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指挥控制与仿真

指挥控制与仿真 >

2017 , Vol. 39 >Issue 2: 15 - 18

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.004

理论研究

水面舰艇编队与反潜巡逻机协同对潜搜索效能分析*

  • 杨秀庭 ,
  • 许林周 ,
  • 李军 ,
  • 张忆
展开
  • 海军大连舰艇学院, 辽宁 大连 116018

杨秀庭(1973-),男,浙江金华人,博士,副教授,研究方向为编队反潜探测、水下作战仿真和水声信号处理。

许林周(1976-),男,博士,高级工程师。

李军(1981-),男,硕士,讲师。

张忆(1985-),男,博士,讲师。

收稿日期: 2016-12-27

  修回日期: 2017-01-06

  网络出版日期: 2022-05-20

基金资助

* 国家自然科学基金资助项目(11074308)

收起

Analysis of Anti-Submarine Searching Efficiency with Coordination of Surface and Fixed-Wing Aircraft Using Ocean Underwater Acoustic Environment Information

  • YANG Xiu-ting ,
  • XU Lin-zhou ,
  • LI Jun ,
  • ZHANG Yi
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  • Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China

Received date: 2016-12-27

  Revised date: 2017-01-06

  Online published: 2022-05-20

Fold

摘要

针对水面舰艇编队与反潜巡逻机协同对潜搜索问题,选取搜索效率作为效能指标,分析了水面舰艇编队与反潜巡逻机对任务海区实施检查搜索时的协同搜索效能,并结合浅海水声环境复杂多变的特点,对良好、中等、恶劣等三种典型水文条件进行分析,结果表明:反潜巡逻机参与协同对潜搜索能够显著提高编队对潜搜索能力,且该明显改善对海洋水声环境的适应性。

关键词： 海洋水声环境; 对潜搜索; 作战效能

本文引用格式

杨秀庭 , 许林周 , 李军 , 张忆 . 水面舰艇编队与反潜巡逻机协同对潜搜索效能分析*[J]. 指挥控制与仿真, 2017 , 39(2) : 15 -18 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.004

Abstract

With respect to the problem of coordinated search of submarine by surface group and fixed-wing ASW aircraft, searching rate has been chosen to be the efficiency index to demonstrate the capability of ASW searching, and the total efficiency of the surface group and fixed-wing ASW aircraft in the scenario of checking-search mode has been calculated. Furthermore, because of the very changeful environment in the shallow waters, three typical hydrological conditions denoted as good, moderate and bad propagation conditions have been used for analysis, and the results show that the capability of ASW searching can be dramatically improved with using of the fixed-wing ASW aircraft, and which is not sensitive to the deteriorate of underwater environment.

Key words： underwater environment; ASW search; operation Efficiency

反潜战是水面舰艇的传统使命任务和基本作战样式。随着潜艇技术的持续进步,如何探测现代安静型潜艇已经成为水面舰艇面临的严峻挑战。长期以来,依赖水面舰艇、潜艇、航空兵等单一兵种遂行反潜作战已远不能适应新形势发展。冷战以来六十多年的反潜战经验充分证明:舰机协同反潜是水面舰艇及编队反潜的主要形式和重要内容。我海军航空反潜力量发展已经历时三十多年,形成了手段多样、功能互补、配套完善的装备体系,特别是固定翼反潜巡逻机服役,补齐了我反潜体系建设中长期存在的短板弱项。
近年来,我周边安全形势恶化,各国都在加速推进潜艇力量建设,这就要求我海军必须提高浅海反潜能力。水面舰艇、固定翼反潜巡逻机作为海军体系反潜的主力,对侵入我近海的敌方潜艇实施舰机协同反潜将是未来的主要发展方向。如何提高舰机协同反潜的战术效能,已成为当前亟待研究解决的问题。
我周边近海,大都为水深不足200m的浅海,水声环境具有天然复杂性,对声纳搜索发现具有重要影响,主要表现在三个方面:一是声波与海面、海底反复接触,声传播的多途效应导致更强的信号幅值、相位、频率等畸变;二是由于海面、海底声散射影响,主动声纳受混响干扰严重;三是海区商船、渔船众多,目标干扰环境复杂。这些因素导致浅海水声环境异常复杂,声纳对潜搜索、发现和跟踪十分困难。因此,水面舰艇编队与反潜巡逻机在遂行舰机协同反潜作战时,必须充分考虑浅海复杂水声环境对声纳探测的影响,开展与水声环境信息相匹配的战术效能分析,为作战筹划、方案制订、组织实施提供理论支撑。本文以舰机协同对潜检查搜索为应用背景,阐述水声环境信息在舰机协同对潜搜索战术效能分析中的运用方法,并结合仿真算例进行说明。

