艦船水下自防御系統(tǒng)及其指揮控制功能設(shè)計

陳顏輝，王元斌，強超超

（中船重工集團公司第七○九研究所，武漢 430205）

0 引言

“自防御系統(tǒng)（Self-Defense System）”的概念由美國海軍首先提出，特指裝備于非“宙斯盾”級艦艇上的一種近程防空系統(tǒng)——SSDS（Ship Self-Defense System），該系統(tǒng)采取開放式的體系架構(gòu)，能對相關(guān)傳感器資源、軟硬武器資源和指揮控制單元進行系統(tǒng)集成［1］。其中“自身防御”和“自動化、智能化防御”是SSDS 中“自防御”概念的兩項基本特征，以此為基礎(chǔ)可實現(xiàn)對來襲反艦導(dǎo)彈的快速、分層、優(yōu)化的多種武器綜合防御攔截。隨著SSDS 的研制成功和大量列裝，其先進的設(shè)計理念也影響到了水下作戰(zhàn)領(lǐng)域，水下自防御系統(tǒng)的研發(fā)成為當(dāng)前艦船水下裝備建設(shè)中的一項全新概念，下面將探討水下自防御系統(tǒng)及其指揮控制（以下簡稱指控）功能設(shè)計中的幾個重要問題。

1 水下自防御系統(tǒng)研究范疇的界定

將自防御概念從SSDS 中引入到水下作戰(zhàn)領(lǐng)域并不是簡單的機械式套用，而應(yīng)與艦船水下防御的基本特征相結(jié)合，形成對這一領(lǐng)域變革式發(fā)展階段的形象描述。下面從艦船水下作戰(zhàn)中兩項最主要任務(wù)——反潛和魚雷防御的角度來探討水下自防御系統(tǒng)的研究范疇。

水面艦艇反潛作戰(zhàn)可分為搜潛、攻潛和防潛3個任務(wù)方向，也可分為單艦反潛、編隊反潛兩個組織層面，單艦對潛防御相對而言更能體現(xiàn)“自身防御”的某些特征。但是無論從哪種組織層面或任務(wù)方向來講，反潛作戰(zhàn)都主要側(cè)重于對反潛兵力的部署、探潛器材的運用以及反潛武器的使用?！白詣踊?、智能化”的防御需求既不突出也不迫切，人員指揮藝術(shù)在低效的反潛行動中始終扮演著決定性作用。因此，將反潛作戰(zhàn)視為水下自防御系統(tǒng)所要解決的核心內(nèi)容有些牽強。

水面艦艇魚雷防御與導(dǎo)彈防御存在較多相似性，兩者均強調(diào)對緊迫態(tài)勢的快速反應(yīng)、對多種手段的綜合運用、對防御決策的優(yōu)化制定，也都具備實現(xiàn)“自身防御”與“自動化、智能化防御”的基本條件，因此，可將水下自防御系統(tǒng)視為是對綜合防御魚雷技術(shù)智能化水平發(fā)展到一定階段的定性描述。需要說明的是，SSDS 中“自防御”的概念主要是相對于編隊區(qū)域防空而言的，而魚雷防御技術(shù)長期以來都是聚焦于單平臺作戰(zhàn)層面，要體現(xiàn)出與傳統(tǒng)魚雷防御系統(tǒng)的區(qū)別，就要在水下自防御系統(tǒng)設(shè)計中更加突出“自動化、智能化防御”的基本特征，包括實現(xiàn)對威脅態(tài)勢快速可靠的感知與生成能力、對多手段綜合運用的相干性處理與自動優(yōu)化能力等等。

