圆形浮标阵搜潜效能评估研究＊

2011-06-06 10:07谢振华程江涛

舰船电子工程 2011年12期

谢振华李林程江涛

（海军航空工程学院青岛分院青岛 266041）

1 引言

现代反潜作战中，声纳浮标作为一种重要的搜潜设备，因为具有布放速度快、探测（作战）区域广、阵形多样化等优点，成为各国海军重点发展的搜潜器材［1］。声纳浮标主要用于对水下目标进行大范围的搜索，通过逐步缩小对目标进行定位的范围来提高航空反潜效能［2］。目前，国外（如欧美、日本和俄罗斯）的声纳浮标搜潜装备、战术和技术体系都比较成熟，而我国在声纳浮标搜潜面起步较晚、发展较慢，存在较大差距。而且，国内对声纳浮标搜潜的相关研究主要集中在浮标布阵阵形的战术层面，在技术层面上比较重要的浮标阵形的搜潜效能评估面的研究相对较少。试图通过研究圆形浮标阵搜潜效能，为其他浮标阵搜潜效能的计算提供参考。

2 圆形浮标阵

声纳浮标阵的具体形式多种多样，归纳起来分为拦截阵、包围阵等［3］，又可以细分为直线阵、折线阵、弧线阵、星形阵、十字形阵、形阵、长形阵、圆形阵、椭圆形阵、螺旋阵等。其中，直线阵和圆形阵最简单也最有代表性，分别是线型浮标阵和包围型浮标阵的典型代表［4］。

图1 圆形包围浮标阵

圆形阵是将多枚声纳浮标一次布成圆形，包围潜艇可能存在的海域（见图1）。其布设以包围圈不留空隙为原则。圆形阵一般用于应召搜潜，它是在已知潜艇的概略位置，而不知道潜艇的运动向时使用［4］。圆形中心就是潜艇失去接触的位置。圆形阵的半径和所需浮标的数量，取决于反潜的综合反应时间和潜艇的战技性能和战术规避情况等因素。

3 发现概率

应召搜索时，考虑到潜艇可能以最大速度逃离，也可能采取机动规避，反潜直升机应布放圆形阵，把最大可能的脱离范围作为搜索区域，其发现概率计算公式为式（1）［7］。

式中：dfb为浮标战术作用距离；tss为反潜巡逻机搜索时间；N为浮标数量；Pwh为浮标技术完好率：Pjs为能接收到并能识别的概率；Syz为应召搜索的海区面积；R0为搜索开始时潜艇可能存在圆的半径。

该公式适合的条件是，从布放第一个浮标开始，到最后一个浮标停止工作，反潜巡逻机连续监听浮标阵中所有浮标，在浮标工作期间，假设潜艇以一定的航速运动，则一定能穿过浮标阵中的任何一个浮标。

浮标的作用距离、其技术完好率和接收识别率等对于不同的使用环境、不同的使用人员而言是变化的。计算时可以假设选取一定的经验数值。通常取Pwh＝0.9、Pjs＝0.8。

在实际作战或训练中，常常需要在发现潜艇概率一定的条件下，计算应布放浮标的数量：

式中：Pyq为要求的发现潜艇概率。

4 效能模型

4.1 评估条件

影响声纳浮标阵搜索效能的因素非常复杂。要建立效能模型，必须合理地进行一些假设，以进行必要的简化。

4.1.1 潜艇航行状态未知

潜艇的航行状态主要包括其航向和航速。航向未知，即潜艇可能采用任何航向。航速未知，即潜艇可采用任何可能的航速航行，但与航向的情况不同，在正常情况下，潜艇通常采用经济航速航行，航速有一个合理的范围。假设潜艇在浮标包围阵内航向、航速都会在一定的时间间隔内改变，这个时间间隔假设为Δt，大小为30min，潜艇的航向为［0，2π］内的随机值，航速为［Vmin，Vmax］内的随机值。