1 舰机协同对潜搜索效能模型

1.1 多组兵力对潜搜索的效能

搜索效能是量化反潜搜索行动效果的指标,在对潜搜索行动中,搜索的一方主要关心单位时间内可有效搜索的空间区域,即搜索效率,因此,在评估对潜搜索效能时,通常选取搜索效率作为效能指标。
编队中多组反潜兵力在相邻地段实施对潜搜索,每组兵力指定搜索区域,在该区域内彼此行动相互独立。若搜索过程中各兵力之间对彼此的搜索结果无影响,则整体兵力的搜索效率等于各搜索兵力搜索效率之和[1]
u= ∑ i = 1 Nui
式中,ui为一组或一个反潜兵力的搜索效率;i为组(单位)的序号;N为反潜兵力组(单位)数。

1.2 舰机协同对潜搜索

舰机协同对潜搜索,由水面舰艇与反潜巡逻机按照指定的搜索带、区域和队形展开。在搜索过程中,水面舰艇通常使用主动声纳,反潜巡逻机主要使用声纳浮标。磁探仪由于作用距离近(仅为数百米),多用于目标确认和武器攻击保障,在对潜搜索时不太常用,在此不作探讨。
水面舰艇在由反潜巡逻机投放并控制的声纳浮标作用区内实施对潜搜索,借助声纳浮标提高对从水面舰艇编队搜索区内脱逃出来潜艇的发现能力。对潜搜索效率为[2]
uk+c=[BPhPk+(K0-B)Pf]vr
式中,uk+c为搜索效率;B为水面舰艇编队不可脱逃线段的长度;Ph为潜艇未突破概率;Pk为接触概率;Pf为声纳浮标对潜发现概率;vr为水面舰艇编队沿搜索方向的主航速;K0为搜索区的总宽度,可表示为
K0=Kk+Kq+2(dn+dσ)
其中,Kq=vktrsinα为水面舰艇编队折线运动的宽度;tr为舰艇一趟折线运动持续的时间;dn为声纳浮标防止舰艇干扰与其的最小距离;dσ为浮标作用距离。

2 海洋水声环境信息运用

2.1 声纳方程

在声纳探测水下目标过程中,利用声纳基阵接收水下声信号,并通过放大滤波、波束形成、匹配滤波(主动声纳)/能量检测(被动声纳)等信号处理环节[3],实现目标检测、位置估计、类型判别等功能。这些功能的实现原理可以用声纳方程描述。
主动声纳方程:
SL-2TL+TS-(NL-AG)=DT
式中,SL为发射声源级,TL为水声传播损失,TS为目标强度,NL为背景噪声级,AG为阵增益,DT为检测阈[4]。
被动声纳方程:
SL-TL-(NL-AG)=DT
式中,SL为目标辐射噪声级,其他参数与主动声纳方程相同。
主、被动声纳各种空时域信号处理算法、背景噪声抑制以及功能实现,只是在具体的声纳参数确定上存在一定差异,并不影响工作机理。因此,声纳方程是分析声纳工作性能的有效工具,可以通过它综合各种因素的复杂影响。

