水下声呐探测系统信息支持下的直接攻潜作战仿真

韩 强，李居伟，吕 收

（海军航空大学，山东 青岛 266041）

水下预警探测是反潜作战的重要一环。美军先后建立的固定分布式系统（FDS）、先进可部署系统（ADS）等水下预警探测系统[1]，可使其反潜作战中心（ASWOC）具备强大的水下作战能力[2]。我国岸基水声警戒系统建设起步较晚[3]，应加快对其作战使用研究的进度。随着水下预警探测和反潜鱼雷技术的不断进步，在水下声呐探测条件允许的情况下，直接攻潜作战将是1 种新型反潜作战样式，值得深入研究。直接使用水中兵器进行攻潜作战，能够增强水下预警系统的隐蔽性，增强水下火力打击的突然性，进而取得较好的攻潜作战效能。

1 直接攻潜兵力和基本条件

综合考虑各类反潜平台的固有特点，空中反潜平台应是实施直接攻潜作战的首选兵力。文献[4]开展了水下预警体系建模与仿真，研究了航空反潜兵力配置等反潜作战问题。文献[5]研究了水下预警探测声呐基阵与反潜兵力融合运用中的作战指挥、信息沟通和兵力使用问题，提出了在航空反潜兵力、水面反潜舰艇、反潜潜艇3种兵力中，航空反潜兵力是与水下预警探测声呐基阵进行融合运用的最佳兵力。这是由于通常在掌握制空权的情况下，航空反潜兵力的作战行动一般不会受到火力威胁，常处于非对称对抗的优势状态，飞机与岸上实现通信联络和信息共享也相对容易。

然而，水下预警条件下的直接攻潜作战必须满足一定条件才能进行。贸然使用武器，若无法准确迅速达成作战目标，必然会引起敌潜艇警觉对抗，对后续跟踪攻击将造成不利影响。能否直接做出使用攻潜武器的基本判定，须基于对预期攻击效果的评估。因此，实施直接火力攻潜前，应首先进行预先攻潜效果评估，在判定能够取得较好效果的前提下实施，才能避免打草惊蛇，不致贻误战机。

本文主要研究水下预警条件下，假设能够顺利开展直接攻潜作战，该战法对水下预警探测能力和鱼雷使用方式的基本要求。通过建立融合水文环境信息的攻潜作战效果评估模型，开展空中反潜平台在水下声呐探测基阵目标指示下的攻潜效果仿真分析，根据攻潜效果分析结论，总结归纳实施空投鱼雷直接攻潜作战使用方法。

2 攻潜效能评估

在鱼雷攻潜效能评估方法中，通常以空投鱼雷的攻潜命中概率为评估指标[6]。本文采用与文献[7]相似的模拟法建立效能评估模型。不同的是，文献[7]根据鱼雷技战术性能指标，事先确定不同态势下对某种舰艇的自导作用距离，采用数据表格形式代入模拟法仿真过程，这一处理过于简单且理想化，而鱼雷自导作用距离对攻潜效果影响至为重要[8-9]。本文也参考了文献[10]的研究方法和结论，将战场水文环境条件引入鱼雷目标检测过程，以增强模拟法效能评估的可信度。

鱼雷攻潜效能评估基本过程如下：首先，输入作战区域声速曲线，进而计算传播损失，建立不同声源深度的声场参数；然后，根据声呐基阵给出的水下目标定位精度，模拟目标潜艇的初始位置和运动状态；最后，进行空投鱼雷攻潜过程的全弹道模拟[11]。

在攻潜过程全弹道模拟中，鱼雷按照既定的图形弹道进行搜索，不断依据相对位置关系，采用已经建立的声场数据，对发现的目标进行判定，进而进行命中目标的判定。若鱼雷命中，则完成1 次模拟攻击。在此基础上，采用蒙特卡洛法计算命中概率。计算流程图，如图1所示。

图1 空投鱼雷命中概率计算流程图Fig.1 Flowchart of the calculation of torpedo hit probability

2.1 水文环境模拟

在鱼雷攻潜作战仿真中引入水文环境的模拟，将鱼雷的目标搜索能力与传播损失及声速梯度相互关联，能够反映出水下环境的复杂程度对鱼雷攻击效果的影响，提升攻潜过程仿真的逼真度。

采用以射线声学理论为基础的Bellhop模型[12]，根据海区声速梯度进行声场传播损失计算[13]，为鱼雷自导系统在攻潜过程中进行目标信号检测提供声场条件。某典型条件下，深度60 m声源形成的声场计算结果，如图2所示。

图2 典型条件下声场计算结果Fig.2 Calculation results of the sound field under a kind of typical condition

2.2 目标模拟

目标定位精度的分析与建模是攻潜作战效能评估的第1 步。水下基阵在测量目标参数时，会导致位置、航向、速度等参数产生一定误差，其中：深度、航向与速度是一维参数，一般可认为它们的误差服从正态分布；目标水平位置则是二维参数，一般认为位置误差服从二维正态分布[14，16]。此外，目标水声特性模拟也值得关注。