基于以上理解，可界定現(xiàn)階段水下自防御系統(tǒng)的主要研究范疇是：從系統(tǒng)科學(xué)角度對探測、決策和交戰(zhàn)控制的相關(guān)技術(shù)進行頂層設(shè)計，建立具有較高智能化水平和快速反應(yīng)能力的多手段綜合防御魚雷系統(tǒng)。當(dāng)然，水下自防御系統(tǒng)目前還是一個全新的概念，不排除隨著技術(shù)的發(fā)展和觀念的更新，其外延的拓展會覆蓋到全部水下作戰(zhàn)任務(wù)的可能，甚至可能與對空自防御系統(tǒng)相集成并發(fā)展為真正意義上的“艦艇自防御系統(tǒng)”。

2 綜合防御魚雷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

多手段綜合防御魚雷技術(shù)是水下自防御系統(tǒng)的內(nèi)核，綜合防御理念的提出是針對水下防御的諸多不確定性因素而言的。水面艦船對潛射魚雷的防御手段主要包括規(guī)避機動、軟殺傷和硬殺傷3 類，在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的相當(dāng)長時期內(nèi)，歐美各國曾一度把魚雷防御器材的研發(fā)重點放在軟殺傷方面，推出了拖曳聲誘餌、火箭助飛聲誘餌、火箭助飛噪聲干擾器等各種水聲對抗器材；原蘇聯(lián)海軍則把魚雷防御器材的研發(fā)重點放在硬殺傷方面，最具代表性的就是UDAV1-M（RKPTZ-1）型火箭深彈反魚雷系統(tǒng)。進入21 世紀，世界主要海軍國家均將研發(fā)重心轉(zhuǎn)向了懸浮深彈、超空泡射彈、反魚雷魚雷（ATT）方面，從而將魚雷防御器材的發(fā)展推向了快速、精確、智能化硬殺傷攔截的新高度。

圖1 魚雷防御實施過程

水面艦船對來襲魚雷的防御并不僅僅是投放魚雷防御器材那么簡單，而是如圖1 所示包含對魚雷探測/識別/定位、信息綜合處理和決策、軟硬殺傷的實施等一系列對抗過程［2］。魚雷防御系統(tǒng)的研發(fā)正是將這些對抗功能融為一體，實現(xiàn)對來襲魚雷從探測識別到軟硬殺傷的快速反應(yīng)和綜合防御。目前，綜合防御魚雷技術(shù)正在成為水面艦船魚雷防御領(lǐng)域的重點發(fā)展方向，也就是通過合理規(guī)劃軟殺傷、硬殺傷以及規(guī)避機動等多種對抗形式，建立多層次、多手段的綜合防御魚雷對抗體系。前面提到，水下自防御系統(tǒng)是對綜合防御魚雷技術(shù)智能化水平發(fā)展到一定階段的定性描述，而這種智能化發(fā)展水平在很大程度上就體現(xiàn)在水下自防御指控功能的研發(fā)中。

3 自防御指控功能設(shè)計中主要難點

作為性能先進的魚雷防御系統(tǒng)的控制中樞，自防御指控技術(shù)的研發(fā)除了要面對信息少、精度差、態(tài)勢緊迫等傳統(tǒng)魚雷防御技術(shù)所面臨的共性難題外，還需要面對一些深層次上的技術(shù)問題——尤其是防御對象的多樣性和防御手段的相干性，并由此引出了魚雷制導(dǎo)類型識別、多手段相干性處理兩項關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 防御對象的多樣性

現(xiàn)代水面艦船所面對的魚雷威脅主要來自于敵方水下潛艇，盡管潛射魚雷技術(shù)性能已經(jīng)有了較大發(fā)展，但直航B1、聲自導(dǎo)B2、尾流自導(dǎo)B3和線導(dǎo)魚雷B4依然是現(xiàn)代潛艇反艦作戰(zhàn)的主戰(zhàn)武器。水面艦船在防御潛射魚雷過程中，只有識別出魚雷制導(dǎo)類型，才能更有針對性地確定規(guī)避機動策略并投放軟硬殺傷器材。如果不進行魚雷制導(dǎo)類型識別或錯誤地估測來襲魚雷制導(dǎo)類型，輕則會降低對抗魚雷效果——例如針對直航魚雷或尾流自導(dǎo)魚雷投放聲誘餌是毫無意義的；嚴重的則可能會加速本艦被魚雷命中——例如針對線導(dǎo)魚雷來襲而采取了防御尾流自導(dǎo)魚雷時的向雷轉(zhuǎn)向規(guī)避策略［3］。