2.2 水声环境信息运用

声纳实际性能发挥受海洋水声环境影响强烈。从声纳方程可以看出,为提高声纳性能,必须尽可能多地获取空时信号处理增益,这要求声纳信号处理要具备适应复杂多变的水声环境的能力。目前,可采取的主要措施有:一是发展环境自适应声纳技术,根据现场实测的水声环境信息来自动优化声纳工作参数,实现装备与环境的自动“合一”;二是发展水声环境、目标、装备数据库,通过积累大量历史数据,采用数据挖掘技术,提取环境噪声、混响以及声传播等稳定特征,完成对声纳工作参数自动装订,确保声纳性能对水声环境具有先验适应能力;三是发展声纳辅助决策技术,利用声速剖面、海底底质、海深等少数典型参数的现场测量信息,采用声纳性能多维参数优化技术,计算得到最优的声纳工作参数集,通过人工装订实现声纳对环境的适应性。
以上三种措施中,第一、二种需要长期的技术积累,实现较为困难,目前缺乏技术、装备支撑;第三种已经初步成熟,可以投入实际应用。为此,本文中的水声环境信息匹配,是指在保持声纳装备技术特点与性能不变的前提下,通过有效使用水声环境信息,来提高声纳装备适应复杂海洋水声环境的能力,优化探测性能,为提高舰机协同对潜搜索战术效能提供技术手段。

3 算例分析

本文为说明海洋水声环境信息如何匹配到舰机协同对潜搜索这一战术过程,根据给出的效能模型,选择典型的浅海水声环境、搜索器材,计算舰机协同搜索效能。

3.1 计算参数确定

3.1.1 浅海水声环境

浅海水声环境异常复杂多变,难以穷举,为分析方便,取图 1所示的典型水声环境[5],具体参数见表 1。
图1 典型浅海示意图
表1 典型浅海水声环境环境参数
环境参数 符号 单位 取 值
海水深度 D m 100
海面声速 C0 m/s 1500
海底声速 CD- m/s 1480
沉积层上表面声速 CD+ m/s 1600
沉积层底部声速 C1 m/s 1750
沉积层密度 ρ g/cm3 1.7
沉积层声衰减系数 α dB/λ 0.35
沉积层厚度 t m 100
主动声纳基阵深度 zs m 5
目标深度 zs m 50
此外,针对浅海水声环境复杂多变的特点,选取三种典型水文条件:
1)良好水文:全水层等声速分布,声速1525m/s;
2)中等水文:全水层弱负梯度,海面声速1535m/s,梯度-0.05/s;
3)恶劣水文:海面附近为等声速层,层厚15m,声速1545m/s;中间为负跃层,层厚20m,梯度-1.5/s;下面为弱负梯度层,层厚67m,梯度为0.05/s。
以上三种水文条件所对应的声速剖面如图2所示。
图2 浅海三种水文条件下的典型声速剖面

3.1.2 声纳工作参数

舰机协同对潜搜索器材,包括水面舰艇主声纳(被动声纳对安静型潜艇探测能力不足)和反潜巡逻机吊放声纳、声纳浮标,经水声环境信息匹配优化后的计算参数见表 2和表 3。
表2 水面舰艇主动声纳参数
声纳 符号 单位 取 值
主动声纳发射声源级 SL dB 228
主动声纳背景噪声级 NL@1kHz dB 85
主动声纳时间带宽积 BT 100
环境噪声级 NL@1kHz dB 70
阵增益 AG dB 12
目标强度 TS dB 15
表3 反潜巡逻机声纳浮标参数
声纳工作参数 符号 单位 取值
声纳浮标时间带宽积 BT 800
目标辐射噪声级 SL@1kHz dB 115
环境噪声级 NL@1kHz dB 70
阵增益 AG dB 0

