舰载直升机反潜辅助决策系统需求研究_孙心毅.pdf

引用格式：孙心毅，李建，成建波，等 舰载直升机反潜辅助决策系统需求研究 电光与控制，（）：（）：舰载直升机反潜辅助决策系统需求研究孙心毅，李 建，成建波，张丙飞，李 涛（中国人民解放军 部队，上海；中国人民解放军海军参谋部，北京）摘 要：从军事需求、任务需求和系统功能需求这 个方面开展了舰载直升机对反潜辅助决策系统的需求研究。分析认为军事需求应满足机组人员对掌握海洋环境、装备性能和制定方案的需要；任务需求应满足多种反潜任务、战斗过程和协同指挥的需要；运用系统工程分析方法，根据舰载反潜直升机作战流程，将反潜辅助决策系统功能主要分为信息处理保障、反潜数据支持及方案管理、任务规划、系统管理等 个方面，并在此基础上对各项功能进行了细化分解，对开展机载反潜辅助决策系统设计具有一定的参考价值。关键词：航空反潜；辅助决策；舰载直升机；协同指挥中图分类号：文献标志码：（；）：；引言舰载反潜直升机搭载于水面舰艇，可独立或与编队其他兵力协同遂行舰艇及编队周围海域反潜作战任务，打击潜艇目标。舰载反潜直升机在水面舰艇编队反潜体系中具有速度快、机动性强、可携带多种探测设备、搜索效率高、不易被潜艇攻击等特点，尤其为各国海军所重视。在直升机反潜过程中，包括搜潜和攻潜两个阶段，搜索水面状态的潜艇可以使用雷达、光电、电子侦察等设备，搜索水下状态的潜艇可以使用吊收稿日期：修回日期：作者简介：孙心毅（），男，黑龙江哈尔滨人，博士，工程师。放声呐、声呐浮标和磁探仪，攻击潜艇可以使用航空鱼雷和深弹，各种探测、攻击手段的特点及使用时机都有所不同，采取哪种搜索与攻击方案才能获得较高的效能，需要指挥员果断采取应对策略。由于潜艇减振降噪技术的突飞猛进，搜索潜艇变得更加困难，再加上海洋水文环境的复杂性、反潜装备受环境影响的时变性、反潜战术的多样性和潜艇对抗手段的灵活性，现代反潜作战给指挥员的指挥决策带来了很大的挑战，对指挥员的专业水平和作战经验都提出了很高的要求，指挥员难以在短时间内完成战术决策。因此，研制符合舰载反潜直升机作战需求的反潜辅助决策系统是必要的，对发挥舰载反潜直升机的作战效能具有重要的作用。第 卷 第 期 年 月 电 光 与 控 制 军事需求分析 满足机组人员掌握海洋环境的需要舰载反潜直升机反潜装备性能受海洋环境影响，要充分发挥反潜装备的作战效能，需要掌握海底底质、海底地形、海底障碍物、温跃层、海洋环境噪声、声传播损失、声速剖面、声影区、会聚区、表面声道、深海声道等海洋地理环境、水文环境和声学环境数据，基于统一时空框架和二、三维数据显示技术，对海洋环境要素以及环境分析数据进行图表、三维等可视化综合表达，向指挥员及操作员提供直观、准确、全方位的海洋环境信息，保障作战人员掌握战场环境态势，以便充分利用海洋环境信息，对反潜装备作战性能进行准确计算，辅助作战人员对声呐、鱼雷等搜、攻潜武器装备的作战方案进行决策。满足机组人员掌握装备作战性能的需要舰载反潜直升机携带多种搜潜装备，对于吊放声呐、声呐浮标等可变深度或可在布放前设置工作深度的装备，其作用距离随阵列工作深度、海洋环境、阵列姿态的变化而变化，仅靠人工作业很难准确、快速地计算装备实际作战性能，需要根据实际的海洋环境、平台运动模型和声呐探测模型，借助辅助决策系统进行快速计算，掌握搜潜装备实际作战性能数据，以便机组人员合理运用装备对目标进行搜索、识别、定位和跟踪，充分发挥搜潜装备的作战效能。