盧清亮，王雪仁，郭峰

(中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161)

0 引 言

隨著軍事科技的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭正加快向信息化和智能化發(fā)展，其中一個明顯標志是多種無人裝備列裝[1]。在水下作戰(zhàn)空間，水下無人航行器受到各國關注，逐漸發(fā)展成為一支獨特的作戰(zhàn)力量。集群協(xié)同是無人裝備的重要使用方式[2]，水下無人航行器集群搜潛可有效支撐體系反潛能力提升。本文首先對水下無人航行器執(zhí)行集群搜潛任務進行分析，提出多種可能的組網模式、搜索路徑；基于裝備效能評估一般流程[3]，制定作戰(zhàn)海域、海洋環(huán)境、雙方企圖等背景條件，之后假定雙方的部分目標特性，利用經典聲學傳播損失模型和聲吶探測模型，計算得到不同航速下的探測效能；基于效能仿真評估系統(tǒng)，采用蒙特卡洛法大樣本計算，對水下無人航行器集群搜潛效能進行建模分析，給出了不同使用策略下的搜潛效能。

1 集群搜潛任務分析

1.1 組網模式

無人集群通過多個無人個體協(xié)作完成既定任務，具有智能化、高效能和低成本的特點，可根據任務設定選擇多種組網模式。假定某集群搜潛任務共派遣8 個水下無人航行器，每個水下無人航行器最多可對鄰近2 個進行通信，即可組成節(jié)點數為8、每個節(jié)點最多2 條連接邊的集群網絡。該網絡可以是“環(huán)”型組網、“隊”型組網、“團”型組網、“串”型組網等類型，如圖1 所示。

圖 1 水下無人航行器搜潛路徑示意圖Fig. 1Schematic diagram of UUV networking

水下無人航行器按照設定的組網模式執(zhí)行搜索任務，其中每個網絡節(jié)點與鄰近的網絡節(jié)點距離需保持在可通信范圍內。

1.2 搜索路徑

由于潛艇的高度隱蔽性，水下無人航行器一般設置在固定區(qū)域或航線內，通過機動形成搜索幕或搜索帶，用以發(fā)現(xiàn)和封堵潛艇。在搜索區(qū)域一定情況下，搜索路徑存在多種形式（見圖2），分別列舉了“弓”字形、“回”字形、“之”字形3 種搜索路線。

圖 2 水下無人航行器組網示意圖Fig. 2Schematic diagram of UUV searching submarine path

2 集群搜潛效能評估流程

水下無人航行器集群搜潛效能評估結論應在確定的作戰(zhàn)場景及裝備體系背景下得出[4]。因此，為達到效能評估目的，應充分發(fā)揮動態(tài)模擬仿真方法優(yōu)勢，建立較精細的水下裝備隱身模型、探測模型及目標特征傳播模型。對天氣模型、指揮關系模型、行為模型等應以接近真實作戰(zhàn)態(tài)勢為目標，在保證結果可信度的前提下，采用盡可能簡化的數學模型，以減小建模難度與仿真系統(tǒng)運行負荷。根據作戰(zhàn)效能評估的典型流程，水下無人航行器集群搜潛效能評估流程如圖3所示。

評估步驟主要有：

1）首先根據效能評估目的，設定作戰(zhàn)背景、雙方企圖、雙方兵力構成、兵力部署態(tài)勢、海戰(zhàn)場環(huán)境、雙方行動方案等內容；

2）根據裝備實體功能性能、行為邏輯等參數和裝備體系指揮關系、通信關系等作戰(zhàn)構成，建立平臺組件、傳感器組件、通信組件、目標特性組件、行為組件等多個組件，再由不同組件構成不同的裝備實體和戰(zhàn)場關系，建立作戰(zhàn)仿真模型；