3.1.3 对抗兵力

对抗分析的兵力包括4艘水面舰艇、1架反潜巡逻机和1艘常规动力潜艇,计算参数见表 4。
表4 舰机协同对潜搜索效能计算参数
兵力 符号 单位 取值
水面舰艇 SS 艘 4
反潜巡逻机 HP 架 1
潜艇 SM 艘 1
水面舰艇搜索速度 VS kn 6-16
反潜巡逻机航渡速度 VH kn 300
潜艇规避速度 VD kn 4-8
目标接触概率 Pk 0.75
使用的声纳浮标数 NSB 枚 25
声纳浮标持续工作时间 HSB h 8
虚警概率 PFA 10-4

3.2 声纳对潜发现能力

根据上述水声环境和声纳参数,分别用式(1)、(2)的主、被动声纳方程计算主动声纳和声纳浮标的对潜发现概率,如图 3和图 4所示。
图3 水面舰艇主动声纳对潜探测概率
图4 声纳浮标对潜探测概率
从图中可以看出:
1)水文条件对主动声纳和声纳浮标的发现距离(对应的探测概率为0.5)影响很大:良好水文条件下,主动声纳和声纳浮标的作用距离分别为68.2链和16.5链,而且恶劣水文条件下,则为27.5链和12.1链。
2)与舰壳声纳相比,声纳浮标探测性能受水文条件影响较小,这是由于被动声纳浮标探测时只受单程水声传播损失影响。
因此,在作战筹划和海上对抗阶段,必须了解海洋水声环境信息,并据此计算各类探测器材的实际性能,为分析舰机协同对潜搜索效能、拟制作战方案打牢基础,实现水声环境信息与实际搜索战术的紧密衔接。

3.3 舰机协同对潜搜索

为说明水面舰艇编队与反潜巡逻机协同对潜搜索的发现效能,根据表4所给定的兵力:4艘水面舰艇组成的编队和1架反潜巡逻机实施协同对潜搜索,其中,水面舰艇使用主动声纳,反潜巡逻机使用被动声纳浮标,主动声纳对声纳浮标的干扰距离为60链,潜艇航速4kn。计算结果见图5。
图5 各种典型水文条件下舰机协同对潜搜索效率
分析图5,可知:
1)使用反潜巡逻机协同搜索可有效提高编队对潜搜索效率(500~650nm2/h),特别是在编队保持较高搜索航速时,反潜巡逻机的作用十分明显;
2)当反潜巡逻机使用声纳浮标对潜搜索时,水面舰艇编队按1.8~2倍声纳作用距离来设定各属舰间距的基本原则依然成立;
3)采用舰机协同对潜搜索方式可有效降低海洋水声环境影响,提高恶劣水文条件下对潜搜索效能。

4 结束语

反潜巡逻机具有反应速度快、留空时间长、受潜艇威胁小等显著优点,是近海反潜作战的主要力量[6]。
本文针对舰机协同对潜搜索问题,以搜索效率为效能指标,重点分析了水面舰艇编队与反潜巡逻机检查搜索时舰机协同对潜搜索效能,并结合浅海水声环境复杂多变的特点,提出了当前阶段水声环境信息匹配应用的基本技术途径,研究表明:反潜巡逻机参与水面舰艇编队协同对潜搜索,是提高各种浅海水声环境下搜索能力的主要途径;反潜巡逻机使用声纳浮标参与协同搜索时,编队舰艇间隔应参考1.8kn~2kn声纳作用距离选取,并把编队搜索速度提高至14~20节,以获得更高的搜索效率。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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赵晓哲, 沈治河. 海军作战数学模型[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004:69-125.

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Paul C. Etter. 水声建模与仿真[M]. 第3版.蔡志明译. 北京: 电子工业出版社, 2005:78-84.

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[4]
Steven M.Kay. Foundamentals of Statistical Signal Processing[M]. Pearson Education, 1993:505-511.

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M. Porter. H. P.P. Bucker. Gaussian Beam Tracing for Computing Ocean Acoustic Fields[J]. J. Acoust.Soc.Am. 82, 1987(4):1349-1359.

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Wagner D.H. et al. Naval Operations Analysis[M]. 3rd edition. Naval Institute Press, Annaplolis, Maryland, USA. 1999:88-120.

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