航母編隊航渡階段中程防空哨艦預警探測與防空效能模型

于 括, 趙國艷

(1.92941部隊96分隊, 遼寧 葫蘆島 125000;2.海軍航空大學, 山東 煙臺 264001; 3.91550部隊, 遼寧 大連 116000)

航母編隊航渡階段中程防空哨艦預警探測與防空效能模型

于 括1,2, 趙國艷3

(1.92941部隊96分隊, 遼寧 葫蘆島 125000;2.海軍航空大學, 山東 煙臺 264001; 3.91550部隊, 遼寧 大連 116000)

航母編隊在航渡過程中,中程防空哨艦是防空作戰的重要單元,具備中遠程高空探測和對空攔截作戰能力。分析了中程防空哨艦在航渡階段防空作戰中的陣位配置問題,區分對敵航空兵力和反艦導彈兩種情況,分析了影響中程哨艦預警探測能力和攔截效能的因素,分別建立了戰斗能力模型。利用Matlab仿真了相關因素變化時中程哨艦預警探測能力和攔截效能的變化規律,驗證了模型的適用性。

航母編隊; 中程防空哨艦; 陣位配置; 預警探測; 防空效能

中程防空哨艦是航母編隊航渡階段防空作戰的重要武器平臺。它既可以通過對空搜索雷達、超視距雷達,對來襲兵力遠程預警探測,充當航母編隊的早期預警系統;又具有很強的防空反導能力,可以在中遠程對來襲的航空兵和反艦導彈進行攔截抗擊。通過中程防空哨艦合理的戰法研究和陣位配置,可以很大限度地提升航母編隊的預警探測和防空作戰能力。

航母編隊防空作戰,主要的防御目標是敵方航空兵以及各種平臺(水面艦艇、航空兵、岸基導彈部隊、潛艇等)發射的遠程反艦導彈。航母編隊對空防御作戰采取艦空結合、遠近結合和軟硬結合的方式,構建以航母為核心的大縱深、多層次和有重點的對空防御體系。按照防空武器的作用范圍,通常將編隊的對空防御體系劃分為遠程、中程和近程三個區域,中程防空作戰主要由具有區域防空作戰能力的防空哨艦來承擔[2],配置在主威脅軸方向[3]并適當前出,負責航渡階段中遠程的防空作戰。

1 影響防空哨艦預警探測和防空效能的因素和戰績指標

影響預警探測和防空效能的因素有三個。

1)前出距離:前出距離是防空哨艦前出陣位到航母的直線距離，用Dsq表示。前出距離主要受敵我態勢、通信能力和作戰要求等因素的影響。

2)探測距離:通常情況下按雷達視距確定其探測距離：

其中，h1為中程防空哨艦雷達高度，h2為敵防空兵突襲高度[4]。

3)威脅扇面:是指敵空襲兵力兵器可能的來襲方向與航母編隊的環形防空體系交出的扇面區域。

中程防空哨艦防空作戰預警探測和防空效能的戰績指標為

1)預警概率:中程防空哨艦探測到雷達預警范圍內的來襲目標并向編隊發出預警信號的概率。

2)有效預警概率：成功引導艦載航空兵對預警范圍的來襲航空兵在截擊線前進行至少一次攔截的概率。

3)攔截概率：在防空哨艦最大航路捷徑內，有效攔截來襲目標的概率。

2 對航空兵戰斗能力模型

敵航空兵突襲應分兩種情況考慮，如圖1所示。

1)當敵航空兵出航后不再進行航路規劃，到達空艦導彈最大射程后(圖中小圓所示)即發射空艦導彈返航，此時威脅扇面是敵航空兵最大作戰半徑R和截擊線所交弧對應的扇面。

圖1 防空哨艦的對空攔截抗擊能力

在△EOOd中由余弦定理可得：

對應的威脅扇面角為

?1=2∠EOOd。

2)當敵航空兵出航后進行航路規劃，以形成多方向攻擊態勢，此時敵航空兵飛行路線，從Od飛至B點后轉向E點發射反艦導彈沿OOd返航。當OdB+BE+OdE=2R時，扇面角∠BOOd取最大值：

在△BOOd中，由余弦定理：

(1)

同理在△EOOd中，

(2)

BE+BOd+OdE=2R

(3)

約束條件臨界值：

小于臨界值時，由式(1)～(3)可得威脅扇面角的隱函數：

f(∠BOOd)=0

大于臨界值時，威脅扇面角的隱函數：

+a·Dyj+Dyj-Djj=2R

可表示為

g(a)=0

對應的威脅扇面角為

?=max (?1，?2)

其中，Dyj為前出哨艦最小預警距離；Ddw為敵我距離；Djj為敵空艦導彈最大射程；Dlj為中程防空哨艦最大航路捷徑。

預警扇面角是指敵方航空兵在我預警扇面范圍內，我防空哨艦能夠對其進行探測跟蹤，但在扇面內，防空哨艦只能對部分區域內的目標進行攔截，如圖1中DOD′所對應扇面區域Ⅲ，在△HOOs中：

故預警扇面角為

有效預警扇面是指防空哨艦的探測圓和航母編隊的最小預警距離相交的扇面，如圖1中∠AOA′對應的扇面區域Ⅰ,在該扇面內防空哨艦既可以探測和攔截敵來襲兵力，又可以引導我艦載航空在敵航空兵發射空艦導彈前進行至少一次攔截。在△AOOs中：

則有效預警扇面角為

攔截扇面是指敵方航空兵在我方攔截范圍內，我防空哨艦能夠對其進行攔截的扇面，如圖1中∠COC′對應的扇面區域，我防空哨艦對來襲航空兵或其發射的反艦導彈均可進行攔截，但在扇面區域Ⅱ中，防空哨艦預警信息不能引導艦載戰斗機進行攔截，在△GOOs中：