满足机组人员科学制定作战方案的需要舰载反潜直升机反潜辅助决策系统是直升机科学制定作战方案、精准实施搜攻潜行动、提高反潜作战效率、降低机组成员任务负担的重要作战系统。反潜作战行动主要包括搜索、识别、定位、跟踪和攻击潜艇。能否正确运用反潜直升机搭载的雷达、光电搜索仪、磁探仪、吊放声呐、声呐浮标等多种传感器，尽早发现潜艇，是反潜作战的关键环节，每一种搜潜装备都有其自身的使用特点和使用时机，并有多种使用方法，特别是吊放声呐和声呐浮标，作战性能受海洋环境影响，时效性强，对载机飞行要求高，任务量大，必须根据已掌握的目标信息和环境信息快速规划搜潜方案。在发现目标后，需要综合各方面信息对目标进行识别，并继续使用搜潜装备，采用合适的跟踪方法，连续或间断地保持与潜艇的跟踪接触，以便为使用攻潜武器攻击潜艇或引导其他兵力攻击潜艇提供目标信息。舰载反潜直升机搭载有反潜鱼雷或深弹等攻潜武器，在实施对潜攻击时，必须根据目标信息和海洋、气象环境等，选择合适的攻潜武器和攻击方法，并迅速完成相应的作战规划。舰载反潜直升机搜索、识别、定位、跟踪和攻击潜艇方法多样，行动复杂，持续时间长，指挥决策难度大，必须根据反潜直升机装备性能、搜攻潜作战流程、战术行动方法和机组人员职责，研制与型号配套的、高效的舰载反潜直升机反潜辅助决策系统，为机组人员反潜作战行动提供数据资料支持、搜攻潜装备使用建议和反潜任务规划手段，并合理利用人机交互优化作战方案，从而提高反潜作战行动效能。任务需求分析舰载反潜直升机反潜辅助决策系统的根本任务是为机组人员在实施反潜作战的过程中提供必需的信息支持，辅助机组人员确定搜攻潜作战方案、搜攻潜装备使用方案，以降低机组人员的工作难度和强度，提高反潜作战行动的科学性、准确性和应变能力，充分发挥舰载反潜直升机搜攻潜装备的作战效能。满足直升机多种反潜任务的需要舰载反潜直升机的主要作战任务包括应召反潜、检查反潜和巡逻反潜等，当采用不同的反潜作战方式时，往往采用不同的搜潜方法。如应召反潜时，直升机在舰面或指定空域待命，当获得敌潜艇的情报后，迅速抵达潜艇目标概略位置，以吊放声呐、声呐浮标搜索为主，快速完成对潜艇的搜索和定位，因此，可根据从发现潜艇至巡逻机到达反潜海域这一段时间内潜艇可能的活动半径，确定搜潜范围，根据这一范围确定搜潜装备的布放阵形、搜潜飞行航线等，以求最大限度地提高发现潜艇概率并缩短搜索时间；而检查反潜主要是对潜艇或舰艇编队航线、重要港口、基地附近反复进行反潜搜索，以查明在这一海域有无潜艇，在使用搜潜装备和搜潜方法时，主要以吊放声呐、声呐浮标为主进行反潜警戒，保证搜索区域覆盖任务海域；在实施巡逻反潜时，没有目标初始位置信息，任务海域面积一般较大，以雷达、光电搜索仪和目视搜潜方式为主对指定海域进行大面积搜索，及时发现潜望镜、通气管状态和浅近水面的敌潜艇，重点保证有一定的搜索正面宽度，据此确定搜潜方法及使用的搜潜设备。满足直升机多种战斗过程的需要航空反潜战斗过程可分为搜潜、识别、定位、跟踪和攻击这 个阶段。机组人员需首先根据目标情况、海域水文气象条件等，确定使用何种搜潜设备。确定搜潜设备后，即需确定搜潜海域的大小、搜潜设备的使用方法以及搜潜飞行航路。反潜辅助决策系统应能在一定的输入条件下，为机组人员确定搜潜设备、搜潜海域、搜潜方法提供辅助决策，能辅助机组人员确定吊放声呐和声呐浮第 卷电 光 与 控 制孙心毅等：舰载直升机反潜辅助决策系统需求研究标的作用距离、布放阵形、布放间隔、最佳工作深度、飞行航路，能辅助机组人员确定使用雷达、光电搜索仪、磁探仪搜潜时的飞行航路。当机上传感器探测到目标信息后，机组人员需对目标进行识别定位。