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1、基于舰载直升机的舰艇编队对空预警性能配置研究第29卷第2期2007年4月指挥控制与仿真CommandConol&Simulation,01.29No.2Apr.2007文章编号:16733819(2007)02.0051-03基于舰载直升机的舰艇编队对空预警性能配置研究沈晓军,鞠鸿彬,张慧慧,李开生(1.北京工业大学.北京100022;2.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部,北京100036)摘要:针对现代海战中空袭目标的特点,合理配置舰栽直升机在舰艇编队对空防御中的预警过程.在舰栽直升机前出距离的数学模型基础上,从预警机本身因素,敌方攻击因素和我方编队防御因素这三个方面入手,对舰栽直
2、升机的对空预警性能进行优化配置,采用MATLAB数学工具得出计算结果,绘制性能匹配曲线(或曲面)并得出约束条件.从不同角度对舰载直升机对空预警的配置进行了分析,可为舰艇编队预警探测和作战指挥决策提供依据.关键词:舰栽直升机;对空预警;前出距离;性能匹配中图分类号:V275+.1:TN971文献标识码:AResearchOnDispositionOfAirEarlyWarningAbilityForCarrierHelicoptersOnWarshipFormationSHENXiao-jun,JUHong.bin,ZHANGHui.hui.LIKai.shengf1.BeijingUniver
3、sityofTecbnology,BeringlOOo22.China;2.SystemsEngineeringResearchInstituteof,Beijingl0o036.China)Abstract:Accordingtothecharacteroftheairattacktargetsinmodemseabattles,thispaperreasonablydisposestheearlvwarningprocessofcarderhelicopterswhichareusedinairdefenseforwarshipformation.Onthebaseofthemathema
4、ticalmodeloftheanteriordistance.itoptimizesanddisposestheearlywarningabilityofthecarrierhelicopterthroughthreeaspects:theyareearlywarninghelicopter,enemyattackingandownwarshipdefending.ItalSOedacesthecomputationalresultsbyusingMATLABandprotractstheperformancematchingcurves(orSurfaces),atthesametimet
5、herestrictedconditionsarealsolisted.Fromdifferentpointsofview.itanalyzestheconfigurationabilitywhichCanprovidereferencesfortheearlywarning.detecting.andbattlecommandingdecisionmakingofthewarshipformation.Keywords:carrierhelicopter;airdefenseearlywarning;anteriordistance;performancematching在现代海战中,随着空
6、袭武器速度的日益提高,杀伤射界的不断加大,如何实现对空袭目标的早期预警已经成为舰艇编队在防空作战中的一个关键问题.特别是当岸基,空基探测设备不能提供有效的预警保障时,编队本身的早期预警就显得尤为重要,其中一种预警工具就是舰载直升机,快捷,灵活的特点已经使其得到了广泛的应用【J】.在预警过程中,直升机的前出距离是由其本身的探测距离和编队所需的预警距离来确定的,一般应在舰艇的近程抗击火力范围以外21.本文就是从预警机本身因素,敌方攻击因素和我方舰艇防御因素这三个方面出发,在预警机的最小前出距离和舰艇的最大拦截距离之间进行灵活选择,从而使舰艇编队对空预警的性能匹配达到最优.1舰载直升机对空预警的实现
7、原理在配置预警直升机时,应保证预警机所提供的预警距离能够满足编队武器在其最大射程上对来袭目标进行抗击.对于一般的驱护舰编队,拦截距离是编队收稿日期:2006.10.27修回日期:2006?1202作者简介:沈晓军(1978.),男,浙江宁波人,博士研究生,研究方向为系统工程及其优化理论.鞠鸿彬(1971.),男,博士.张慧慧(1943.),女,教授,博士生导师.李开生(1962.),男,博士,研究员.中所装备的中远程舰空导弹的最大射程;对于有岸基航空兵掩护的编队,拦截距离是自编队到歼击机拦截线的距离.由于编队舰艇之间距离相对预警距离而言要小得多,来袭目标的威胁扇面角是指对整个编队的扇面角,而不