故攔截扇面角為

假設敵在威脅扇面內的突擊概率服從概率密度函數為f(x)的某種分布，綜上所述：

防空哨艦前出后對空襲目標的預警概率為

防空哨艦前出后對空襲目標的有效預警概率為

防空哨艦前出后對空襲目標的攔截概率為

其中，Pst防空哨艦的探測概率；Plj防空哨艦的攔截概率。

3 對反艦導彈戰斗能力模型

對反艦導彈的戰斗能力計算不同于對航空兵。反艦導彈發射后不需要考慮返航問題，飛行距離取決于導彈最大航程；反艦導彈機動能力有限，發射后即使能夠進行航路規劃，其轉向次數有限且轉向角一般不大于90°；綜上所述，抗擊反艦導彈的模型更近似于橢圓模型，如圖2所示。

圖2 防空哨艦的對空攔截抗擊能力

按照航路規劃角度不超過90°的原則和橢圓態勢關系，在敵導彈進行一次航路規劃的情況下，敵發射平臺、防空哨艦和來襲導彈滿足：

則

從而可計算出威脅扇面角：

其中，Dds敵反艦導彈的最大射程；Ddw敵反艦導彈距我航母距離。

在△OEO′中，O′E為防空哨艦防空導彈的最大航路捷徑，則防空哨艦最大攔截扇面角：

所以防空哨艦前出后對反艦導彈的攔截概率：

4 仿真分析

1)來襲兵力為航空兵

假設來襲敵航空兵力呈均勻分布基本參數如表1所示，仿真所用參數部分來自公開裝備的基本參數和想定作戰的模擬數據。用Matlab仿真分析前出距離對中程防空哨艦戰斗能力的影響。

表1 仿真基本參數參考值

將仿真參數代入上述公式，由Matlab仿真得到結果如圖3所示。

圖3 陣位配置對抗擊航空兵作戰的影響

仿真結果：中程防空哨艦的預警距離隨陣位配置前出距離增大，有效預警概率先增大后減小，預警概率和攔截概率逐漸較小。

2)來襲兵力為反艦導彈

假設來襲反艦導彈呈均勻分布，我防空哨艦可對來襲導彈進行至少兩次抗擊。用Matlab仿真基本參數如表2所示，分析在不同前出距離中程防空哨艦的戰斗能力。

表2 仿真基本參數參考值

將仿真參數代入上述公式，由Matlab仿真得到結果如圖4所示。

圖4 陣位配置對抗擊反艦導彈作戰的影響

仿真結果：中程防空哨艦對反導攔截概率隨前出距離增大而減小。

結論：從仿真結果看，中程防空哨艦的前出距離不存在全局最優解，但是可以根據作戰目的和戰場態勢找到相對較優解，中程哨艦的陣位配置并不固定，要根據戰場態勢和作戰目標實時調整和優化。

5 結束語

中程防空哨艦兼備對空預警探測和火力打擊能力，在航母編隊防空作戰中變化陣位配置應對不同的戰場態勢，提高防空作戰效能。本文針對來襲航空兵和反艦導彈，分別建立了數學模型和仿真結果，從仿真結果計算可以看出陣位配置不同和來襲目標不同會影響編隊的防空作戰效能。因而在實際作戰中針對不同的敵我態勢，可以找到相對最佳的陣位配置，為航母編隊航渡階段防空系統的陣位配置優化提供理論基礎。

[1] 徐圣良,王振波,吳曉鋒，等.航母編隊航渡過程中防空哨艦陣位確定方法研究[J].指揮控制與仿真,2007,29(4):54-58.

[2] 沈治河,樸成日.航渡中航母編隊基于區域防御警戒艦陣位配置[J].計算機仿真,2013,30(2):9-12，33.

[3] 馮威,王平,程子光.航母編隊受到的敵空襲威脅扇面大小預測模型[J].艦船科學技術,2011,33(7):119-122.

[4] 黃山良,卜卿,梅發國，等.防控探測預警系統與技術[M].北京:國防工業出版社,2015.

[5] 馬良.艦空導彈網絡化協同反導作戰效能分析[M].北京:國防工業出版社,2016.

EW and Air-Defense Efficiency Mathematic Model of Medium-RangeAir-Defense Ship in Navigating Phrase of Aircraft Carrier Formation

YU Kuo1,2， ZHAO Guo-yan3

(1.PLA 96 Division of 92941 Unit, Huludao 125000； 2.Naval University of Aeronautics, Yantai 264001；3.PLA 91550 Unit, Dalian 116000, China)

During the navigation period of the aircraft carrier formation, the air-defence-guard ship is an important unit which has intermediate-range aerological sounding and air interceptor combat capability. This paper analyses the position configuration problem of the air-defence-guard ship during the air defense operation of navigation period, The similarities and differences of the position configuration model are distinguished emphatically between the enemy air forces and anti-ship missiles. The combat models are set up to research the factor of the detection and interception capability of the air-defence-guard ship. The different variable’s impact on the detection and interception probability is analysed. This paper uses MATLAB to simulate the change regulation factors of early warning detection ability and intercept air-defence-guard,and verifys the applicability of the model.

aircraft carrier formation; air-defence-guard ship; position configuration; interception detection; early warning; air-defense efficiency

1673-3819(2017)06-0026-04

TJ630.3+4；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.006

2017-09-16

2017-10-12

于 括(1988-),男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，研究方向為作戰運籌分析。趙國艷(1965-)，女，高級工程師。