4.1.2 相邻浮标之间的搜索范围适当重叠

布设声纳浮标阵时，相邻浮标之间的间距是一个重要的战术指标。通常情况下，相邻浮标之间的间距要求小于2倍的浮标有效探测距离，使各浮标之间的搜索范围能适当重叠，从而保证整个浮标阵搜索范围的连续。对于圆形浮标阵来说，在满足这一前提条件的情况下，相邻浮标阵间距的具体取值虽然对浮标阵的整体搜潜效能有一定影响，但这一影响很小，可以忽略不计。

4.1.3 潜艇在圆形搜索区之内

当开始搜索时，潜艇有可能位于圆形搜索区以内，也可能位于圆形搜索区以外。但当潜艇位于圆形搜索区以外时，潜艇的分布范围非常大，声纳浮标阵的搜索概率极低，特别是在应召搜索时和跟踪丢失恢复接触时，一旦潜艇处于圆形搜索区域之外，圆形声纳浮标阵的搜索概率就几乎为零［11］。因此，为简化模型，只考虑潜艇在圆形搜索区之内的情况，这虽然会产生一定的系统误差，但这个误差对模型的精度影响很小。

4.2 评估模型

图2 圆形浮标阵布放图

假定反潜作战背景为已知潜艇的初始发现位置和时间，潜艇航向、航速未知。反潜直升机接到命令后前往潜艇初始发现海域执行应招搜潜任务，利用圆形浮标阵搜索潜艇。具体的参数为：以最后一次发现潜艇的位置为圆心，反潜直升机距潜艇初始发现点的距离D1，反潜直升机巡航速度Vhel；潜艇某时刻的坐标为（xsub，ysub）；声纳浮标数量N，有效作用距离r，各枚浮标的投放位置（xbuoyn，ybuoyn），n∈［1，N］为浮标标号，浮标间的夹角为Φ；反潜直升机从出发点位置到首枚浮标所需时间T1，向第n枚浮标飞行过程所需时间Tn；圆形阵半径R，潜艇初始发现位置与反潜直升机初始位置连线相对于正南方向的角度为γ1，第n－1枚浮标与第n浮标连线相对于正南方向的角度为γn。反潜直升机真实航速为Vrealn，圆形浮标阵的布阵过程如图2所示［11］。

声纳浮标的布放关键是要确定首枚浮标的投放位置（xbuoy1，ybuoy1）和圆形浮标阵的半径R［13］。为了减小浮标的布放时间，首枚浮标的位置应该选择布放在潜艇初始发现点与反潜基地的连线上。同时，圆形浮标阵的半径必须满足在所有浮标布放完毕前，即使潜艇以其最大机动速度规避也不能逃脱浮标阵的作战范围。基于这一原则，要求各浮标的投放位置（xbuoyn，ybuoyn）满足：

浮标阵半径R需满足：

代入相关参数后得：

即满足所有浮标布放完毕前，即使潜艇以其最大机动速度规避也不能逃脱浮标阵的最小半径R，为不等式（6）右边确定的值。将R代入式（4）可以确定（xbuoyn，ybuoyn）。

5 仿真分析

图3 潜艇机动示意图

仿真1：假设潜艇在一定范围内作不规律机动，且其运动方向、速度均为随机数，可以摸拟出潜艇在圆形浮标阵中某段时间内的运行轨迹如图3所示。可见，潜艇自身的机动对单一的圆形阵搜索效率有很大影响，假如潜艇沉入海底不做机动，单一圆形阵就很难发现。如果要在最短时间内搜索到潜艇，就需要在圆形阵中心布放1枚或数枚浮标，构成多层圆形阵，以提高搜索效率。

仿真2：假设海洋背景噪声级的变化范围为［10～110dB］，环境背景噪声级对单个声纳浮标作用距离和搜索概率的影响分别如图4、图5所示。可见，圆形浮标阵的作用距离和搜索效率在一定范围内受环境噪声级的影响较大，特别是大于40dB后搜索效率会迅速下降。