反潜辅助决策系统应能通过调用目标特征数据库，对目标信息与数据库信息进行对比分析，辅助机组人员对目标类型进行识别。机组人员在发现、识别目标以后，根据传感器系统获取的目标位置、航向、航速信息，对目标进行跟踪或攻击，或者引导其他反潜兵力对其实施攻击。跟踪的目的是保持对潜艇的接触，不至于丢失目标，为后续使用反潜武器做好准备，或引导其他兵力进行反潜。反潜辅助决策系统应能根据目标信息，辅助机组人员确定使用不同传感器的跟踪方案和跟踪航路。满足直升机协同反潜和指挥引导的需要在反潜作战中，舰载反潜直升机可能单独遂行反潜任务，也可能进行多机协同反潜，还可能与固定翼反潜飞机、水面舰艇等其他反潜兵力进行协同反潜。反潜辅助决策系统应能为机组人员提供反潜海域战场态势、本机及其他兵力的位置、航行要素显示，协同反潜作战方案生成，反潜战术信息分发与接收，指挥引导界面及引导解算等功能，增强舰载反潜直升机的信息处理、体系交互和协同作战能力。系统功能需求分析根据舰载反潜直升机作战流程，反潜辅助决策系统应能辅助机组人员在整个反潜行动过程中的战术决策，系统功能主要分为信息处理保障功能、反潜数据支持及方案管理功能、任务规划功能及系统管理功能等 个方面。信息处理保障功能信息处理保障功能模块主要用于处理战场态势、信息融合与交互、海图 航图信息及反潜过程战术数据记录管理等，可分为态势显示、辅助决策信息显示、信息融合与交互管理、数字海图 航图管理和数据记录与管理等 个功能模块。态势显示）战场态势接收与综合显示。接收上级系统分发的与反潜有关的局部战场态势信息并显示综合态势，包括我方水面舰艇、潜艇、反潜飞机、直升机及其他兵力位置和运动要素，敌方水面舰艇、空中兵力情况及动向。）导航信息及航迹显示。接收并显示来自飞行控制系统的飞行信息，形成并显示本机的航迹及航向、航速、飞行高度等。）目标航迹及航行要素显示。显示目标要素，包括目标性质、位置、航向、航速、航行深度等。辅助决策信息显示）水文气象数据显示。显示机载装备实测后经处理的和数据库储存的有关水文气象数据信息，如温深曲线、气压、气温、相对温度、风速、风向、环境噪声等。）传感器性能预报信息显示。显示机载传感器在实际水文气象条件下的性能预报信息，如吊放声呐作用距离、声呐浮标作用距离、布放深度、主动声呐发射频率、探测盲区等。）辅助决策方案显示。显示反潜辅助决策系统计算出的备选作战方案，如吊放声呐定测点、声呐浮标阵形、搜潜航路规划方案等。信息融合与交互管理）机上信息融合处理。对机上搜潜雷达、声呐搜潜系统中的声信号处理机解算的目标信号、磁探仪、红外探测仪等各传感器获得的目标信息进行融合处理。）辅助决策系统人机交互。支持指挥员对机上辅助决策系统给出的性能预报结果进行战术调整（如调整吊放声呐或声呐浮标战术作用距离），对生成的多套作战方案进行筛选决策，指挥员也可以根据战场态势和个人经验对作战方案进行人工调整后重新生成。）机组人员之间的信息交互。支持机上各战位人员之间的目标信息、报告、指令、请示等信息交互。机组人员主要通过机载计算机通信和机内通话系统进行信息交互。）与其他平台之间的信息交互。支持与同型直升机及其他作战平台（水面舰艇、舰载固定翼侦察、预警、反潜机等）进行信息交互，交互的主要内容包括：潜艇目标信息（如潜艇性质、位置、航向、航速等）、反潜行动信息（如发现潜艇、吊放声呐声呐浮标搜潜、攻击潜艇、毁伤效果等）、指挥引导信息（当反潜直升机担负引导任务时）。交互的手段主要是通过数据链和话音通信。）信息分发与接收处理。