本文主要采用文献[17-18]的研究成果，模拟鱼雷在主动工作模式下的目标强度与入射波舷角的关系，如图3所示。

图3 目标强度计算结果Fig.3 Calculation results of target intensity

2.3 鱼雷模拟

空投鱼雷的模拟主要包括空投散布和水下弹道的模拟。本文采用与文献[7][14]类似的方法，建立了鱼雷入水点散布模型和三维运动学水下弹道，并实现了弹道可视化[15]。不同之处在于本文对鱼雷目标检测方法进行了改进——引入了水声环境因素，即利用上文中的声场计算结果，在鱼雷搜索过程中不断检测声波信号余量，进而完成发现目标判定。典型鱼雷弹道模拟结果，如图4所示。

图4 典型鱼雷弹道模拟结果Fig.4 Simulation results of the typical torpedo trajectory

3 仿真分析

影响水下预警条件下的直接鱼雷攻潜命中概率的主要因素有：目标定位误差、载机投雷距离、投雷方位角和鱼雷初始搜索深度等。投雷距离是鱼雷投放瞄准点和目标散布中心的距离；投雷方位角是指鱼雷投放瞄准点和目标散布中心的连线与目标航向的相对夹角。上述相关概念定义，如图5所示。

图5 投雷参数示意图Fig.5 Sketch of torpedo launch parameters

利用上文中仿真模型，对以上影响因素的作用规律进行仿真分析。鱼雷自导作用距离根据2.2节中的水声传播损失计算得到，其他参数在下文具体仿真结果中给出。

3.1 水下声呐基阵目标定位精度对攻潜命中概率的影响

水下声呐基阵对目标的定位精度直接影响攻潜命中概率。仿真分析水深分别为300 m 和120 m，投雷距离500 m时，不同定位精度对命中概率的影响，结果如图6所示。此处，定位误差是指目标水平位置按照正态分布误差规律，3倍的均方差范围。

图6 不同水深条件下，目标定位误差对攻潜命中概率的影响Fig.6 Influence of target location error on torpedo hit probability in different water depths

图6 表明，鱼雷命中概率随目标定位误差的减小而增加，符合初步预期。同时，目标定位误差小于1 500 m 时，命中概率较高，且攻击效果变化不大。但目标定位误差在1 500 ～2 000 m 的范围内时，攻潜命中概率随目标定位误差变化幅度较大，呈加速下降趋势。当目标定位误差大于2 000 m 时，命中概率急剧下降。

3.2 投雷距离对攻潜命中概率的影响

投雷距离表示的是投雷瞄准点与目标散布中心的位置关系。仿真分析水深300 m 时，目标定位误差分别在2 000 m和1 000 m条件下，投雷距离对攻潜命中概率的影响，结果如图7所示。

图7 不同目标误差条件下，投雷距离对攻潜命中概率的影响Fig.7 Influence of launch distance on torpedo hit probability under different target location errors

图7 表明，在目标定位误差较大（2 000 m）时，投雷距离与攻潜命中概率的关系为：投雷距离越近，攻潜命中概率越大；但是，当投雷距离小于600 m 时，则攻击效果变化不大。而当在目标定位误差较小（1 000 m）时，投雷距离小于500 m 的情况下，命中概率反而降低，命中概率最高出现在投雷距离500 ～600 m 时。

3.3 投雷方位角对攻潜命中概率的影响

水深300 m，目标定位误差为2 000 m，载机投雷距离为1 000 m，投雷航向正北时，投雷方位角与攻潜命中概率的关系，如图8所示。

图8 中，鱼雷入水开始回旋搜索后的转向方向与目标中心位置完全背离，不能第一时间对准目标方向，命中概率较低。

图8 不同鱼雷默认搜索转向时，投雷方位角对攻潜命中概率的影响Fig.8 Influence of launch azimuth on torpedo hit probability under different torpedo default search directions

3.4 鱼雷初始搜索深度对攻潜命中概率的影响

水深300 m，目标定位误差为2 000 m，载机投雷距离为1 000 m，投雷方位角45°时，在不同目标潜艇深度条件下，鱼雷初始搜索深度对攻潜命中概率的影响，如图9所示。

图9 目标深度不同时，鱼雷初始搜索深度对攻潜命中概率的影响Fig.9 Influence of initial search depth on torpedo hit probability under different target water depths

图9表明，目标深度较浅（50 m）时，鱼雷初始搜潜深度与目标深度相近，则攻潜命中概率较高。当目标靠近海底（250 m）时，鱼雷初始搜索深度应稍小于目标深度，攻击效果更好。

4 结论

在水下声呐探测系统支持下，航空反潜兵力开展直接攻潜是1 种基本可行的作战方式，进一步补充了航空反潜的作战样式，有利于探索水下防御新方法。

但实施过程中须注意以下几点：1）水下预警声呐基阵的目标定位精度须达到一定水平，直接武器攻潜才能取得较好的效果；2）合理选择鱼雷的投放位置（包括投雷距离和方位），以期取得更好效果；3）一般情况下，鱼雷初始搜索深度设定应与目标深度相同，但在接近目标海底时应适当减小，如鱼雷初始搜索深度应在目标深度20 ～50 m 以上，这样可提高攻潜命中概率。