爆炸辅助的远程反潜预警系统及战术运用

王建国，鄂群，姚科明，门金柱，万新龙

(大连舰艇学院 水武与防化系, 辽宁 大连　116018)



爆炸辅助的远程反潜预警系统及战术运用

王建国，鄂群，姚科明，门金柱，万新龙

(大连舰艇学院 水武与防化系, 辽宁 大连116018)

根据远程反潜作战的需求，提出了一种以爆炸辅助的远程反潜预警系统的构想：该系统以小当量TNT爆炸产生的冲击波为声源，采用异地收发的方式，根据水听器接收到的直波和反射波的时刻，可对潜艇进行远距离探测定位。在分析系统原理的基础上，对系统的组成、战术运用进行了讨论，并总结了该系统的特点及其探测性能。研究结果表明：该系统具有探测距离远，搜索效率高，组织兵力简单等优点，可为编队远程反潜体系的建设提供参考。

海军战术学；远程反潜；爆炸辅助；异地收发；预警系统；战术运用

0　引言

随着我国综合国力日益增强，国家经济发展的安全利益已遍及全球。海军除需要加强对空中、水面力量的建设之外，还必须对独具海军特色的水下作战力量加强建设。重要海区与基地防御作战等对远距离水下核动力攻击性潜艇、常规动力潜艇威胁的预警探测定位是现代反潜战作战系统中的重要环节，也是海军当前装备发展中的一个比较薄弱的环节[1]。限于技术条件的限制，目前国内外海军的水下探测设备[2]，主动声呐作用距离在10 n mile左右，被动声呐作用距离可达主动声呐的2～3倍，但受海洋水声环境影响[3]，其可靠性(发现目标)不稳定。采用反潜巡逻机、反潜直升机可以提供远距离水下探测，但需要相当数量的飞机和声呐浮标，用比较长的作战时间，因为吊放声呐和声呐浮标水听器作用距离较小[4-5]。被动探测时，还受敌潜艇辐射噪声功率的影响。对于核动力潜艇和超静型常规动力潜艇，舰载声呐、吊放声呐和声呐浮标的作用距离，均无法提供先敌发现的可能。即使有了大射程反潜武器，由于缺乏对远距离水下潜艇的有效探测定位手段，也难以实现对远距离敌潜艇的精确打击[6]。爆炸辅助的远程反潜预警系统，有望提供对水下远距离潜艇的可靠有效的探测定位信息，为对敌水下远程潜艇的精确打击提供及时可靠的保障，同时，可对敌潜艇产生震慑作用。

1　远程反潜预警系统原理

理论和实践经验证明，水声探测器是对水下目标探测的有效工具，现实的探测方法是基于主动或被动方式工作的声呐设备[2，5]。远程反潜预警系统以小当量炸药爆炸装置为声源，利用水听器被动接收方式组成相当于异地收发功能的水声探测系统。相对于常规水下声呐产生的声波，小当量炸药爆炸产生的声波具有以下特点[7]：一是爆炸产生的声波能量大；二是爆炸产生的声波能量大小可控；三是爆炸产生的能量包含的频谱范围广。但是，同时由于爆炸持续时间有限，因此，远程反潜预警系统对潜探测预警是间断式的，而不是连续式的。远程反潜预警系统爆炸产生的声波通过2条路径被水听器探测到：一条路径是由爆炸点D直接传到水听器A(水面舰艇)的直波，另一条是由爆炸点D经目标潜艇M反射后再传到水听器A的反射波，如图1所示。水听器根据接收到直波和发射波的时间，根据声呐方程[5]和解析几何二次曲线的特性，可知M点位于以A，D为2焦点的椭圆上。

图1　爆炸点声波传播示意图Fig.1　Acoustic propagation of explosion point

同理，如果再增加1个水听器B或2个水听器B，C(可为水面舰艇，也可为舰载直升机的吊放声呐或布放的声呐浮标)，可组成两站式定位系统(图2)或三站式水听器(图3)所示，这里以两站式水听器为例说明定位原理。利用M到达A，B的时间特性，可以计算出DM+MA；DM+MB；MA-MB，根据解析几何二次曲线的特性，目标M点应分布在以下3条轨迹曲线上：