8、是针对某艘舰艇,故不考虑编队队形变化对直升机预警效果的影响.威胁方向较多时,可由多架直升机联合为编队提供对空预警.本文以单架直升机在一个威胁扇面内的预警过程为例进行配置【2】.舰载直升机对空预警的实现原理如图1所示【2】.图1舰载直升机前出距离示意图由图1所示的几何关系可得出:D=D+y=+鲁(1)(2)52沈晓军,等:基于舰载直升机的舰艇编队对空预警性能配置研究第29卷D舰艇在有直升机探测时的预警距离;D我方导弹拦截射界;敌方导弹速度;,我方导弹速度;指控时间;通信时间;导弹发射时间.由式(1),(2)可求得舰载直升机对空预警时的前出距离为DDc.s詈一D一D2.sin22(3)其中,D预警
9、直升机前出距离;D,预警直升机探测距离;敌方导弹可能对舰艇编队形成的威胁扇面角.可见,在每次预警任务的执行过程中,预警机前出距离的大小,预警效果的好坏取决于多个不同的因素,大致可分为三类,分别是预警机本身因素,敌方因素和我方因素.预警机本身因素也就是其自身的探测能力,这关系到派遣不同类型的直升机去执行任务;敌方囚素是指敌方导弹来袭速度和威胁扇面角,主要是导弹速度的影响,速度越快对我方预警性能的要求就越高;我方囚素则是指我方舰艇发射的导弹速度及其拦截射界,要针对不同的预警情况选择不同的导弹进行拦截.下面从这三方面人手,对舰艇编队的对空预警问题进行优化配置分析.2基于不同因素的对空预警性能的优化配
10、置2.1预警机本身因素考虑预警直升机本身的因素,分析预警机自身探测能力的变化对其前出距离的影响,并作出详细分析.在该情况下,假定D:180km,=500m/s,V=800m/s,=10s,=3s,T=30s,=30,在预警机探测距离D,取值50km到150km的范同内,利用Matlab7.0.1工具对式(3)进行计算,结果如图2所示(取100个数值点)】.【一Dsv;1._图2预警机前出距离与其探测距离关系图由图2可见,在选取我方导弹拦截射界为180km以及前面假定的其他各因素一定的前提下,随着预警机探测距离的增加,其前出距离呈下降趋势,探测距离为80km多的时候前出距离为300km左右,当探
11、测距离达到150km时候,前出距离减小为180km左右.图2中曲线存在一个明显的拐点,察看MatlabCommandWindow窗口的计算结果如下:Dtc=1.0e+002Columns3lthrough3480818283Dqc1.0e+002Columns31through343.0330.0.143li3.0330.0.066li2.92382.8644这说明,当探测距离小于等于8lkm的时候,预警机的前出距离没有实数解.因为,式(3)根号内的式子D一Dsin必须大于等于0.在该情况下,ZD和是两个固定值,所以,只有当探测距离大于等于82km的时候,预警机的前出距离才有实数解.当前面的各
12、假定因素发生变化的时候,该拐点的位置也会相应变化.为保证不出现拐点,其约束条件如图3所示,即当我方导弹选取不同的射界时,一一对应着预警机探测距离的最小值,只有当选取的预警机探测距离大于等于该临界值才能保证图2中的性能匹配曲线没有拐点,即保证了预警机的前出距离全部有实数解.S;/././,/././.图3考虑预警机因素进行分析时的约束条件这个临界值的分析具有很大的现实意义,在敌方攻击因素一定的前提下,我方配备的导弹类型的不同将直接影响到预警机的选取,预警机的选取与性能匹配是保证每一次预警任务成败与否的关键.此外,其他一些相关因素诸如敌方导弹速度,威胁扇面角的变化也会对预警机的选取产生影响,分析方
13、法相同,在此不再赘述.2.2敌方因素考虑敌方因素,分析敌方导弹来袭速度的变化对预警机前出距离的影响.第2期指挥控制与仿真53在该情况下,假定D,y180km,=100km,800m/s,10s,3s,30s,30,在敌方导弹速度取值300rn/s到1000rn/s的范围内,同样对预警机前出距离进行计算,结果如图4所示.IDsy=1kmOtc=|00kml/-,/././Vm(单位:s)图4预警机前出距离与敌方因素的关系图由图4可见,在选取我方导弹拦截射界为180km,预警机探测距离为100km以及前面假定的其他各因素一定的前提下,随着敌方导弹速度的增加,预警机前出距离呈明显上升的趋势,从导弹速
14、度为300m/s的时候前出距离为180km左右,到导弹速度增加到700rn/s的时候,前出距离必须增加为325km左右.图4中曲线同样存在着一个拐点,当敌方导弹速度大于等于776rn/s的时候,预警机的前出距离没有实数解.也就是说,只有当敌方导弹速度小于等于769m/s的时候,预警机的前出距离才有意义.由于计算取值点以7rn/s作为一个间隔,故769m/s至776rn/s这一范围是一个临界区域.同理,其约束条件如图5所示,在我方导弹射界一定的情况下,针对敌方导弹来袭速度的变化同样一一对应着预警机探测距离的最小值,满足临界值的约束条件才能保证所求性能匹配曲线没有拐点.Iosy=1kmL/././
