evasion

第31卷第1期交 通 科 学 与 工 程Vol.31No.1

2015年3月JOURNALOFTRANSPORTSCIENCEANDENGINEERINGMar.2015■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

收稿日期

:2014-09-05

基金项目

:

军队

“2110

”

三期工程资助

;

海军

“

十二五

”

预研项目

;

海军大连舰艇学院学术预研课题

作者简介

:

李 伟

(1981-

),

男

,

大连舰艇学院讲师

,

硕士

。

文章编号

:1674-599X(2015)01-0103-05

一种方位队形舰艇编队规避航向优选方法

李 伟

,

易成涛

,

王书晓

,

周红进

(

海军大连舰艇学院航海系

,

辽宁大连 116018)

摘 要

:

为了判断舰艇编队规避的有效性

,

必须考虑编队内部所有舰艇的规避情况

,

以确保各舰的相对

航向线均满足约束条件限制

。

为此

,

针对方位队编队队形特点

,

提出一种绘算方法

。

以机动态势为基

础

,

通过分析方位队队形相对运动带与规避距离之间的关系

,

确定方位队编队整体规避距离

,

从而解决

编队整体规避航向的解算问题

,

并通过实例验证了所提出算法的有效性与优越性

。

关键词

:

舰艇编队

;

方位队

;

相对运动带

;

规避航向

;

规避距离

中图分类号

:U675.96 文献标识码

:A

Ano

p

timumekin

g

methodofazimuthformationevasioncour

LIWei

,

YIChen

g

-tao

,

WANGShu-xiao

,

ZHOUHon

g

-

j

in

(

De

p

artmentofNavi

g

ation

,

DalianNavalAcadem

y

,

Dalian116018

,

China

)

Abstract:

Inorderto

j

ud

g

ethevalidit

y

ofwarshi

p

formationevasion

,

itisanim

p

ortant

p

ointthatconsiderin

g

theevasionvalidit

y

ofallwarshi

p

swithinformationtoinsureeach

relativecourfillthere

q

ore

,

anewim-

p

rovedal

g

orithmassociationrulesformanoeuvreevasionis

p

rentedtomakeuofthe

relativemovementstri

p

.Inviewofthecharacteristicsoftheshi

p

formation

,

somerear-

chesontherelationshi

p

saredonebetweenrelativemovementstri

p

andevasiondis-

tance

,

theo

p

timumekin

g

methodofazimuthformationevasioncouris

p

rentedto

p

leofazimuthformationshowsthe

effectivenessandsu

p

eriorit

y

oftherelativemovementstri

p

.

Ke

y

words:

shi

p

formation

;

azimuthformation

;

relativemovementstri

p

;

evasioncour

;

evasiondistance

海上编队舰艇数量依据不同的战术目的而

定

,

其队形的编成形式也是多样的

。

其中最简单

的基本队形称队列

,

包括纵队

、

横队

、

梯队和方位

队等

,

各种基本队形有着各自的特性

,

方位队指其

他各舰位于基准舰某一方位线上的队形

[

1-2

],

如图

1所示

。

舰艇在海上为达到某种预期目的

,

例如

:

避免与敌遭遇或者在完成了某项任务后要求迅速

脱敌等

,

均需要采取变向或变速机动

,

这种机动方

法称为规避机动

[

3

]。

编队防御和规避是海上对抗

图1 编队方位队队形

Fi

g

.1 Azimuthformation

的基本形式之一

,

航海人员都使用舰操图来求解规

避机动航向

。

在解决类似问题时

,

应以简明而迅速

的方法解决为主

。

本研究考虑避开编队内部舰艇

的逐一单独绘算

,

利用相对运动带来整体绘算方位

队条件下舰艇编队规避敌方潜艇的机动航向

。

1 队列要素及机动态势分析

1.1 海上舰艇编队队列基本要素

舰艇编队的队形由队列的纵深与宽度看齐

,

主要以舰与舰之间的间距等参数表示

[

4-5

]。

①基

准舰是线性编队其他舰艇保持队形位置的基准

,

可为一至多条舰艇

。②队列线是由基准舰开始

,

连接队列中各舰指定位置所在点形成的直线

。

队

列方位指正北与队列线之间的夹角

,

按顺时针方

向从0°到360°计算

。③队列角是队列线与编队航

向之间的夹角

,

由基准舰向右

(

左

)

