董迎濤,柳少軍,丁光照,王 燕
(國(guó)防大學(xué)信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部,北京 100091)
戰(zhàn)略戰(zhàn)役兵棋系統(tǒng)是從作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)、歷史經(jīng)驗(yàn)的角度去思考戰(zhàn)爭(zhēng)問(wèn)題,具有抽象程度高、模擬實(shí)體多、戰(zhàn)場(chǎng)范圍廣、作戰(zhàn)樣式全、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),為便于處理,模型采用基于六角格地形的計(jì)算方式。被動(dòng)聲納探測(cè)(Passive Sonar Detection)是對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)、定位、識(shí)別的有效手段,是反潛作戰(zhàn)能夠取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素。準(zhǔn)確有效地仿真被動(dòng)聲納探測(cè),是反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)能否反映實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程的重要因素之一。
國(guó)外對(duì)戰(zhàn)略戰(zhàn)役反潛作戰(zhàn)模擬的研究開(kāi)展較早,也形成了一些成熟的反潛作戰(zhàn)模型,并在一些大型作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證,如 JWARS,JSIMS 等[1-3]。國(guó)內(nèi)對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)的研究主要集中在裝備論證或戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用層面[4-5],還沒(méi)有比較成熟的戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的反潛作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。本文給出了一種面向戰(zhàn)略戰(zhàn)役兵棋系統(tǒng)的被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型,對(duì)被動(dòng)聲納的整個(gè)探測(cè)過(guò)程進(jìn)行了研究,合理考慮了探測(cè)過(guò)程中的各種影響因素,建立了探測(cè)時(shí)間模型和海洋聲學(xué)環(huán)境下的噪聲傳播模型,并進(jìn)行了驗(yàn)證。
戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的仿真建模,強(qiáng)調(diào)的是對(duì)“指揮”或“協(xié)同”的模擬,反映了“決策”、“技術(shù)”與“技能”兼具的特點(diǎn)。面向戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次的被動(dòng)聲納仿真模型,模擬的重點(diǎn)是被動(dòng)聲納系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的交互。在實(shí)時(shí)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下,被動(dòng)聲納探測(cè)對(duì)作戰(zhàn)的影響主要體現(xiàn)在探測(cè)時(shí)間的變化上。
被動(dòng)聲納探測(cè)仿真流程如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)打開(kāi),首先掃描被動(dòng)聲納探測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有敵方潛艇存在,掃描到目標(biāo)后,系統(tǒng)提取潛艇和探測(cè)艦艇基本參數(shù)和狀態(tài)參數(shù),計(jì)算探測(cè)時(shí)間,生成探測(cè)觸發(fā)事件。例如,假設(shè)某型潛艇在6點(diǎn)時(shí)進(jìn)入被動(dòng)聲納探測(cè)范圍區(qū)域,模型計(jì)算出探測(cè)到潛艇需要4h,在各種條件不變的情況下,模型生成一個(gè)10點(diǎn)時(shí)觸發(fā)的事件,時(shí)間到達(dá),模型輸出潛艇相關(guān)信息,顯示潛艇具體位置。
對(duì)被動(dòng)聲納的仿真,主要是模擬海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下被動(dòng)聲納探測(cè)到目標(biāo)所需要的時(shí)間,被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與被動(dòng)聲納系統(tǒng)性能、探測(cè)目標(biāo)性能、海洋環(huán)境等有關(guān),探測(cè)時(shí)間根據(jù)影響因素的變化而改變。本文用Gamma分布隨機(jī)變量值來(lái)確定被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間。
Gamma分布是統(tǒng)計(jì)學(xué)的一種連續(xù)概率函數(shù),兼有指數(shù)分布和冪分布的特點(diǎn)。在被動(dòng)聲納探測(cè)中探測(cè)時(shí)間主要與被探測(cè)目標(biāo)的類(lèi)別和噪聲值有關(guān),而且目標(biāo)類(lèi)別α(形狀參數(shù))和最大最小探測(cè)時(shí)間β(尺度參數(shù))均為定值,其復(fù)雜程度(熵)最大,因此被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間的出現(xiàn)概率服從Gamma分布[6]。
