吳 芳, 高青偉, 吳 銘

(海軍航空大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264001)

艦機(jī)兩翼側(cè)出前向協(xié)同巡邏護(hù)航反潛模型及仿真*

吳 芳, 高青偉, 吳 銘

(海軍航空大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264001)

為了應(yīng)對(duì)敵潛艇對(duì)艦艇編隊(duì)航渡過(guò)程中的威脅,可由艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇組成反潛巡邏線對(duì)我方艦艇編隊(duì)提供巡邏反潛防護(hù)。主要研究了一種新型的兩翼前出型艦機(jī)前向協(xié)同巡邏反潛方法,建立了反潛直升機(jī)和水面艦艇的初始集結(jié)點(diǎn)的位置模型、協(xié)同反潛巡邏線有效寬度模型、反潛直升機(jī)和水面艦艇的搜潛動(dòng)作協(xié)同模型,并通過(guò)仿真對(duì)該系列模型進(jìn)行驗(yàn)證。

艦艇編隊(duì); 護(hù)航反潛; 艦機(jī)協(xié)同

在護(hù)航過(guò)程中為了應(yīng)對(duì)敵潛艇對(duì)艦艇編隊(duì)的威脅,由艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇進(jìn)行有效協(xié)同,組成反潛巡邏線對(duì)我方艦艇編隊(duì)提供巡邏反潛防護(hù)。一般根據(jù)上級(jí)指示或綜合判斷敵潛艇的可能來(lái)襲方向,將巡邏反潛分為前向巡邏反潛防護(hù)、側(cè)翼巡邏反潛防護(hù)、后方巡邏反潛防護(hù)以及全向巡邏反潛防護(hù)。艦艇編隊(duì)在航渡過(guò)程中,敵潛艇的威脅通常來(lái)自艦艇編隊(duì)的前方。因此,前方反潛防護(hù)是護(hù)航反潛中最常用、最主要的護(hù)航反潛方法。

前方反潛防護(hù)方法為使用反潛直升機(jī)和反潛水面艦艇,在編隊(duì)前方建立反潛巡邏線,對(duì)艦艇編隊(duì)進(jìn)行反潛防護(hù)。水面艦艇由于續(xù)航能力強(qiáng),能持續(xù)進(jìn)行探測(cè),因此反潛巡邏線的中間部分也就是編隊(duì)受到威脅最大的正前方,應(yīng)由反潛水面艦艇組成;反潛直升機(jī)機(jī)動(dòng)靈活,應(yīng)處于反潛巡邏線的兩端部分來(lái)增加反潛防護(hù)寬度。本文主要研究了一種新型的兩翼前出型艦機(jī)前向協(xié)同巡邏反潛方法,建立了反潛直升機(jī)和水面艦艇的初始集結(jié)點(diǎn)的位置模型、協(xié)同反潛巡邏線有效寬度模型、反潛直升機(jī)和水面艦艇的搜潛動(dòng)作協(xié)同模型,并通過(guò)仿真對(duì)該系列模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 兩翼側(cè)出型艦機(jī)協(xié)同反潛搜索模型

兩翼前出型艦機(jī)協(xié)同搜索方法中反潛水面艦艇兩側(cè)的艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇不呈直線排列,而是適當(dāng)前出,構(gòu)成“V”字形的搜索陣型,以增加反潛縱深。如圖1所示。

圖1 兩翼前出型艦機(jī)協(xié)同搜索方法示意圖

在反潛行動(dòng)之前,各反潛兵力首先要到達(dá)指定站位。設(shè)艦艇編隊(duì)中心點(diǎn)的初始坐標(biāo)為(x編，y編),編隊(duì)最前方位置坐標(biāo)為(x前,y前),反潛水面艦艇的初始坐標(biāo)為(x艦，y艦),兩架反潛直升機(jī)的初始坐標(biāo)分別為(x機(jī)1,y機(jī)1)和(x機(jī)2,y機(jī)2)。其中,依據(jù)編隊(duì)兵力編成情況,由編組指揮人員確定編隊(duì)最前方位置坐標(biāo)。

為了充分保證艦艇編隊(duì)前方的安全,反潛巡邏線必須建立在編隊(duì)前方敵潛艇攻擊武器(一般為魚雷)最大射程r潛之外，因?yàn)?，反潛水面艦艇的初始集結(jié)位置為

(1)