舷从0°到180°

计算

。

1.2 两舰定向定速机动态势

在定向定速条件下

,

两条舰艇的机动态势可

利用数学解析来表述

。

为了提高解算速度

,

舰艇

航海人员通过采用舰操图绘算的方法来实现

。

为

简化计算

,

尽可能地提高绘算速度

。

在精度允许

的前提下

,

将舰艇位置视为几何点

,

同时把舰艇运

动看作是点的运动

[

6

]。

按照相对运动理论

,

如果

将目标舰艇视为静止点

,

则两舰定向定速机动态

势如图2所示

。

C

m

C

r

C

rt

T

0

M

0

D

Q

A

B

ρ

γ

图2 定向定速舰艇相对运动态势

Fi

g

.2 Relativemovementtrend

本舰与目标舰初始分别位于M

0

和T

0,

本舰

航向C

m,

获知目标舷角为Q,

距离为D,

则本舰对

目标的相对航向为C

r,

目标对本舰的相对航向线

为C

rt。

定义舰艇航向线与相对航向线的夹角为

其相对航向线舷角

[

7

],

则ρ,γ分别为本舰与目标

舰艇相对舷角

(

为计算方便

,

定义向左为

“-

”,

向

右为

“+

”)。

1.3 方位队相对运动带

在一定的战术背景下

,

方位队编队需要保持

良好的队形

,

由于编队队形涵盖一定的区域

,

在进

行机动绘算时

,

如果再将舰艇位置当成点

,

可能会

造成较大误差

,

提高规避所需时间

,

甚至会影响到

编队内部舰艇的规避安全

。

因此

,

编队内部舰艇

在进行规避绘算时

,

不能再当作点的运动

,

而是根

据编队队形配置

,

将舰艇位置当作一条直线或一

个区域的面运动

。

在解算编队问题时

,

应把编队

看作具有一定面积或宽度的整体在运动

,

这条直

线或区域称为编队相对某一目标运动的编队相对

运动带

[

8

]。

海上舰艇编队以航速V

m

沿航向C

m

航行

,

M

1,M

2,…,Mi

多条舰艇构成方位队

,M

1

和M

2

分别为殿后舰和前导舰

,

两舰舰间斜距为D,

获知

存在潜艇T以航速V

t

沿航向C

t

航行

。

根据相对

运动原理

,

假定以潜艇为中心点

,

则编队内部任意

一条舰艇Mi

对潜艇的相对航向为C

r。M

1

和M

2

的两条相对航向线之间的区域

,

即为该方位队的

相对运动带

[

9

],

如图

3所示

。

C

m

C

r

T

M

1

D

A

C

m

C

r

M

2

D

r

α

β

ρ

V

t

V

m

V

r

图3 队形相对运动带

Fi

g

.3 Formationrelativemovementstri

p

定义两条相对航向线之间的垂直距离M

2A

为编队相对运动带宽度D

r,

则

D

r=

M2A

=

Dsinα

。(

1

)

式中

:α为基准舰相对航向线与编队队列线的夹角(

以C

r

为基准

,

向左为

“-

”,

向右为

“

+

”);β为队

列角

。

α

=

β

+

ρ。(

2

)

由式

(1

)

可知

,D

r

以相对航向线C

r

为基准

,

向

左为

“-

”,

向右为

“

+

”,

其符号与α的符号相同

。

401

交 通 科 学 与 工 程 第31卷

2 规避距离的确定

水面舰艇在对潜艇防御方面

,

软

、

硬武器的作

战使用方法研究得比较多

。

在无法直接对抗时

,

利用规避

[

10

]

可以实现避免与敌遭遇或是在已经遭

遇的情况下

,

设法降低敌潜艇使用武器效果等

。

因此

,

舰艇利用规避机动避开敌人或降低敌人的

突击效果

,

也是对潜艇防御的有效方法

。

2.1 对潜艇防御性规避航向与距离的关系

水面舰艇一旦在一定距离时发现潜艇或通过

其他途径预先判明潜艇活动区域

,

如果该距离大

于敌潜艇发现并攻击本舰的距离

,

则可以根据鱼

雷预定命中等概率圆大小以及潜艇最大占位航速

V

rmax,

确定本舰避开潜艇有效攻击范围的最短距

离D

ds,

选择合适的机动航向保持本舰于D

ds

以外

通过潜艇活动区域

,

如图4所示

。

由于战术上要

求尽快通过潜艇威胁区域

,

故选取航向改变量小

的相对运动航线作为规避航向

。

M

0

C

r

C

r

ρ

C

m

M

n

γ

Q

T

n

T

0

C

tmaxD

0

D

ds

C′

r

图4 规避航向求解

Fi

g

.4 Evasioncour

g

eometricalcalculation

2.2 方位队规避距离的分析

虽然舰艇编队可以解散编队各自按照单舰规

避的思路解决整体规避问题

,

但是在一定的战术

背景下

,

编队航行时的约束条件很多

。

如

:

编队防

御部署时

,

受武器性能

、

舰间距离

、

编队机动

、

指挥

通讯及火力协同等因素影响

,

即便编队航向航速

改变时

,

相应防护区域也应跟随基准舰要素变换

作相应移动

,

并尽可能保持原来队形

,

防止在运动

过程中出现区域防御漏洞

。

编队于潜艇右侧通过时的活动区域如图5所示

。

过T

0

作C

r

的垂线

,

垂足分别为M

1′和M

2′

,M

2A为

编队相对运动带宽度D

r,

定义基准舰规避潜艇距

离为D

dm,

编队舰艇与潜艇的最近距离为D

min。

C

m

C

r

T

0

M

1

D

A

C

m

C

r

M

2

D

r

V

t

V

m

V

r

M

2

′

M

1

′

α

图5 编队规避距离

Fi

g

.5 Formationevasiondistance

如果M

1

为编队基准舰

,

根据式

(1

),D

r

为

“

+

”,

相对运动带偏在基准舰相对运动航向线右

侧

,

则

D

min=

T0M1′

=

Ddm。(

3

)

如果M

2

为编队基准舰

,

相对运动带偏在基

准舰相对运动航向线左侧

,

根据式

(1

),Dr

为

“

-

”,

且

D

r=

Dsin

[-(

180°

-

α

)]=-

Dsinα。(

4

)

D

min=

Ddm+

Dr=

T0M2′

-|

Dr|

。(

5

)

同理可证

,

如果方位队形编队于潜艇左侧通

过

,

以基准舰相对航向线为基准

,

满足

:

D

min=

D

dm,

相对运动带偏在背向潜艇异侧

;

D

dm-

Dr,

相对运动带偏在靠近潜艇同侧

。{

(

6

)

在敌我机动性能一定的情况下

,

利用队形运

动带

,

选择规避航向保证D

min

≧D

ds,

就能避开潜

艇威胁

。

由基准舰进行绘算

,

编队其余舰艇保持

队形

,

代入式

(6

),

基准舰规避距离满足

:

D

dm=

D

ds,

相对运动带偏在背向潜艇异侧

;

D

ds+

Dr,

相对运动带偏在靠近潜艇同侧

。{

(

7

)

3 算例分析

3.1 背景假定

假定6艘舰艇执行物资运送任务

,

航渡过程

中组成020°.0方位队

,

舰间斜距4cab

,

以

18kn航

速沿航向000°.0航行

,

接通报航线前方有地方潜

501

第1期李 伟

,

等

:

一种方位队形舰艇编队规避航向优选方法

艇活动

,

获知潜艇位于基准舰方位010°.0

、

距离

180cab

,

最大航速

12kn

。

为保持攻防态势不变

,

编队欲保持方位队队形从潜艇80cab外通过

。

同

时

,

为最大程度降低潜艇威胁

,

要求编队尽快通过

潜艇威胁区域

。

为计算方便

,

绘算时不计量编队

转向时间滞后和相对位置变化所产生的影响

。

3.2 常规编队规避迭代算法

编队规避与单舰规避的区别

,

在于要考虑到

所有舰艇的规避效果

,

以确保编队内部舰艇的安

全

。

在确定规避潜艇预定距离Dds

后

,

如果不考虑

编队整体队形

,

可以分别标绘编队内部每一艘舰

艇的规避航向

。

具体执行时

,

解散编队自行进行

规避

。

待规避完成后

,

再次集结组成原编队队形

,

绘算结果

(

见表1

)。

表1 单舰规避机动绘算结果

Table1 Theresultsofsim

p

lexevasion

p

lot

基准舰艇初始方位初始距离规避航向

M

1010°.0180.0301°.8

M

2009°.8176.0301°.0

M

3009°.6172.1300°.1

M

4009°.4168.1299°.2

M

5009°.2164.2298°.2

M

6009°.0160.3297°.3

如果编队要执行统一航向

,

按照表1

,

将所有

绘算结果提供给编队其他舰艇

,

按照各自态势迭

代计算

,

以满足编队所有舰艇的规避航向作为编

队的最佳规避航向

。

基于这一思想

,

可以选取最

大规避角度297°.3作为编队规避航向

。

虽然这种

方法可以确定方位队编队规避航向

,

但显然过于

繁琐

。

3.3 编队运动带整体规避算法

如果将编队作为整体

,

也就是引入编队运动

带进行规避计算

,

需要确定编队整体规避距离

,

其

步骤为

:①初始相对态势分析

。

将D

ds

代入

,

作预

定距离圆切线

,

并将它定为初始相对运动航向

线

。

按照潜艇位于舰首前方位置

,

选择航向改变

小的作为规避相对运动航向线

。

如果潜艇初始位

于编队航线正前方

,

具体规避航向的选择取决于

同编队运动带的位置关系

。

方位队规避绘算如图

6所示

。

从图6中可以看出

,

选择向左规避

,

相对

航向C

r1=

344°.0

;

②以基准舰相对运动航向线为

基准

,

判断相对运动带与潜艇位置的关系

。

由图6

可知

,

该方位队队形运动带背向敌潜艇异侧

。③

根据式

(1

),

计算编队相对运动带宽度

。

通过绘算

可得

,D

r=-

12cab

。

如果相对运动带偏在潜艇同

侧

,

无需绘算编队相对运动带宽度

,

该步可以跳

过

;④根据式

(7

),

计算基准舰规避的距离

。D

dm=

D

ds+|

Dr|=

80

+

12

=

92cab

;

⑤根据单舰规避潜

艇于预定距离的绘算方法

,

将D

dm

代入

,

重新作距

离圆同侧切线

,

确定规避机动相对航向线

。C

r2=

339°.0

;

⑥标绘编队规避航向

。

根据C

r2

标绘的

速度三角形

,

可得编队避让航向C

m2=

297°.5

。

C

r1

M

1

M

2

V

m

M′

1C

r2

V

r

T

0

V

t

C′

r1

图6 方位队规避绘算

Fi

g

.6 Azimuthformationevasion

p

lots

经过推演验证

,

采用该规避航向

,

基准舰与潜

艇的最大距离为92cab

,

编队最外侧舰艇与潜艇

的最近距离为80cab

,

其余各舰距离介于两者之

间

,

满足规避要求

,

绘算结果与单独绘算编队内部

各舰规避航向综合比对结果相一致

,

存在一定误

差是由于在绘算过程中数据简化所致

,

可以忽略

不计

。

此外

,

相对运动带宽度D

r

的确定应该以编

队实际规避相对运动线C

r2

为基准

,

由于C

r1

和C

r2

的差比较小

,

所生成的编队相对运动带宽度变化

量也较小

,

在进行机动绘算时

,

以C

r1

代替C

r2

计算

所产生的误差也可以忽略不计

。

实际执行时

,

用

该方法绘算的结果能够满足精度要求

。

4 结论

针对方位队编队规避舰艇航向确定问题

,

借

鉴编队相对运动带

,

作者提出了一种编队整体规

避绘算方法

。

根据编队规避约束条件

,

给出了编

601

交 通 科 学 与 工 程 第31卷

队整体规避时规避距离的模型描述

,

并按照单舰

规避航向解算模式建立了方位队编队规避时的具

体绘算方法

。

通过实例分析

,

验证该方法能有效

利用编队运动带得到规避航向最优解决方案

。

同

时

,

纵队队形舰艇编队和横队队形舰艇编队是方

位队的特殊队形

,

在进行规避机动时

,

也可以基于

编队运动带原理

,

结合具体情况

,

进行分析

。

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701

第1期李 伟

,

等

:

一种方位队形舰艇编队规避航向优选方法

一种方位队形舰艇编队规避航向优选方法

作者：李伟，易成涛，王书晓，周红进，LIWei，YICheng-tao，WANGShu-xiao，

ZHOUHong-jin

作者单位：海军大连舰艇学院航海系,辽宁大连,116018

刊名：

交通科学与工程

英文刊名：JournalofTransportScienceandEngineering

年，卷(期)：2015(1)

引用本文格式：李伟.易成涛.王书晓.周红进.ng-jin一种方位

队形舰艇编队规避航向优选方法[期刊论文]-交通科学与工程2015(1)