圖1 被動(dòng)聲納探測(cè)仿真流程圖
被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間是指從潛艇進(jìn)入探測(cè)區(qū)域到被聲納探測(cè)識(shí)別定位所用的時(shí)間,這里把被動(dòng)聲納探測(cè)、識(shí)別、定位三個(gè)過(guò)程合而為一,被動(dòng)聲納探測(cè)到目標(biāo)信號(hào),就認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)被識(shí)別并定位,系統(tǒng)輸出目標(biāo)信息,屏幕顯示目標(biāo)標(biāo)識(shí)。
探測(cè)一艘潛艇的實(shí)際時(shí)間是不確定的,是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程:當(dāng)一艘潛艇進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí),先產(chǎn)生一個(gè)服從Gamma分布(均值為探測(cè)平均最短時(shí)間Tmin)的隨機(jī)變量值作為理論上探測(cè)潛艇所需要的最少時(shí)間,再產(chǎn)生另一個(gè)服從Gamma分布(均值為探測(cè)最長(zhǎng)時(shí)間Tmax)的隨機(jī)變量值作為理論上探測(cè)潛艇所需要的最長(zhǎng)時(shí)間,然后根據(jù)探測(cè)時(shí)間與噪聲的關(guān)系,計(jì)算出實(shí)際探測(cè)時(shí)間。
被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與接收到的噪聲級(jí)存在以下關(guān)系:
式中,TV為考慮噪聲損失時(shí)所需的探測(cè)時(shí)間;NV為聲納接收到的噪聲級(jí)。
如表1所示,由服從Gamma分布的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生5組數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)噪聲損失處理后,得到表中探測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)。假設(shè)探測(cè)平均最短時(shí)間為18h,探測(cè)最長(zhǎng)時(shí)間為120h,Gamma分布的形狀參數(shù)為 3.0。
為便于計(jì)算,對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑,結(jié)果是最長(zhǎng)探測(cè)時(shí)間為125h,在最大100dB下探測(cè)時(shí)間為20h,如圖2所示。
表1 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)
如圖2所示,當(dāng)噪聲是25dB,則聲吶需要98.75h才能發(fā)現(xiàn)潛艇。
圖2 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間與噪聲關(guān)系圖
假設(shè)同一平臺(tái)上多個(gè)被動(dòng)聲納同時(shí)進(jìn)行探測(cè),各聲納之間不會(huì)形成干擾。此時(shí)探測(cè)時(shí)間的計(jì)算有兩種可能的方式:一種是各個(gè)聲納作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行探測(cè),最先探測(cè)到目標(biāo)的被動(dòng)聲納所用時(shí)間即為探測(cè)時(shí)間;另一種方法是把多個(gè)被動(dòng)聲納看作一個(gè)系統(tǒng),各個(gè)被動(dòng)聲納之間有信息交互。模型使用第二種方法進(jìn)行多重聲納建模,探測(cè)時(shí)間方程為
式中,HT為多重聲納同時(shí)探測(cè)所需時(shí)間,H1,…,Hn為各個(gè)聲納單獨(dú)探測(cè)所需時(shí)間。
真實(shí)海戰(zhàn)中,探測(cè)艦艇和目標(biāo)潛艇狀態(tài)都在不斷地變化。當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí),系統(tǒng)將重新計(jì)算探測(cè)時(shí)間,生成探測(cè)事件。
·多聲納系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)聲納被動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉;
·聲納毀壞或正在修理中;
·探測(cè)艦艇或潛艇航速調(diào)整;
·探測(cè)艦艇或潛艇進(jìn)入新的六角格。
再次確定探測(cè)時(shí)間,并不是丟棄已用的探測(cè)時(shí)間,而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算,運(yùn)算法則如表2所示。
表2 探測(cè)時(shí)間運(yùn)算法則
由方程(2)可知探測(cè)時(shí)間與被動(dòng)聲納接收到目標(biāo)噪聲級(jí)近似為線性關(guān)系。接收到的噪聲級(jí)主要受目標(biāo)聲源級(jí)、傳播損失、背景噪聲等因素的影響。
被動(dòng)聲納接收到的噪聲級(jí)方程為[7]
式中,各參數(shù)的量綱均為分貝(dB);NV為聲納接收到的噪聲級(jí);SL為聲源級(jí);TL為傳播損失;BL為海洋環(huán)境噪聲。
根據(jù)輻射噪聲聲源級(jí)的大小,潛艇目標(biāo)可分為四種類(lèi)型:高噪聲潛艇、噪聲潛艇、安靜型潛艇、極安靜型潛艇??紤]輻射噪聲隨航速的變化特性和臨界航速對(duì)噪聲的影響,聲源級(jí)方程表示如下[8]:
