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指挥控制与仿真

指挥控制与仿真 >

2017 , Vol. 39 >Issue 6: 26 - 29

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.006

理论研究

航母编队航渡阶段中程防空哨舰预警探测与防空效能模型

  • 于括 1, 2 ,
  • 赵国艳 3
展开
  • 1.92941部队96分队, 辽宁 葫芦岛 125000
  • 2.海军航空大学, 山东 烟台 264001
  • 3.91550部队, 辽宁 大连 116000

于括(1988-),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,研究方向为作战运筹分析。

赵国艳(1965-),女,高级工程师。

收稿日期: 2017-09-16

  修回日期: 2017-10-12

  网络出版日期: 2022-05-09

收起

EW and Air-Defense Efficiency Mathematic Model of Medium-Range Air-Defense Ship in Navigating Phrase of Aircraft Carrier Formation

  • YU Kuo 1, 2 ,
  • ZHAO Guo-yan 3
Expand
  • 1. PLA 96 Division of 92941 Unit, Huludao 125000
  • 2. Naval University of Aeronautics, Yantai 264001
  • 3. PLA 91550 Unit, Dalian 116000, China

Received date: 2017-09-16

  Revised date: 2017-10-12

  Online published: 2022-05-09

Fold

摘要

航母编队在航渡过程中,中程防空哨舰是防空作战的重要单元,具备中远程高空探测和对空拦截作战能力。分析了中程防空哨舰在航渡阶段防空作战中的阵位配置问题,区分对敌航空兵力和反舰导弹两种情况,分析了影响中程哨舰预警探测能力和拦截效能的因素,分别建立了战斗能力模型。利用Matlab仿真了相关因素变化时中程哨舰预警探测能力和拦截效能的变化规律,验证了模型的适用性。

关键词： 航母编队; 中程防空哨舰; 阵位配置; 预警探测; 防空效能

本文引用格式

于括 , 赵国艳 . 航母编队航渡阶段中程防空哨舰预警探测与防空效能模型[J]. 指挥控制与仿真, 2017 , 39(6) : 26 -29 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.006

Abstract

During the navigation period of the aircraft carrier formation, the air-defence-guard ship is an important unit which has intermediate-range aerological sounding and air interceptor combat capability. This paper analyses the position configuration problem of the air-defence-guard ship during the air defense operation of navigation period, The similarities and differences of the position configuration model are distinguished emphatically between the enemy air forces and anti-ship missiles. The combat models are set up to research the factor of the detection and interception capability of the air-defence-guard ship. The different variable’s impact on the detection and interception probability is analysed. This paper uses MATLAB to simulate the change regulation factors of early warning detection ability and intercept air-defence-guard,and verifys the applicability of the model.

Key words： aircraft carrier formation; air-defence-guard ship; position configuration; interception detection; early warning; air-defense efficiency

中程防空哨舰是航母编队航渡阶段防空作战的重要武器平台。它既可以通过对空搜索雷达、超视距雷达,对来袭兵力远程预警探测,充当航母编队的早期预警系统;又具有很强的防空反导能力,可以在中远程对来袭的航空兵和反舰导弹进行拦截抗击。通过中程防空哨舰合理的战法研究和阵位配置,可以很大限度地提升航母编队的预警探测和防空作战能力。
航母编队防空作战,主要的防御目标是敌方航空兵以及各种平台(水面舰艇、航空兵、岸基导弹部队、潜艇等)发射的远程反舰导弹。航母编队对空防御作战采取舰空结合、远近结合和软硬结合的方式,构建以航母为核心的大纵深、多层次和有重点的对空防御体系。按照防空武器的作用范围,通常将编队的对空防御体系划分为远程、中程和近程三个区域,中程防空作战主要由具有区域防空作战能力的防空哨舰来承担[2],配置在主威胁轴方向[3]并适当前出,负责航渡阶段中远程的防空作战。

1 影响防空哨舰预警探测和防空效能的因素和战绩指标

影响预警探测和防空效能的因素有三个。
1)前出距离:前出距离是防空哨舰前出阵位到航母的直线距离,用Dsq表示。前出距离主要受敌我态势、通信能力和作战要求等因素的影响。
2)探测距离:通常情况下按雷达视距确定其探测距离:
Dst=4.12 h 1 + h 2
其中,h1为中程防空哨舰雷达高度,h2为敌防空兵突袭高度[4]。
3)威胁扇面:是指敌空袭兵力兵器可能的来袭方向与航母编队的环形防空体系交出的扇面区域。
中程防空哨舰防空作战预警探测和防空效能的战绩指标为
1)预警概率:中程防空哨舰探测到雷达预警范围内的来袭目标并向编队发出预警信号的概率。
2)有效预警概率:成功引导舰载航空兵对预警范围的来袭航空兵在截击线前进行至少一次拦截的概率。
3)拦截概率:在防空哨舰最大航路捷径内,有效拦截来袭目标的概率。