為在艦艇編隊(duì)前方構(gòu)成一條完整的反潛巡邏線，水面艦艇與反潛直升機(jī)之間除了在編隊(duì)航行方向之外，在垂直航行方向上的距離應(yīng)為兩者聲吶有效作用距離之和。設(shè)艦載聲吶的有效探測(cè)距離為D艦，機(jī)載聲吶的有效探測(cè)距離為D機(jī)，單架反潛直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)的防護(hù)寬度為L(zhǎng)機(jī)，那么以巡邏線遠(yuǎn)端為起始點(diǎn)，反潛直升機(jī)的初始集結(jié)位置為

(2)

如果反潛水面艦艇兵力比較充足,且艦艇編隊(duì)前方敵潛艇威脅較大,可同時(shí)使用兩艘反潛水面艦艇與兩架艦載反潛直升機(jī)共同建立反潛巡邏線。如果兩艘反潛水面艦艇艦載聲吶的有效探測(cè)距離相同,都為D艦,則這兩艘反潛水面艦艇之間的間距應(yīng)為2D艦。如圖2所示。

圖2 雙艦雙機(jī)兩翼前出型協(xié)同搜索方法示意圖

設(shè)兩艘水面艦艇的初始坐標(biāo)分別為(x艦1,y艦1)和(x艦2,y艦2),則有

(3)

以巡邏線遠(yuǎn)端為起始點(diǎn),反潛直升機(jī)初始集結(jié)位置為

(4)

前向反潛巡邏線的寬度l前是艦機(jī)協(xié)同前向防護(hù)方法反潛效能最直接的體現(xiàn),兩翼側(cè)出反潛防護(hù)線寬度l前為

(5)

2 兵力動(dòng)作協(xié)同模型

反潛直升機(jī)使用吊放聲吶進(jìn)行搜索時(shí),其搜索速度與艦艇編隊(duì)的航行速度不一致,為了保證艦載反潛直升機(jī)的搜索運(yùn)動(dòng)與艦艇編隊(duì)運(yùn)動(dòng)之間保持同步,艦載反潛直升機(jī)一般采用曲折運(yùn)動(dòng)搜索法。如圖3所示。

圖3 艦載反潛直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)搜索法示意圖

各反潛兵力到達(dá)指定站位后,開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)態(tài)同步搜潛過(guò)程。在航渡過(guò)程中,可認(rèn)為一定時(shí)間內(nèi)艦艇編隊(duì)的航行屬于勻速直線運(yùn)動(dòng),設(shè)艦艇編隊(duì)航速為V編,那么在t時(shí)刻編隊(duì)中心位置的坐標(biāo)(xt編,yt編)滿足如下關(guān)系:

(6)

設(shè)反潛水面艦艇的航速為V艦,方向與編隊(duì)保持一致,在t時(shí)刻反潛艦艇位置的坐標(biāo)為(xt編,yt編),則有

(7)

其中，反潛水面艦艇要實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇編隊(duì)的同步反潛，因此水面艦艇速度V艦應(yīng)與編隊(duì)航行速度V編相等，即

V艦=V編

(8)

若進(jìn)行雙艦反潛，則有

(9)

直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程比較復(fù)雜,應(yīng)根據(jù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)分析選擇合適的探測(cè)間距d,而每條直線上的探測(cè)點(diǎn)數(shù)n以及轉(zhuǎn)折角Δ轉(zhuǎn)折,可以根據(jù)以下關(guān)系和限制條件通過(guò)計(jì)算得出。

首先,直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)形成防護(hù)線的寬度L機(jī)必須大于上級(jí)要求的防護(hù)寬度L敵,根據(jù)圖3中幾何關(guān)系有

(10)

其中，D潛為艇載聲吶的有效探測(cè)距離。

進(jìn)一步整理得:

L機(jī)=[(n-1)d+2D機(jī)]·cosΔ轉(zhuǎn)折/2≥L敵

(11)

其次，要保證能夠?qū)崿F(xiàn)同步搜潛，當(dāng)一個(gè)同步周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可將艦艇編隊(duì)的航行時(shí)間t編表示為

t編=2L·sin(Δ轉(zhuǎn)折/2)/V編=2[(n-1)d+2D機(jī)]·sin(Δ轉(zhuǎn)折/2)/V編

(12)

而艦載反潛直升機(jī)的搜索周期t周為:

t周=(2n-1)(t放+t測(cè)+t收+d/V直)

(13)

