)攔截條件各因素之間的相互關(guān)系,得出在艦載直升機(jī)的前出距離、探測(cè)距離和艦隊(duì)的攔截距離之間優(yōu)化配置各指控要素的約束條件,從而為最大限度地利用現(xiàn)有的試驗(yàn)資源提供參考,提高艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)的試飛效率和質(zhì)量。

1 艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)利用機(jī)載電子設(shè)備,完成預(yù)警探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、情報(bào)處理、數(shù)據(jù)融合、指揮控制功能,其可以為艦隊(duì)武器在其最大射程上對(duì)來襲目標(biāo)進(jìn)行攔截提供預(yù)警攔截方案和反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于有陸基航空兵掩護(hù)的艦艇編隊(duì),攔截距離是自編隊(duì)到陸基航空兵最大作戰(zhàn)半徑的距離;對(duì)于一般的驅(qū)護(hù)艦編隊(duì),攔截距離是編隊(duì)中所裝備的艦空導(dǎo)彈的最大射程;對(duì)于搭載艦載機(jī)的艦艇編隊(duì),攔截距離是自編隊(duì)到艦載機(jī)攔截線的距離。

艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)飛行試驗(yàn)和使用方面考慮的重點(diǎn)因素在于:

1) 前出距離。由于艦載直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)后或需要補(bǔ)給時(shí),必須返回其搭載的搭載平臺(tái),因此前出不能太遠(yuǎn),同時(shí)要保證留給艦隊(duì)足夠的預(yù)警距離和預(yù)警時(shí)間,因此其前出距離的限制條件較多。

2) 攔截對(duì)象。艦載直升機(jī)預(yù)警攔截對(duì)象主要為攻擊機(jī)、艦載或機(jī)載反艦導(dǎo)彈,多為低空來襲目標(biāo)。

3) 預(yù)警探測(cè)距離。受艦載直升機(jī)自身平臺(tái)的限制,艦載直升機(jī)的預(yù)警探測(cè)距離相對(duì)較小。

4) 攔截區(qū)域。由于艦載機(jī)的作戰(zhàn)半徑一定,因此攔截線一般是以艦隊(duì)為圓心,艦載機(jī)作戰(zhàn)半徑為半徑的一個(gè)圓型或扇形區(qū)域。

2 艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)試飛資源配置

艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)飛行試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜工程,其特點(diǎn)表現(xiàn)為多批、多路、多層次戰(zhàn)術(shù)引導(dǎo)的綜合試飛,導(dǎo)致飛行試驗(yàn)的科目、架次多,難度大,編隊(duì)試飛密度高,飛行試驗(yàn)安全保證尤為重要,因此需要科學(xué)合理的規(guī)劃試飛資源和試飛方案。這里的試飛資源特指為指控系統(tǒng)試飛配試的艦載機(jī)和目標(biāo)機(jī),資源配置則是針對(duì)艦載直升機(jī)的特點(diǎn)和艦隊(duì)攔截條件以及威脅目標(biāo)特點(diǎn),配置前出距離、攔截速度、來襲速度等約束條件,采用科學(xué)的試驗(yàn)規(guī)程和評(píng)判準(zhǔn)則來完成試驗(yàn),在有限的條件和時(shí)段內(nèi)獲取盡可能多的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.1 艦載直升機(jī)巡邏航線長(zhǎng)度

巡邏航線長(zhǎng)度是指艦載直升機(jī)在一定的高度、速度以及留空時(shí)間條件下的距載艦的活動(dòng)半徑,航線長(zhǎng)度會(huì)直接影響艦隊(duì)的預(yù)警時(shí)間和預(yù)警距離。我們采用標(biāo)準(zhǔn)矢量坐標(biāo),以直升機(jī)的載艦為矢量坐標(biāo)的原點(diǎn),即前出距離基準(zhǔn)點(diǎn),以載艦與主要威脅方向(如飛機(jī)、導(dǎo)彈來襲方向)的連線建立威脅軸,前出距離的另一端取威脅軸上的一點(diǎn)作為端點(diǎn)。由于艦艇編隊(duì)各艦船的間距要遠(yuǎn)小于艦載直升機(jī)的預(yù)警距離,因此可以將整個(gè)編隊(duì)視為一個(gè)點(diǎn),從而來襲目標(biāo)的威脅扇面角則是以整個(gè)編隊(duì)點(diǎn)為圓心的扇面角,而不是針對(duì)某一艘艦船,即可以忽略編隊(duì)隊(duì)形變化對(duì)直升機(jī)預(yù)警效果的影響。