2 对航空兵战斗能力模型

敌航空兵突袭应分两种情况考虑,如图1所示。
图1 防空哨舰的对空拦截抗击能力
1)当敌航空兵出航后不再进行航路规划,到达空舰导弹最大射程后(图中小圆所示)即发射空舰导弹返航,此时威胁扇面是敌航空兵最大作战半径R和截击线所交弧对应的扇面。
在△EOOd中由余弦定理可得:
∠EOOd= a r c c o s D j j 2 + D d w 2 - R 2 2 D d w · D j j R ≤ D d w 2 - D j j 2 a r c s i n D j j D d w R > D d w 2 - D j j 2
对应的威胁扇面角为
ϑ1=2∠EOOd。
2)当敌航空兵出航后进行航路规划,以形成多方向攻击态势,此时敌航空兵飞行路线,从Od飞至B点后转向E点发射反舰导弹沿OOd返航。当OdB+BE+OdE=2R时,扇面角∠BOOd取最大值:
在△BOOd中,由余弦定理:
cos∠BOOd= B O 2 + O O d 2 - B O d 2 2 B O · O O d
同理在△EOOd中,
cos∠BOOd= B E 2 + O O d 2 - O d E 2 2 B E · O E
BE+BOd+OdE=2R
约束条件临界值:
Rmax=0.5 D d w 2 - D y j 2 + D d w 2 - D j j 2 + D y j - D j j
小于临界值时,由式(1)~(3)可得威胁扇面角的隐函数:
f ∠ B O O d=0
大于临界值时,威胁扇面角的隐函数:
D d w 2 - D j j 2+ D d w 2 + D j j 2 - 2 c o s a r c o s D y j D d w + a D d w D y j+a·Dyj+Dyj-Djj=2R
可表示为
g a=0
对应的威胁扇面角为
ϑ2= 2 f - 1 ∠ B O O d R ≤ R m a x 2 a r c c o s D y j D d w + g - 1 a R > R m a x
ϑ=max (ϑ1,ϑ2)
其中,Dyj为前出哨舰最小预警距离;Ddw为敌我距离;Djj为敌空舰导弹最大射程;Dlj为中程防空哨舰最大航路捷径。
预警扇面角是指敌方航空兵在我预警扇面范围内,我防空哨舰能够对其进行探测跟踪,但在扇面内,防空哨舰只能对部分区域内的目标进行拦截,如图1中DOD'所对应扇面区域Ⅲ,在△HOOs中:
∠HOOs=arcsin D s t D s q
故预警扇面角为
δ= 2 a r c s i n D s t D s q D s t ≤ D s q 2 π D s t > D s q
有效预警扇面是指防空哨舰的探测圆和航母编队的最小预警距离相交的扇面,如图1中∠AOA'对应的扇面区域Ⅰ,在该扇面内防空哨舰既可以探测和拦截敌来袭兵力,又可以引导我舰载航空在敌航空兵发射空舰导弹前进行至少一次拦截。在△AOOs中:
∠AOOs=arccos D y j 2 + D s q 2 - D s t 2 2 D y j D s q
则有效预警扇面角为
θ= 2 a r c c o s D y j 2 + D s q 2 - D s t 2 2 D y j D s q D s t ≤ D y j + D s q 2 π D s t > D y j + D s q
拦截扇面是指敌方航空兵在我方拦截范围内,我防空哨舰能够对其进行拦截的扇面,如图1中∠COC'对应的扇面区域,我防空哨舰对来袭航空兵或其发射的反舰导弹均可进行拦截,但在扇面区域Ⅱ中,防空哨舰预警信息不能引导舰载战斗机进行拦截,在△GOOs中:
∠GOOs=arcsin D l j D s q
故拦截扇面角为
σ= 2 a r c s i n D l j D s q D l j ≤ D s q 2 π D l j > D s q
假设敌在威胁扇面内的突击概率服从概率密度函数为f x的某种分布,综上所述:
防空哨舰前出后对空袭目标的预警概率为
P1= ∫ - δ 2 δ 2 f x d x · P s t x < ϑ m a x P s t x ≥ ϑ m a x
防空哨舰前出后对空袭目标的有效预警概率为
P2= ∫ - θ 2 θ 2 f x d x · P s t x < ϑ m a x P s t x ≥ ϑ m a x
防空哨舰前出后对空袭目标的拦截概率为
P3= ∫ - σ 2 σ 2 f x d x · P l j x < ϑ m a x P l j x ≥ ϑ m a x
其中,Pst防空哨舰的探测概率;Plj防空哨舰的拦截概率。