支持向上级发送行动请示、报告，向其他反潜兵力发送指挥引导信息；接收上级发送的指挥引导信息；接收其他兵力的目标信息及协同信息。数字海图 航图管理）海图 航图缩放操作。可根据反潜作战需要，进行海图 航图的放大、缩 第 期小和漫游操作。）海图 航图导航切换。可根据反潜作战需要，在导航窗口中快速选择、切换需要显示的海图 航图，所标示的态势可自动随动转换显示。）海图 航图测算。可测量方位距离、曲线长度、区块面积（海里 公里）。）图层选择。分层显示海图信息，机组人员可选择需要的信息显示（如水深、底质、洋流、等深线等）。）图标标示。具有完整的标图功能，机上人员可在海图 航图上标示海上、空中各种目标，形成局部态势图。数据记录与管理记录反潜过程中搜潜、跟踪、攻击等行动信息，便于执行任务后进行复盘评估、战术分析、经验总结等，以提高反潜战术水平。反潜数据支持与方案管理功能反潜数据支持与方案管理功能模块主要为机组人员提供反潜时所需的相应海区水文气象资料和潜艇目标特征资料，以及提供反潜方案的生成、管理等功能。可分为气象水文数据支持与管理、作战方案管理、武器装备数据查询等 个功能模块。气象水文数据支持与管理）反潜气象水文数据加载。反潜辅助决策系统以海洋环境数据库为依托，根据反潜作战任务需要，从中提取当次反潜任务海域及航线附近海域的水文气象数据加载于机上，以供机组人员实施反潜作战时使用。海洋环境数据库是一个庞大的数据库群，不必将所有的数据库和所有海域的数据库加载于机上，只需将反潜作战海域的有关数据库加载即可。）实测气象水文数据管理。可对当次及历次飞行过程中测量并记录的大气和水文资料进行管理，如将实测数据实时显示、发送给指挥所或其他作战平台、查看相关海域历次数据、数据快速下载等。作战方案管理。）作战方案加载。通常部队根据其使命任务和可能的情况，制定有若干个反潜作战预案。反潜作战预案分两个层次：一是指挥所反潜作战预案，二是机组人员反潜作战预案。在实施反潜作战前，指挥所与反潜直升机机组人员根据实际情况，在反潜作战预案的基础上进一步修改完善，制定反潜作战方案。如根据已掌握的目标大致初始位置和可能航向、航速，反潜直升机到达反潜海域所需要的时间以及其他因素等，确定反潜海域、出动兵力数量、出动时间、出航及返航航路、搜 攻潜武器装备挂载方案、保障方案、协同反潜作战方案等。反潜作战方案应采用标准化格式，机上和指挥所通用。在反潜作战方案确定后，反潜直升机出动前，可将反潜作战方案加载至机上，机上辅助决策系统可调用方案。）辅助决策系统方案生成。如果作战过程中目标态势发生了变化，机上反潜辅助决策系统可以根据潜艇目标的态势自动规划出多套作战方案供指挥员选择，并从多种搜潜手段及其组合中选择合理的搜潜方案，生成包括搜潜装备运用方案、航路规划方案、攻潜武器使用方案等新的方案，方案格式与地面制定的预案格式一致。）反潜方案修改、存储及分发。机组人员可对反潜作战方案进行修改和存储，并可发送给其他反潜平台，或发送回指挥所。武器装备数据查询建立本机武器装备性能查询数据库，并为机上人员提供友好的查询界面和数据服务。数据库主要包括搜、攻潜武器装备的战术技术性能、操作使用说明等，机上人员可迅速地进行查询、检索和调阅，供其实施反潜作战决策时参考。任务规划功能任务规划功能可分为吊放声呐定测方案辅助决策、声呐浮标投放方案辅助决策、搜潜航路规划、跟踪航路规划、攻潜航路规划、航路规划管理等 个功能模块。吊放声呐定测方案辅助决策吊放声呐是舰载反潜直升机的主要搜潜装备，探测面积大、搜索效率高、使用灵活，机上辅助决策系统应能辅助机组人员确定吊放声呐的定测方案，发挥吊放声呐最大搜潜效能。