(1) 以D，A2点为焦点的椭圆，椭圆上任一点M至A，D2点的距离和为DM+MA；

(2) 以D，B2点为焦点的椭圆，椭圆上任一点M至B，D2点的距离和为DM+MB；

(3) 以A，B2点为焦点的双曲线，双曲线上任一点M至A，B2点的距离和为MA-MB。

图2　两站式定位原理示意图Fig.2　Principle of two-station positioning

求解以上3条曲线的公共交点就是M点的唯一解，由此可得目标点的位置坐标。

图3　三站式定位原理示意图Fig.3　Principle of three-station positioning

由于在相同误差情况下，圆交汇的定位精度要高于双曲线[8]。因此在选择定位方法时，可优先选用椭圆交叉定位方法， 双曲线定位方法可作为辅助方法。在两站式定位系统中，由于只能确定2个椭圆((1)，(2)所述)，而2个椭圆的交点可能有多个(2个、4个)，可以通过海区实际情况或增加一条双曲线((3)所述)来进一步确定潜艇位置。同时也可通过进一步调整爆炸点D或水听器A，B的位置，再次进行探测，增加远程反潜预警系统对目标的探测精度和能力。

2　远程反潜预警系统组成

根据系统定位原理，以两站式爆炸回声探测定位系统为例，其结构原理框图如下图4所示。

A，B两站水听器探测直波、反射波并进行预处理，机动位置由指挥控制系统统一指挥控制工作状态。指挥控制系统、求解定位信息处理系统可以与A，B站水听器平台组合在一起，例如，A，B站为水面舰艇或反潜飞机时。

爆炸声源D为浮标，可用反潜飞机或直升机在指挥控制系统协调下适时布放。由指挥系统预置布放位置、时间、深度和控制引爆时间。

在指挥控制中心统一时标指令控制下， 爆炸装置在t0时刻于D点上起爆，产生强大的水声超声波，以球面波方式[6]向外扩展传播。A，B两站分别在ta，tb时刻收到由D直接传来的声波； 同时， 爆炸

冲击波到达目标M后，从M产生反射波，在tdma，tdmb时,A，B收到由M反射来的声波。A，B两站在收到直波和反射波后进行相关分析和对时间特性进行识别预处理，用专用频率通信链路将预处理信息送向指控系统的水声信息数据处理中心，可求得M的位置，然后再将目标位置信息传送给作战中心。

从上述分析中可以看出，A，B两水听器相对于爆炸声源的位置影响系统的探测和定位性能，因此，水听器与爆炸声源的相对态势信息是系统使用首先要考虑的问题；同时，系统的搜索范围、定位范围以及对应的搜索和定位精度[9-11]也是影响系统应用的重要影响因素。如何配置水听器和爆炸声源的位置，是系统战术使用的一个重要考虑因素，也是系统性能需要进行验证的一个重要内容[12-13]。

3　远程反潜预警系统战术运用

根据反潜作战任务与敌情信息，确定敌潜艇可能分布海区或需要对潜搜索清扫的海区，为节省兵力兵器，优先选用两站式定位方式进行作战规划，如图4所示。

取搜索海区中心作为爆炸回声探测作业的基准点，即爆炸点D取敌可能威胁方向(威胁方向不明时可取正北方向)作为定位基准方向。根据清扫定位海区选取主站A与海区中心点(炸点)D的距离AD，按AD的大小选取在D点水下爆炸所需的炸药当量(即相当于声呐发射声源级的功率)，按态势控制要求，将反潜舰A，B展开机动至定位作业基准方向两侧，若只有一艘反潜舰，则B可以用直升机或无人机投放一个声呐浮标， 在D点投放炸药也可用直升机或无人机遥控实施。炸药包投放深度应由反潜舰上的温深探测仪实测水声声道的深度分布情况而定。

图4　两站式爆炸回声探测定位系统方框图Fig.4　Block diagram of two-station type explosive echo detection and location system

在主站A统一的时标协调控制下，D点炸药包起爆，产生强大的水下冲击波(声源脉冲波)。脉冲波按全向球面波方式传播，借助水下通道可以远距离传送至A，B和M(目标)，A，B的水听器(声呐接收器)可以先接收到D点传来的直达声波，然后又可以收到由M点反射来的目标发射回波。利用直波和反射波之间的时差关系，可以提取M点的分布轨迹——以A，B作基线的双曲线和以AD，BD为焦点距离的椭圆曲线，经软件数学处理可以求解出双曲线与椭圆的公共交点M(目标点)。

由于炸药爆炸冲击波脉冲远大于普通大型舰载声呐的发射声脉冲强度，这种利用异地收发的水声探测定位距离要远大于舰载声呐。这种爆炸回声测距定位法，可探测的目标距离的理论值可到320 km，研究开发爆炸回声探测定位系统，对海军装备形成对远程水下目标的精确打击能力具有重要的现实意义[3]。

4　远程反潜预警系统性能分析

为便于快速准确地探测发现分布在广大海区内的敌水下潜艇目标。在对敌情分析评估预测条件下，需要合理组织反潜搜索兵力科学实施，用爆炸回声探测技术对目标散布区域进行有效的、无遗漏搜索，并对发现目标进行精确定位，以便反潜攻击兵力及时对敌潜艇进行近距离补充侦察确认后实施精确打击。