3 对反舰导弹战斗能力模型

对反舰导弹的战斗能力计算不同于对航空兵。反舰导弹发射后不需要考虑返航问题,飞行距离取决于导弹最大航程;反舰导弹机动能力有限,发射后即使能够进行航路规划,其转向次数有限且转向角一般不大于90°;综上所述,抗击反舰导弹的模型更近似于椭圆模型,如图2所示。
图2 防空哨舰的对空拦截抗击能力
按照航路规划角度不超过90°的原则和椭圆态势关系,在敌导弹进行一次航路规划的情况下,敌发射平台、防空哨舰和来袭导弹满足:
O B 2 + A B 2 = O A 2 O B + A B = D d s O A = D d w
则
OB= D d s - 2 D d w 2 - D d s 2 2
从而可计算出威胁扇面角:
ε=2arccos D d s - 2 D d w 2 - D d s 2 2 D d w
其中,Dds敌反舰导弹的最大射程;Ddw敌反舰导弹距我航母距离。
在△OEO'中,O'E为防空哨舰防空导弹的最大航路捷径,则防空哨舰最大拦截扇面角:
φ=2sin D l j D s q
所以防空哨舰前出后对反舰导弹的拦截概率:
P4= ∫ - φ 2 φ 2 f x d x · P l j x < ε m a x P l j x ≥ ε m a x

4 仿真分析

1)来袭兵力为航空兵
假设来袭敌航空兵力呈均匀分布基本参数如表1所示,仿真所用参数部分来自公开装备的基本参数和想定作战的模拟数据。用Matlab仿真分析前出距离对中程防空哨舰战斗能力的影响。
表1 仿真基本参数参考值
基本参数 参考值
敌我距离/km 1000
敌航空兵最大作战半径/km 1100
敌航空兵飞行高度/m 2000
敌航空兵巡航速度/(km/h) 900
敌空舰导弹最大射程/km 200
敌空舰导弹速度/Ma 0.8
我航空兵巡航速度/(km/h) 1100
舰载雷达高度/m 25
哨舰的单舰理论探测概率 0.9
哨舰的单舰理论拦截概率 0.7
空空导弹最大射程/km 50
航空兵起飞时间/s 90
将仿真参数代入上述公式,由Matlab仿真得到结果如图3所示。
图3 阵位配置对抗击航空兵作战的影响
仿真结果:中程防空哨舰的预警距离随阵位配置前出距离增大,有效预警概率先增大后减小,预警概率和拦截概率逐渐较小。
2)来袭兵力为反舰导弹
假设来袭反舰导弹呈均匀分布,我防空哨舰可对来袭导弹进行至少两次抗击。用Matlab仿真基本参数如表2所示,分析在不同前出距离中程防空哨舰的战斗能力。
表2 仿真基本参数参考值
基本参数 参考值
敌我距离/km 600
敌舰舰导弹最大射程/km 800
敌舰舰导弹巡航高度/m 50
敌舰舰导弹巡航速度/Ma 0.9
敌空舰导弹最大射程/km 200
我舰空导弹飞行速度/Ma 1.5
将仿真参数代入上述公式,由Matlab仿真得到结果如图4所示。
图4 阵位配置对抗击反舰导弹作战的影响
仿真结果:中程防空哨舰对反导拦截概率随前出距离增大而减小。
结论:从仿真结果看,中程防空哨舰的前出距离不存在全局最优解,但是可以根据作战目的和战场态势找到相对较优解,中程哨舰的阵位配置并不固定,要根据战场态势和作战目标实时调整和优化。

5 结束语

中程防空哨舰兼备对空预警探测和火力打击能力,在航母编队防空作战中变化阵位配置应对不同的战场态势,提高防空作战效能。本文针对来袭航空兵和反舰导弹,分别建立了数学模型和仿真结果,从仿真结果计算可以看出阵位配置不同和来袭目标不同会影响编队的防空作战效能。因而在实际作战中针对不同的敌我态势,可以找到相对最佳的阵位配置,为航母编队航渡阶段防空系统的阵位配置优化提供理论基础。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
徐圣良, 王振波, 吴晓锋, 等. 航母编队航渡过程中防空哨舰阵位确定方法研究[J]. 指挥控制与仿真, 2007, 29(4):54-58.

[2]
沈治河, 朴成日. 航渡中航母编队基于区域防御警戒舰阵位配置[J]. 计算机仿真, 2013, 30(2):9-12,33.

[3]
冯威, 王平, 程子光. 航母编队受到的敌空袭威胁扇面大小预测模型[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(7):119-122.

[4]
黄山良, 卜卿, 梅发国, 等. 防控探测预警系统与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.

[5]
马良. 舰空导弹网络化协同反导作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016.

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