即

2[(n-1)d+2D機(jī)]·sin(Δ轉(zhuǎn)折/2)/V編(2n-1)(t放+t測(cè)+t收+d/V直)

(14)

因?yàn)榉礉撗策墮C(jī)吊放點(diǎn)數(shù)n應(yīng)為正整數(shù),則:

(15)

通過(guò)對(duì)上式求解,可計(jì)算出探測(cè)點(diǎn)數(shù)n以及轉(zhuǎn)折角Δ轉(zhuǎn)折。

兩機(jī)從初始站位(x機(jī)1,y機(jī)1)和(x機(jī)2,y機(jī)2)處開(kāi)始作曲折運(yùn)動(dòng),以編隊(duì)左側(cè)直升機(jī)為例,具體控制過(guò)程如下流程框圖4所示。

圖4 反潛直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)控制流程圖

其中,假設(shè)上一懸停點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0,y0),則直線飛行階段的坐標(biāo)關(guān)系表示為

(16)

設(shè)直升機(jī)的懸停時(shí)間為t懸,則有:

t懸=t周-d/V直

(17)

循環(huán)此過(guò)程,直至搜索結(jié)束直升機(jī)返航。

3 界面動(dòng)態(tài)仿真演示

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述模型，對(duì)艦機(jī)兩翼側(cè)出型前向協(xié)同反潛方法進(jìn)行仿真分析。所需要輸入的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)主要包括：反潛直升機(jī)速度V直、艦艇編隊(duì)的速度V編、反潛直升機(jī)探測(cè)有效范圍D機(jī)、反潛艦艇的有效探測(cè)范圍D艦、吊聲探測(cè)周期t周期、探測(cè)點(diǎn)的間距d、敵潛艇武器的最大射程r潛以及上級(jí)要求的反潛防護(hù)寬度l敵。圖5為艦機(jī)兩翼側(cè)出型前向協(xié)同反潛方法人機(jī)交互界面。圖中，左側(cè)為仿真參數(shù)輸入和輸出部分，右側(cè)為艦機(jī)協(xié)同搜潛圖形動(dòng)態(tài)演示部分。通過(guò)仿真計(jì)算可以得到：反潛直升機(jī)曲折運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)折角Δ轉(zhuǎn)折和曲折運(yùn)動(dòng)時(shí)每條直線上的探測(cè)點(diǎn)數(shù)目n，以及前向防護(hù)寬度l前。

圖5 前向防護(hù)模型演示畫面

4 結(jié)束語(yǔ)

艦載反潛直升機(jī)與編隊(duì)內(nèi)的反潛水面艦艇都是航母編隊(duì)的主要反潛兵力,共同承擔(dān)航母編隊(duì)的反潛防御作戰(zhàn)任務(wù)。本文主要研究了一種新型的兩翼前出型艦載反潛直升機(jī)與反潛水面艦艇前向協(xié)同巡邏反潛方法,建立了反潛直升機(jī)和水面艦艇的初始集結(jié)點(diǎn)的位置模型、協(xié)同反潛巡邏線有效寬度模型、反潛直升機(jī)和水面艦艇的搜潛動(dòng)作協(xié)同模型,并通過(guò)仿真對(duì)該系列模型進(jìn)行驗(yàn)證。

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Models and Simulations for the Ship-Heli Cooperating of Forward Patrol and Anti-submarine of the Two-wing Warships

WU Fang, GAO Qing-wei, WU Ming

(Naval Aeronautical and Astronautical University, YanTai 264001, China)

In order to deal with the enemy submarine fleet during navigation threats, may consist of shipboard anti-submarine helicopters and anti-submarine surface ship anti-submarine patrol line on our fleet to provide anti-submarine protection. In this paper, we study a new approach to the forward patrol and anti-submarine of the two-wing warships, and establish the position model of the initial assembly point of the anti-submarine helicopters and surface ships, the effective width model of the anti-submarine patrol line, the anti-submarine helicopters and the surface ships. And the simulation model is validated by simulation.

naval ship formation; anti-submarine escort; surface ship and helicopter coordination

1673-3819(2017)06-0035-03

E926.3； E925.6

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.008

2017-05-24

2017-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61271444)

吳 芳(1981-),女,遼寧葫蘆島人，博士、講師，研究方向?yàn)楹娇辗礉摗８咔鄠?1978-),男,博士,講師。吳 銘(1976-),男,碩士,副教授。