实施爆炸回声探测定位的最基本也是最有效的系统结构为两站式探测定位系统，其典型态势如下图5所示。

图5　两站式探测定位态势图Fig.5　Two-station positioning situation map

给定A，B单站水听器的最大有效侦听半径R，A，B均采用全向被动工作方式。基于优化搜索定位要求，爆炸点D预定位于目标M的散布中心，A，B两站按D点为原点向搜索主航向(主轴)两侧对称布放，并取AD=BD=r0， 不小于敌潜艇的攻击威胁距离。AD，BD与主轴之间的夹角为β。AD，BD，AB各站点之间的战术导航距离应小于相互观察导航通信的最大距离，以确保可靠有效的指挥控制。

A，B的单站搜索区：在各自的搜索半径R范围内均可以发现目标M，但不能对M进行定位[14-15]。

A，B两站的重合覆盖的搜索区：两站协同定位区，在覆盖区内不仅可同时发现目标M，还可对目标M进行定位[14-15]。

两站协同搜索区正面横向最大宽度

Bs=2(R+r0sinβ).

两站协同搜索区主轴方向最大纵深

Ls=2R.

两站协同定位区正面横向最大宽度

Bt=2(R-r0sinβ).

两站协同定位区主轴方向最大纵深

搜索区总面积：

定位区总面积：

根据不同的R，r0，β=45°时两站协同探测定位时的搜索定位能力如表1所示。

从Bs，Bt可以看到，它们是r0sinβ的敏感参数，增大Bs时，Bt将减小， 应当根据目标散布尺寸，合理选择Bs，Bt相互比例，适当决定r0，β的数值。

表1不同r0，β=45°时两站协同探测定位时的搜索定位能力

Table 1　Ability of cooperative detection of search and location of two stations when β=45° for different r0

若发现目标M不在定位区时，应及时控制A，B两站机动或在发现目标的水听器和目标较近的距离处补投一个水听器C，使C站能与已发现目标的水听器同时覆盖M点，形成对目标的二站探测定位能力。

当A，B两站探测覆盖区小于目标散布时，应对目标散布区按探测覆盖区无缝拼接要求合理控制A，B搜索机动，形成逐次扩展搜索定位区，直至探测完整个目标散布区。

在典型战术条件下，潜艇通常采用单艇作战，其作战活动范围一般不小于敌潜艇武器最大攻击距离的2倍加上待机搜索攻击机动航程。

A，B两站的布放态势，可以按战术任务要求来选择：

(1) 以搜索为主时，应取Bs=2(R+r0sinβ)尽可能大，此时应取β大一些为好，r0大一些为好。

(2) 以定位为主时，应取Bt=2(R-r0sinβ)尽可能大，此时应取β小一些为好，r0小一些为好。

(3) 搜索与定位兼顾时，应取适中的β，r0值，例如取β=45°，r0=30～40 km。

5　结束语

爆炸水声辅助的远程反潜预警系统具有探测范围大、搜索效率高、兵力组织简单等特点，可有效提高区域反潜能力，同时可为远程反潜武器提供目标指示。本文在理论上对构想的远程反潜预警系统及战术使用进行了初步的分析研究，但是由于实际海洋环境的复杂性[6]，其实际的探测性能还需要进一步的验证。

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Early Warning System of Antisubmarine Based on Detonation Assistant and Its Tactics Application

WANG Jian-guo，E Qun， YAO Ke-ming，MEN Jin-zhu，WAN Xin-long

(Dalian Naval Academy,Department of Underwater Weaponry and Chemical Defense,Liaoning Dalian 116018，China)

According to the demand of long-range anti-submarine warfare, a conception of early warning system of anti-submarine with the aid of remote detonation is put forward: with the wave source of the small equivalent TNT explosion shock and in the way of remote transceiver, the system can implement the remote detection and location of submarine, according to the moment when the hydrophone receives direct waves and reflected waves. Based on the analysis of the principle, the composition and tactics application of the system are discussed. The results show that: the system has the characteristics of long detection distance, high search efficiency and simple troop organization. Therefore, this research can provide

for the long-range anti-submarine system of ship formation.

naval tactics knowledge; longrange antisubmarine; detonation assisted; remote sending and receiving; early warning system; tactics application

2015-04-16；

2015-10-15

国家自然科学基金(60975016；61002052；61273262)；海军大连舰艇学院科研发展基金资助项目;海军大连舰艇学院“2110工程”三期建设资助项目

王建国(1981-)，男,浙江绍兴人。讲师,博士,研究方向为舰载直升机作战。

通信地址：116018辽宁省大连市中山区解放路667号E-mail： wangjianguo1981@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.003

E925；E843

A

1009-086X(2016)-04-0013-05