式中,V為潛艇的實(shí)時(shí)航速;a=1,2,3,4為潛艇的類(lèi)型級(jí)別,分別為極安靜型潛艇、安靜型潛艇、噪聲潛艇、高噪聲潛艇;VL是潛艇的臨界航速;Δ=20dB-50dB(Δ的選取依據(jù)不同類(lèi)型潛艇的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo))是潛艇到達(dá)臨界航速后噪聲聲源級(jí)的增量;b是潛艇達(dá)到臨界航速后輻射噪聲隨航速變化的斜率,b∈[1.5,2]。
聲波在水下的傳播主要有三種傳播路徑:直接路徑傳播(DP)、海底反射傳播(BB)、會(huì)聚區(qū)傳播(CZ)。模型將傳播損失按距離分為兩個(gè)階段,距聲源1m到1000m之間的噪聲傳播主要為球面擴(kuò)展損失和吸收損失之和,大于1000m主要為柱面擴(kuò)展損失和吸收損失之和。
式中,R為傳輸距離,單位為km;A為吸收系數(shù),取A=2dB/km;F為異常傳輸損耗,取F=4dB。
海洋環(huán)境噪聲是指海洋環(huán)境中產(chǎn)生的各種聲響,是聲納的重要背景噪聲,影響聲納的探測(cè)距離,干擾聲納系統(tǒng)的正常工作,主要有熱噪聲、聲納自噪聲PN、艦艇噪聲VN、其它艦艇噪聲SN和海洋動(dòng)力噪聲WN。背景噪聲方程為
熱噪聲是個(gè)絕對(duì)小的量,只有在不存在其它噪聲源的情況下才能探測(cè)到,與海洋噪聲相比,可以忽略。聲納自噪聲由具體聲納類(lèi)型的噪聲參數(shù)確定。
3.3.1 艦艇平臺(tái)噪聲VN
艦艇平臺(tái)噪聲的聲源級(jí)是表征艦船聲隱蔽性的最基本參數(shù),經(jīng)驗(yàn)公式為[9]
3.3.2 其它艦艇噪聲SN
除平臺(tái)噪聲外,作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的其它艦艇產(chǎn)生的噪聲同樣會(huì)對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)產(chǎn)生干擾。模型中的其它艦艇噪聲是指與探測(cè)平臺(tái)或被探測(cè)目標(biāo)在同一六角格里的艦艇產(chǎn)生的噪聲,其它艦艇不予考慮,噪聲傳播損失計(jì)算方程與方程(5)相同。潛艇和艦船噪聲方程分別與方程(4)和方程(7)相同。
3.3.3 海洋動(dòng)力噪聲WN
海洋動(dòng)力噪聲主要與風(fēng)浪和降雨有關(guān),是影響探測(cè)潛艇能力的重要部分。表3列出了不同氣象條件下海洋動(dòng)力噪聲參數(shù)。
水面艦艇D在某海域執(zhí)行探測(cè)任務(wù),航速為20kn,氣象條件為4級(jí)海情,小雨。敵方潛艇S以在該區(qū)域內(nèi)低速航行(安靜級(jí) a=2,臨界航速 VL=11.51kn,Δ =30dB,b=1.8),A1、A2、A3 為區(qū)域內(nèi)的其它艦艇。艦艇部署如圖3所示,水面艦艇和潛艇基本參數(shù)如表4所示。
表3 不同氣象條件下海洋動(dòng)力噪聲參數(shù)表
圖3 艦艇部署圖
表4 水面艦艇和潛艇基本參數(shù)表
想定一:艦艇部署如圖3(a)所示,作戰(zhàn)初始時(shí)間為X月1日0時(shí),作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi),只有探測(cè)艦艇D,和被探測(cè)潛艇S,在艦艇D航速為12kn,潛艇以航速10kn的情況下,探測(cè)時(shí)間概率密度分布如圖4(a)所示。
想定二:艦艇部署如圖3(b)所示,作戰(zhàn)初始時(shí)間為X月2日0時(shí),作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi),探測(cè)艦艇D與艦艇A1在同一六角格內(nèi),被探測(cè)潛艇S與艦艇A2在同一六角格內(nèi),艦艇A3在其它六角格內(nèi),A1、A2、A3航速同為15kn,艦艇D航速為12kn,潛艇以航速10kn,探測(cè)時(shí)間概率密度分布如圖4(b)所示。
圖4 被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間概率密度分布圖
由被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間概率密度分布圖可知,當(dāng)沒(méi)有其它外界因素影響時(shí)(想定一),被動(dòng)聲納連續(xù)探測(cè)3~4小時(shí)時(shí),探測(cè)概率最大,為20%左右,如圖4(a)所示;當(dāng)有其它外界因素影響時(shí)(想定二),被動(dòng)聲納連續(xù)探測(cè)4~5小時(shí)時(shí),探測(cè)概率最大,為18%左右,如圖4(b)所示。
本文結(jié)合戰(zhàn)略戰(zhàn)役層次仿真特點(diǎn),對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)功能進(jìn)行了分析研究,設(shè)計(jì)了被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型邏輯框架,建立被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型。根據(jù)被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間的隨機(jī)性,提出了服從Gamma分布的隨機(jī)探測(cè)時(shí)間函數(shù),確定了探測(cè)時(shí)間與噪聲的關(guān)系方程。同時(shí),根據(jù)水下噪聲傳播特性,建立了海洋環(huán)境下的噪聲傳播方程。
最后,對(duì)被動(dòng)聲納探測(cè)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明被動(dòng)聲納探測(cè)時(shí)間隨干擾因素的增大而增長(zhǎng),較符合反潛作戰(zhàn)實(shí)際。除已完成的上述工作外,接下來(lái)還需要完成被動(dòng)聲納探測(cè)系統(tǒng)與水面艦艇指揮系統(tǒng)的信息交互工作,建立完整的被動(dòng)聲納反潛作戰(zhàn)模型。
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