3）基于效能仿真評估系統(tǒng)開展大樣本仿真計算，提取仿真結果，給出評估結論。

3 集群搜潛想定

3.1 任務背景

藍方派遣1 艘潛艇向紅方關鍵海域機動，意圖對紅方實施抵近偵察。獲取藍方意圖后，紅方派遣若干水下無人航行器，赴指定海域執(zhí)行區(qū)域搜潛任務，雙方部署態(tài)勢如圖4 所示。任務海域海底地形平坦，不考慮底質變化、表面風浪對聲傳播的影響，聲速剖面如圖5 所示。紅方水下無人航行器發(fā)現(xiàn)藍方潛艇后，即通知相鄰友方兵力，搜潛任務成功。若任務全程未發(fā)現(xiàn)藍方潛艇，即搜潛任務失敗。

圖 3 水下無人航行器集群搜潛效能評估流程Fig. 3Evaluation process of UUV cluster search efficiency

圖 4 雙方部署態(tài)勢Fig. 4Deployment situation of both sides

圖 5 任務海域聲速剖面Fig. 5Sound velocity profile in the mission area

3.2 裝備性能參數假設

水下無人航行器單平臺搜潛主要影響因素有機動能力、隱身能力、探測能力和通信能力。其中，機動能力需考慮續(xù)航力、航速、潛深等；隱身能力主要考慮聲隱身性能，包括輻射噪聲[5]和聲目標強度；探測能力主要考慮發(fā)射聲源級、探測頻率、檢測閾、接收陣增益等；通信能力主要考慮水聲通信距離。假定任務全程雙方均使用被動聲吶，構成集群的每個水下無人航行器性能相同。假設水下無人航行器航速為3～5 kn，藍方潛艇航速為8 kn，藍方潛艇被動聲吶性能優(yōu)于水下無人航行器，水下無人航行器輻射噪聲性能優(yōu)于藍方潛艇。

在設定的海洋背景下，利用經典聲學傳播損失模型和聲吶探測模型計算各兵力探測效能。結果顯示，在各個方向解析得到的聲傳播損失量基本近似，任選一個方向，獲得不同航速下各兵力探測概率與距離的關系，如圖6 所示。

圖 6 不同航速下水下無人航行器和藍方潛艇的探測概率Fig. 6Detection probability of UUV and submarine at different speeds

3.3 實驗工況

考慮不同組網模型、搜索路徑、兵力數量、航速等實驗變量，設定22 種仿真實驗工況見表1。

3.4 搜潛效能指標設計

以不同使用策略時水下無人航行器對藍方潛艇的首先發(fā)現(xiàn)概率為搜潛效能指標，計算方法為：

4 仿真結果分析

基于效能仿真評估系統(tǒng)，對22 種實驗工況進行了建模與仿真計算。以8 節(jié)點“環(huán)”形組網模式為例，建立不同搜索路徑的仿真模型如圖7 所示。

通過仿真計算，獲得不同實驗工況下水下無人航行器對藍方潛艇的首先發(fā)現(xiàn)概率，如表2 所示。

根據仿真計算結果，分析如下：

表 1 水下無人航行器集群搜潛仿真實驗工況Tab. 1Simulation test conditions of UUV cluster search

圖 7 “環(huán)”形組網模式下不同搜索路徑仿真模型Fig. 7Simulation model of different search paths in“ring” networking mode

表 2 不同工況仿真計算結果Tab. 2Simulation results of different working conditions

1）總體分析

在設定背景的22 種實驗工況中，平均搜潛效能達到了0.69，即水下無人航行器對藍方潛艇的首先發(fā)現(xiàn)概率達到了0.69。其中，水下無人航行器采用“團”型組網模式、航速3 kn、“之”字形搜潛路徑時效能最優(yōu)，為0.98；水下無人航行器采用“團”型組網模式、航速5 kn、“之”字形搜潛路徑時效能最優(yōu)，為0.98；水下無人航行器采用“環(huán)”型組網模式和“回”字形搜潛路徑時效能最差，為0.26。