15、./././_/图5考虑敌方因素进行分析时的约束条件2.3我方因素分析我方因素相对比较复杂,包含两个主要的因素,即我方导弹的拦截射界和飞行速度的变化对预警机前出距离的影响.在该情况下,假定D=100km,=500rn/s,=10s,=3s,T=30s,=30,在我方导弹拦截射界D取值20kin到240kin以及我方导弹速度V,取值300m/s到1000rn/s的范围内,对预警机前出距离进行计算,结果如图6所示(曲面取30x30个数值点).由于存在两个自变量,相互影响,分析起来比较复杂.图6预警机前出距离与我方因素的关系图由图6可见,在选取预警机探测距离为100km以及前面假定的其他各因素一定的
16、前提下,随着我方导弹拦截射界的增加,预警机前出距离呈明显的上升趋势,而随着我方导弹速度的增加,预警机前出距离则呈微弱的下降趋势.图6中不同的D和V,对应着不同的D的值.同样,在曲面的上方存在着一些突兀的部分,这也是囚为约束的问题,存在着非实数解,约束条件如图7所示.其具体的现实意义分析与前面一维变量的情况类似,我方舰艇配备不同类型的导弹(即对应不同的速度和拦截射界)将直接影响到对预警机选取的限制.l卯囝佃250苦,倬位t如0Dey(单位:km)图7考虑我方因素进行分析时的约束条件(下转第59页)彻锄葶珈如佃0瑚肆vu占第2期指挥控制与仿真591图6=2.时的泰勒级数法定位误差图3.2结果分析从
17、图3的GDOP分布可以看到运用基本方法进行定位的误差分布特点:在定位区域内,与布站方式倒三角相平行的地方的定位精度较之其他区域有高有低,在整个宽边区域内的定位精度不均匀,起伏皱褶较多.在46km左右的观测区域内,定位精度在2km以下.在lOOkm处的侧边区GDOP峰值达到18km.图4显示了用泰勒级数法定位的误差分布情况.可以看到:在整个定位区域内,这种方法的误差分布比较均匀,整个宽边区域比图1的平滑的多.在垂直于倒三角方向的唯一皱褶是下凹的精度较高的区域.而且在60km左右的观测区域内,定位精度均在2km以下;在100km的侧边区GDOP的峰值为15km.很明显,这种方法的定位精度较高,总体
18、定位性能要优于基本方法.尤其是在测向误差增加的情况下,这种优势更加突出.从图5,6中可以看出,在测向误差均增加的情况下,用泰勒级数法定位得到的误差分布更加均匀,其性能优于基本方法的.4结束语针对三维多站的测向定位算法,文中推算了基本定位方法的误差模型;提出用泰勒级数法结合最小二乘的思想交叉定位的方法,实验证明其定位精度高于前者.对于误差分析.文中只考虑了测向误差和布站误差,但实际有众多因素的影响,包括设备本身的,所以在工程应用中需做进一步的研究.参考文献:川1孙仲康,周一字,何黎星.单多基地有源无源定位技术M】.北京:国防工业出版社,1996.2】JohnN.Sanders-Reed.Erro
19、rPropagationinTwo-SensorThree-DimensionalPositionEstimation【J】.SocietyofPhoto-OcalInstrumentationEngineers.40(4):627-636.3】徐敬,胡家升,王秀坤.舰艇对海上目标纯方位无源定位研究D】.大连:大连理工大学,2002.44陈玲.无源定位与跟踪算法研究D】.北京:北京航空航天大学,2005.(上接第53页)3结论舰载直升机是为舰艇编队提供对空预警的一种很好的工具,只要对相关的各方面因素进行合理配置,就可以提高舰艇的早期预警能力.预警距离的增大为舰艇本身提供了足够的作战准备时间,从
20、而提高了对空作战的时效性.本文针对不同方面的因素,从预警机本身的探测距离,敌方及我方的各相关因素入手,对预警机的前出距离进行了深入的讨论分析,以影响关系图(即性能匹配曲线)和约束条件的方式得出计算结果,实现了基于舰载直升机的舰艇编队对空预警性能的优化配置,为舰艇编队预警探测和作战指挥决策提供了较好的依据.参考文献:I】吴永杰,周玉兰.海上舰艇编队系统M】.北京:国防工业出版社,l999.2】姚晓白,赵晓哲.舰载直升机在舰艇编队对低空目标预警中的使用研究J】.现代防御技术,2002,30(3):6?9.【3】刘志强,董受全.舰艇编队对空预警问题的研究【J.飞航导弹,2001,(1):21-23.4】李丽,王振领.MATLAB工程计算及应用M】.北京:人民邮电出版社,2001.5】陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南M】.西安:西安电子科技大学出版社,l999.