为此系统应具备如下功能。）吊放声呐作用距离预报。能根据任务海域的海洋环境数据，结合目标特性数据和吊放声呐的性能参数，对吊放声呐的作用距离、工作频率进行计算并显示，辅助机组人员确定合理的吊放声呐定测方案。）吊放声呐定测点阵形。能根据不同的反潜作战样式，给出吊放声呐定测点阵形方案。）吊放声呐定测方案解算。根据吊放声呐的作用距离、定测时间和直升机飞行速度等信息，解算吊放声呐各定测点经纬度、定测间隔时间、距离；根据任务海域水文环境信息，计算吊放第 卷电 光 与 控 制孙心毅等：舰载直升机反潜辅助决策系统需求研究声呐下放深度等；根据目标的态势信息，计算定测方案的搜潜成功概率。）吊放声呐定测点标示功能。能根据解算的要素，自动标示吊放声呐定测点阵形及间隔、距离、搜索区域、搜索面积等相关参数。声呐浮标投放方案辅助决策声呐浮标是舰载反潜直升机的重要搜潜装备，型号多样，使用复杂，机上辅助决策系统应能辅助机组人员确定声呐浮标的投放方案，使有限的声呐浮标发挥出最大的搜潜效能。为此，系统应具备如下功能。）声呐浮标作用距离预报。能根据任务海域的海洋环境数据，结合目标特性数据和各型声呐浮标的性能参数，对机载的各型探潜声呐浮标的作用距离进行计算并显示，辅助机组人员确定合理的声呐浮标投放方案。）声呐浮标布阵阵形。能根据不同的反潜作战样式、直升机挂载的声呐浮标种类和数量，给出声呐浮标布阵阵形方案。）声呐浮标布阵方案解算。根据声呐浮标的作用距离，解算声呐浮标各投放点经纬度、投放间隔时间、距离，根据任务海域水文环境信息，计算声呐浮标下放深度等；根据目标的态势信息，计算布阵方案的搜潜成功概率。）声呐浮标阵标示功能。能根据解算的要素，自动标示声呐浮标阵阵形及间隔、距离、搜索区域、搜索面积、有效工作时间等相关参数。）声呐浮标管理。可对直升机装载的声呐浮标进行管理，实时更新浮标数量和类型，根据浮标布阵阵形自动匹配声呐浮标，根据浮标解算要素发送浮标投放指令。搜潜航路规划）吊放声呐搜潜航路规划。根据指挥员确认的定测点阵形方案以及直升机导航系统信息，自动解算各阶段飞行航路和飞行参数。）声呐浮标搜潜航路规划。浮标投放航路：能根据机组人员确认的声呐浮标阵形方案，根据直升机导航系统信息，自动解算直升机投放浮标间隔时间、距离，直升机投放浮标时的飞行参数（航速、转弯角）。浮标监听航路：根据声呐浮标的无线电作用距离，以及投放的声呐浮标阵形，自动解算直升机监听声呐浮标时的飞行航路、高度和速度。）雷达搜潜航路规划。根据确定的搜潜方法、雷达探测性能以及直升机导航系统信息，自动解算采用雷达搜潜时的飞行航路要素（速度、高度、相邻两条搜索航线间隔、各转弯点、转弯角、进入 退出搜潜区域的方向等）。）光电搜索仪搜潜航路规划。根据确定的搜潜方法、光电搜索仪性能以及直升机导航系统信息，自动解算采用光电搜索搜潜时的飞行航路要素（速度、高度、相邻两条搜索航线间隔、各转弯点、转弯角、进入 退出搜潜区域的方向等）。）磁探仪搜潜航路规划。根据确定的搜潜方法、磁探仪性能以及直升机导航系统信息，自动解算采用磁探仪搜潜时的飞行航路要素（速度、高度、相邻两条搜索航线间隔、各转弯点、转弯角、进入 退出搜潜区域的方向等）。跟踪航路规划反潜直升机发现潜艇后必须继续使用搜潜设备保持与潜艇的接触，系统应能根据发现的目标信息（航向、航速、深度），规划使用不同的跟踪器材时的跟踪方法及跟踪飞行航路。