試驗(yàn)中,我們以單架艦載直升機(jī)在一個(gè)威脅扇面內(nèi)的預(yù)警/攔截引導(dǎo)過程進(jìn)行方案設(shè)計(jì),艦載直升機(jī)預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型如圖1所示,以直升機(jī)所在位置為圓心B,以直升機(jī)預(yù)警雷達(dá)探測(cè)半徑Dtc為半徑畫半圓,該半圓表示直升機(jī)的警戒區(qū)域。過圓心B垂直威脅軸作圓的一條直徑,則直升機(jī)的警戒區(qū)域相對(duì)于載艦構(gòu)成一個(gè)以威脅軸為扇面中心線的警戒扇面。

從直升機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)開始到艦載機(jī)到達(dá)攔截線與目標(biāo)遭遇所需時(shí)間,可由下式估算出來:

(1)

由圖1所示的幾何關(guān)系可得出:

DW=Dlj+VmT

(2)

(3)

進(jìn)而可求得艦載直升機(jī)對(duì)空預(yù)警時(shí)的最小前出距離為

(4)

式中，DW為艦隊(duì)在有直升機(jī)探測(cè)下的預(yù)警距離,單位km;Dlj為我方攔截機(jī)攔截線,單位單位km;Dd為直升機(jī)前出距離,單位km;Dtc為直升機(jī)探測(cè)距離,單位km;α為敵方武器對(duì)我編隊(duì)的威脅扇面,單位°;Vm為來襲目標(biāo)速度,單位m/s;Vj為我方攔截機(jī)速度,單位m/s;Tcc為艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)計(jì)算所需時(shí)間,單位s;Tc為我方通信時(shí)間,單位s;Tcd為我方攔截機(jī)出動(dòng)時(shí)間,單位s。

2.2 艦載直升機(jī)航線高度

在試驗(yàn)航線高度的規(guī)劃時(shí),艦載直升機(jī)的航線高度涉及兩個(gè)方面的因素。

首先,艦載直升機(jī)對(duì)海面和低空目標(biāo)探測(cè)時(shí),雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離為幾何直視距離,由于受地球曲率的影響,直升機(jī)的航線飛行高度應(yīng)保證目標(biāo)在直升機(jī)視距范圍內(nèi),并且盡量保持在較高的高度,以充分發(fā)揮機(jī)載雷達(dá)的探測(cè)性能,因此,其航線飛行高度可由視距通信公式轉(zhuǎn)化而來，即

(5)

式中:Hhx為直升機(jī)航線飛行高度,單位m;Hmb為來襲目標(biāo)的飛行高度,單位m,當(dāng)Hmb遠(yuǎn)小于Dtc時(shí),上式可簡(jiǎn)化為

(6)

其次,考慮艦載直升機(jī)的實(shí)際使用環(huán)境,一般在海上飛行,同時(shí)飛行區(qū)域在艦隊(duì)對(duì)空火力覆蓋范圍以內(nèi),因此,應(yīng)保證其在海上最小安全飛行高度以上,盡可能保持較高的高度,以避免在實(shí)施對(duì)低空來襲目標(biāo)攔截的誤傷和直升機(jī)在撤離時(shí)自身故障導(dǎo)致的安全隱患。因此,艦載直升機(jī)指揮控制系統(tǒng)試驗(yàn)的航線高度應(yīng)滿足Hws≤Hhx≤Hrw,其中:Hws為避免艦隊(duì)防空武器系統(tǒng)對(duì)低空來襲目標(biāo)實(shí)施攔截時(shí)造成誤傷的安全高度,Hrw為綜合考慮任務(wù)類型、燃油量、留空時(shí)間等因素的任務(wù)執(zhí)行高度。

2.3 配試目標(biāo)配置模型

配試目標(biāo)是指模擬來襲目標(biāo)的試驗(yàn)資源,針對(duì)艦載直升機(jī)的使用特點(diǎn),在試驗(yàn)資源的配置時(shí),應(yīng)考慮來襲目標(biāo)、直升機(jī)自身限制條件以及我方攔截能力等方面的約束,這里重點(diǎn)針對(duì)配試目標(biāo)資源的來襲速度進(jìn)行分析,評(píng)估目標(biāo)來襲速度的變化對(duì)直升機(jī)前出距離和攔截引導(dǎo)試飛的影響。

根據(jù)攔截引導(dǎo)模型可知,將式(3)代入式(4)得到來襲目標(biāo)速度和直升機(jī)前出距離的關(guān)系:

(7)

在該情況下,假定Dlj=150 km,Dtc=150 km,Vj=280 m/s,Tcc=10 s,Tc=5 s,Tcd=120 s,α=30°,在目標(biāo)速度Vm取值200 m/s到1 000 m/s的范圍內(nèi),對(duì)直升機(jī)前出距離進(jìn)行計(jì)算,得到直升機(jī)前出距離與來襲目標(biāo)速度的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 直升機(jī)前出距離與來襲目標(biāo)速度的關(guān)系