2）不同組網模式搜潛效能分析

當水下無人航行器數量為8 個、航速為5 kn 時：

“環(huán)”型組網模式平均搜潛效能為0.41，其中“弓”字形搜潛效能最優(yōu)，“回”字形搜潛效能良好，“之”字形搜潛效能較差；

“隊”型組網模式平均搜潛效能為0.46，其中“弓”字形搜潛效能較差，“回”字形搜潛效能良好，“之”字形搜潛效能最優(yōu)；

“團”型組網模式平均搜潛效能為0.65，其中“弓”字形搜潛效能最優(yōu)，“回”字形搜潛效能較差，“之”字形搜潛效能良好；

“串”型組網模式平均搜潛效能為0.69，其中“弓”字形搜潛效能良好，“回”字形搜潛效能較差，“之”字形搜潛效能最優(yōu)；

可以看出，在設定背景下，4 種組網模式種，“串”型組網模式下的搜潛效能最高；不同搜潛模式下，采用不同搜索路徑表現(xiàn)的搜潛效能差別較大。

3）不同搜潛路徑效能分析

當水下無人航行器數量為8 個、航速為5 kn 時：

“弓”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.61，其中“環(huán)”型組網模式搜潛效能較差，“隊”型組網模式搜潛效能最差，“團”型組網模式搜潛效能最優(yōu)，“串”型組網模式搜潛效能較優(yōu)；

“回”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.42，其中“環(huán)”型組網模式搜潛效能最差，“隊”型組網模式搜潛效能較優(yōu)，“團”型組網模式搜潛效能較差，“串”型組網模式搜潛效能最優(yōu)；

“之”字形搜潛路徑平均搜潛效能為0.64，其中“環(huán)”型組網模式搜潛效能最差，“隊”型組網模式搜潛效能較優(yōu)，“團”型和“串”型組網模式搜潛效能最優(yōu)。

4）搜潛效能與水下無人航行器數量的關系

根據計算結果，得到“環(huán)”型和“串”行組網模式以5 kn 航速進行搜索時，搜潛效能隨著水下無人航行器數量變化關系如圖8 所示。

可以看出，“環(huán)”型或“串”型組網模式下，搜潛效能隨著水下無人航行器數量的增加而增加，增加速率隨數量的增加而降低。

5）不同搜潛速度效能分析

由仿真計算結果可以看出，當水下無人航行器的數量、組網模式和搜索路徑相同時，3 kn 航速的搜潛效能高于5 kn 航速。其中，“環(huán)”型組網模式搜潛效能提升140%，“隊”型組網模式搜潛效能提升63.3%，“團”型組網模式搜潛效能提升21.8%，“串”型組網模式搜潛效能提升23.1%。

圖 8 水下無人航行器數量Fig. 8Relationship between submarine search efficiency and number of UUV

5 結 語

本文基于效能仿真評估系統(tǒng)，考慮水下無人航行器組網模式、搜索路徑、數量、航速等參數變化，對提出的22 種實驗工況進行了建模與仿真，對計算結果開展了多維度分析，得到以下結論：

1）在設定背景下，提出的22 種搜索方案的平均搜潛效能達到了0.69，水下無人航行器集群是一種有效的搜潛方式；

2）組網模式的優(yōu)劣性和搜索路徑的優(yōu)劣性需要在一定背景下進行判斷，根據實驗結果，兩項參數的優(yōu)劣性沒有固定的規(guī)律；

3）選擇有利探測航速時，雖然一定時間內航跡覆蓋范圍減小，最終的搜潛效能不一定降低。在本文的設定背景下，由于單個水下無人航行器的探測效能增加，速度降低時搜潛效能反而增加。

本文設定了固定的海洋背景環(huán)境和戰(zhàn)術行動方案，對實際環(huán)境進行簡化。從仿真過程與計算結果可以看出，水下無人航行器集群戰(zhàn)術選擇具有多樣性，指揮員在制度水下無人航行器集群使用策略時，需要根據作戰(zhàn)海域環(huán)境、雙方裝備性能、作戰(zhàn)目的等多種因素進行綜合決策。