如处于水面、通气管或潜望镜状态的潜艇发现有反潜直升机后，通常会立刻下潜进行规避，因此主要的跟踪器材是声呐和磁探仪。跟踪航路规划主要包括：吊放声呐跟踪方法及航路规划、声呐浮标跟踪方法及航路规划以及磁探仪跟踪方法及航路规划。攻潜航路规划根据传感器获取的目标运动信息、直升机飞行要素以及攻潜武器投放要求，生成攻潜航路，包括以下两点。）鱼雷攻潜航路规划。根据直升机导航系统信息、潜艇目标位置、航向、航速，鱼雷射程及发射条件，自动解算攻潜航路，包括投雷方式、投雷点、投雷高度、速度等。）自导深弹攻潜航路规划。根据直升机导航系统信息、潜艇目标位置、航向、航速、航行状态（水面、半潜、通气管、潜望镜等），投放深弹条件要求，自动解算攻潜航路（包括进入战斗航路的直升机要素、投雷点、投雷高度 速度等）。航路规划管理系统能对各种搜索、跟踪、攻击潜艇的航路进行管理，如对航路进行修改、删除、保存、下载、加载等。系统管理功能系统管理功能模块主要包括以下 点。）用户管理。能设置用户名、密码，并可进行增加、删除用户名、修改密码等操作。）故障自检诊断功能。系统设备具有自检程序，可检测系统软件、硬件故 第 期障并定位。）用户帮助。为机上人员提供帮助文档，有完整的系统说明及操作指南。结束语舰载直升机反潜手段多样，搜潜设备受水文气象条件影响性能变化明显，加之反潜任务过程复杂，采用不同的反潜作战方式时，往往采用不同的搜潜设备和搜潜方法，人工作业难以准确把握设备性能，科学制定作战方案，因此有必要研制符合舰载反潜直升机作战需求的反潜辅助决策系统。本文根据舰载反潜直升机作战流程，机组人员在整个反潜行动过程中的战术决策需求，将反潜辅助决策系统功能需求分为信息处理保障功能、反潜数据支持及方案管理功能、任务规划功能及系统管理功能等 个方面，并进行了深入分析，对反潜辅助决策系统设计具有一定的参考价值。参 考 文 献 屈也频，廖瑛 航空反潜搜索方案辅助决策系统研究 电光与控制，（）：屈也频 反潜飞机搜潜效能评估与决策建模 北京：国防工业出版社，：屈也频 反潜巡逻飞机搜潜辅助决策系统建模与仿真研究 长沙：国防科学技术大学，屈也频，廖瑛 基于可变权重模糊集的搜索方案模糊决策模型 火力与指挥控制，（）：张丙飞，孙心毅，成建波 单机吊放声呐应召反潜探测概率的计算与优化 航空电子技术，（）：杨兵兵，鞠建波，张鑫磊 反潜巡逻机浮标布阵应召搜潜效能研究 系统仿真技术，（）：赵海潮，饶炜，程浩，等 航空声呐浮标搜潜系统总体技术研究 声学与电子工程，（）：闫明松，杨曦中，姚子羽，等 基于神经网络的最优浮标布阵智能决策方法 航空电子技术，（）：谭安胜 反潜巡逻机声呐浮标应召搜索研究态势分析与包围阵参数确定 电光与控制，（）：谭安胜 反潜巡逻机声呐浮标应召搜索研究搜索兵力运用与部署 电光与控制，（）：李辰，孟凡红 航空反潜任务中的浮标定位阵参数计算方法 航空电子技术，（）：谭安胜，王新为，尹成义 反潜巡逻机磁探仪区域搜索研究 电光与控制，（）：谭安胜，王新为 反潜巡逻机磁探仪巡逻搜索研究 电光与控制，（）：下期要目新型 级联码复杂环境下无人机三维航迹规划及避障算法对微小卫星的检测前跟踪算法研究基于 改进的少样本目标检测算法基于 和多注意力的低光照航拍图像增强方法基于改进 滤波和自适应滤波的组合导航算法研究无人机互干扰抑制的雷达通信一体化波形设计基于 改进的无人机图像匹配算法轻量化 图像舰船目标检测算法谐振光纤陀螺信号检测的新方法设计和验证指数变增益迭代学习控制最优增益研究基于匈牙利融合遗传算法的多无人机不平衡目标分配第 卷电 光 与 控 制