由圖2可見,如果選取直升機(jī)探測(cè)距離為150 km、攔截機(jī)攔截線為150 km以及假定的其他各因素一定的前提下,直升機(jī)前出距離隨著目標(biāo)速度的增加呈明顯上升的趨勢(shì),當(dāng)目標(biāo)速度為200 m/s的時(shí)候,前出距離為143 km左右,當(dāng)目標(biāo)速度增加到400 m/s的時(shí)候,前出距離上升為300 km左右。

圖2中每條曲線均存在著一個(gè)拐點(diǎn),當(dāng)目標(biāo)速度大于等于該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度值時(shí),直升機(jī)的前出距離沒有實(shí)數(shù)解。例如,圖中實(shí)線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)速度為641 m/s,意味著,當(dāng)目標(biāo)速度大于641 m/s的時(shí)候,直升機(jī)的前出距離沒有意義,已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警、引導(dǎo)攔截的功能了。當(dāng)前面的各假定因素發(fā)生變化的時(shí)候,該拐點(diǎn)的位置也會(huì)相應(yīng)變化。

以直升機(jī)前出距離不大于圖2中拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直升機(jī)的前出距離為限制條件(即保證直升機(jī)前出有意義),代入不同的攔截位置,計(jì)算在不同攔截位置時(shí),前出距離和目標(biāo)來襲速度的關(guān)系曲線,得到多組前出距離-來襲目標(biāo)速度關(guān)系曲線,從而得到前出距離一定時(shí),攔截位置和來襲速度的約束條件,其約束條件如圖3所示,在直升機(jī)前出距離一定、攔截機(jī)速度一定的情況下,針對(duì)來襲目標(biāo)速度的變化一一對(duì)應(yīng)著目標(biāo)攔截位置設(shè)置的最大值,隨著來襲目標(biāo)速度的增大,目標(biāo)攔截位置呈下降的趨勢(shì),在約束條件下設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)科目,能夠提高指揮控制系統(tǒng)試飛的有效性和成功率。

圖3 目標(biāo)攔截位置與目標(biāo)來襲速度的約束條件

2.4 基于直升機(jī)自身能力的配置模型

這里,直升機(jī)自身能力主要是指其雷達(dá)探測(cè)能力,評(píng)估直升機(jī)自身探測(cè)能力的變化對(duì)其前出距離和攔截引導(dǎo)能力的影響。

我們假定在此情況下,Dlj=150 km,Vj=280 m/s,Vm=300 m/s,Tcc=10 s,Tc=3 s,Tcd=120 s,α=30°,直升機(jī)探測(cè)距離Dtc取值范圍為50 km至180 km,將上述假設(shè)條件代入式(4),得出直升機(jī)探測(cè)距離與前出距離的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 直升機(jī)前出距離與其探測(cè)距離的關(guān)系

由圖4可知,在假設(shè)我方攔截位置為150 km,以及其他假設(shè)條件一定的前提下,隨著直升機(jī)雷達(dá)探測(cè)距離的增加或者稱探測(cè)能力的提升,直升機(jī)前出距離呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),探測(cè)距離為100 km時(shí),前出距離為296 km左右,當(dāng)探測(cè)距離提升至150 km時(shí),前出距離減小至220 km左右。而且,可以看出圖4中的曲線也都存在一個(gè)拐點(diǎn),這說明,在這個(gè)拐點(diǎn)處,即當(dāng)直升機(jī)探測(cè)距離小于該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離時(shí),直升機(jī)前出距離沒有實(shí)數(shù)解,即直升機(jī)已不能完成預(yù)警任務(wù)。

為了在直升機(jī)前出距離的限制條件下保證前出距離有實(shí)數(shù)解,選取不同的目標(biāo)攔截位置,得到多組直升機(jī)探測(cè)距離和其前出距離的關(guān)系曲線,從而得到直升機(jī)前出距離一定時(shí),目標(biāo)攔截位置和直升機(jī)探測(cè)能力的約束條件,其約束條件如圖5所示,即當(dāng)我方攔截機(jī)選取不同攔截位置時(shí),一一對(duì)應(yīng)直升機(jī)探測(cè)距離的最小值,當(dāng)直升機(jī)探測(cè)距離大于等于該臨界值時(shí),才能保證保證直升機(jī)前出有意義,能夠?yàn)榕炾?duì)提供足夠的預(yù)警時(shí)間。

圖5 直升機(jī)探測(cè)距離與目標(biāo)攔截位置的約束條件

2.5 基于艦隊(duì)攔截能力的配置模型

這里的攔截能力包含兩個(gè)主要因素,即攔截機(jī)對(duì)目標(biāo)的攔截位置和攔截機(jī)飛行速度,這兩個(gè)自變量相互影響,基于艦隊(duì)攔截能力的配置模型,主要是找出上述兩個(gè)主要因素的變化與直升機(jī)前出距離的關(guān)系。

我們假定在此情況下,Dtc=150 km,Vm=300 m/s,Tcc=10 s,Tc=3 s,Tcd=120 s,α=30°,目標(biāo)攔截位置Dlj取值范圍為20 km至240 km,攔截機(jī)速度Vj取值范圍為100 m/s至1 000 m/s,代入式(4)對(duì)直升機(jī)前出距離進(jìn)行計(jì)算,得到直升機(jī)前出距離與目標(biāo)攔截位置和攔截機(jī)速度之間的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 直升機(jī)前出距離與艦隊(duì)攔截能力的關(guān)系

由圖6可知,在假設(shè)直升機(jī)探測(cè)距離為150 km以及其他假設(shè)條件一定的前提下,隨著目標(biāo)攔截位置的增加,直升機(jī)的前出距離呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),隨著攔截機(jī)速度的增加,直升機(jī)前出距離會(huì)呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì),圖6中不同的目標(biāo)攔截位置和攔截機(jī)速度,對(duì)應(yīng)著不同的直升機(jī)前出距離值。

同樣,從圖6中可以看出,整個(gè)曲面的變化并非連續(xù)平滑變化,存在轉(zhuǎn)折的部分,這是由一些非實(shí)數(shù)解造成的,這也就意味著,當(dāng)目標(biāo)攔截位置增加到一定的數(shù)值,當(dāng)攔截機(jī)速度下降到一定數(shù)值時(shí),直升機(jī)的前出距離沒有實(shí)數(shù)解,前出無意義。

與前面的分析過程類似,為了在直升機(jī)前出距離限制條件下保證前出距離有實(shí)數(shù)解,設(shè)置不同的直升機(jī)探測(cè)距離,得到多組直升機(jī)探測(cè)距離和艦隊(duì)攔截能力的關(guān)系曲面,從而得到直升機(jī)前出距離一定時(shí),目標(biāo)攔截位置、攔截機(jī)速度和直升機(jī)雷達(dá)探測(cè)能力的約束條件,其約束條件如圖7所示。

圖7 直升機(jī)探測(cè)距離與艦隊(duì)攔截能力的約束條件

上述各約束條件的分析對(duì)飛行試驗(yàn)方案的規(guī)劃具有很大的參考價(jià)值,我們可以根據(jù)艦載直升機(jī)預(yù)警/攔截引導(dǎo)模型為基礎(chǔ),仿真計(jì)算出當(dāng)直升機(jī)前出距離、指揮控制系統(tǒng)計(jì)算能力、我方攔截機(jī)出動(dòng)時(shí)間等試驗(yàn)條件一定的情況下,直升機(jī)探測(cè)能力、我方攔截機(jī)速度、目標(biāo)攔截位置、來襲目標(biāo)速度之間的關(guān)系,得出其相互約束條件,從而根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)指揮控制系統(tǒng)的試驗(yàn)方案,從準(zhǔn)備階段、預(yù)警階段、引導(dǎo)階段進(jìn)行試飛方案的規(guī)劃,科學(xué)、合理地配置各類試驗(yàn)資源,尤其是針對(duì)艦載直升機(jī)的探測(cè)能力和我方艦隊(duì)攔截能力,優(yōu)化匹配不同的來襲目標(biāo)類型,設(shè)計(jì)更多的試驗(yàn)點(diǎn),獲取更多的、更廣泛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

通過建立艦載直升機(jī)預(yù)警/攔截引導(dǎo)數(shù)學(xué)模型,對(duì)艦載直升機(jī)的前出距離、探測(cè)距離、攔截機(jī)速度、目標(biāo)攔截位置、來襲目標(biāo)速度之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,得出當(dāng)直升機(jī)前出距離一定時(shí),其他試驗(yàn)資源之間的約束關(guān)系,用于指導(dǎo)試驗(yàn)方案的規(guī)劃,對(duì)試驗(yàn)資源合理配置條件如下:

1)來襲目標(biāo)速度對(duì)目標(biāo)攔截位置的試驗(yàn)約束條件,目標(biāo)最大攔截位置隨著來襲目標(biāo)速度增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);

2)直升機(jī)探測(cè)距離與目標(biāo)攔截位置的試驗(yàn)約束條件,隨著目標(biāo)攔截位置距艦隊(duì)距離的增加,對(duì)艦載直升機(jī)的探測(cè)距離要求也相應(yīng)的增加;

3)直升機(jī)探測(cè)距離、攔截機(jī)速度與目標(biāo)攔截位置的試驗(yàn)約束條件,隨著目標(biāo)攔截位置距艦隊(duì)距離的增加,攔截機(jī)飛行速度的提高和直升機(jī)探測(cè)距離的提升起到相互補(bǔ)充的作用。