關(guān)于如何判斷來襲魚雷制導(dǎo)類型問題，文獻［4-6］中構(gòu)建了基于戰(zhàn)技特征層信息的DS 證據(jù)推理模型，這是一種基于知識和經(jīng)驗的專家推理系統(tǒng)。其中為了降低DS 合成算法的復(fù)雜度和運算量，將傳統(tǒng)制導(dǎo)類型的識別空間簡化為{直航魚雷B1，聲自導(dǎo)魚雷B2，尾流自導(dǎo)魚雷B3，線導(dǎo)魚雷B4，未知Θ}，同時還引入了基于否定概念的確定性推理技術(shù)用于預(yù)先淘汰識別空間中的假設(shè)命題，從而實現(xiàn)了將識別結(jié)果中的確定性信度與不確定性信度分開表述。為了降低實際作戰(zhàn)中對魚雷制導(dǎo)類型識別存在遺漏、誤判的風(fēng)險，還可進一步剝離輸出結(jié)果中的不確定信度表述，則實際輸出結(jié)果可分為圖2 所示的單選、雙選、三選和全選4 組共計15 種確定性組合形式。

圖2 制導(dǎo)類型識別輸出的確定性組合結(jié)果

在自防御指控技術(shù)研發(fā)過程中，要求針對圖2所示的每種識別結(jié)果都能形成相應(yīng)的綜合防御策略，例如：在判斷來襲魚雷肯定不是直航魚雷B1和線導(dǎo)魚雷B4，但無法確定是尾流自導(dǎo)魚雷B3還是聲自導(dǎo)魚雷B2時，就需要制定針對尾流自導(dǎo)魚雷和聲自導(dǎo)魚雷的組合情形（B2B3），同時有效綜合防御策略，這樣才能確保綜合防御魚雷決策適用范圍的完整性。

3.2 防御手段的相干性

多種防御魚雷手段的綜合運用是水下自防御系統(tǒng)的一個突出特征，自防御指控功能研發(fā)的一個主要任務(wù)，就是有效把握多種防御手段之間的相干影響，通過合理規(guī)劃來降低不同防御手段之間的相互沖突，從而實現(xiàn)綜合防御魚雷效能的最大化。這些相干影響主要體現(xiàn)在工程設(shè)計和作戰(zhàn)運用兩個方面［7］。

由工程設(shè)計原因所導(dǎo)致不同對抗器材之間的沖突與干擾是先天性的，沖突形式往往取決于不同產(chǎn)品在研發(fā)階段的設(shè)計理念，一旦產(chǎn)品定型則難以更改。這類相干因素包括：由共架或共控技術(shù)而引起的發(fā)射器材種類與數(shù)量相沖突，因工作頻域相近而導(dǎo)致不同對抗器材之間的聲學(xué)兼容性沖突，因設(shè)計原因而導(dǎo)致不同對抗器材之間存在的識別與互導(dǎo)問題等等。其中有些相干因素可以通過技術(shù)改進措施予以解決，而有些則是技術(shù)層面難以克服的，只能從運用層面尋求解決途徑。

由作戰(zhàn)運用原因所導(dǎo)致不同對抗器材之間的沖突與干擾是水下自防御指控技術(shù)研究的主要內(nèi)容。這類相干因素主要是指多種防御手段在綜合運用時，可能會因時域或空域上運用不當(dāng)而未能達到預(yù)期防御效果，導(dǎo)致甚至加劇不利態(tài)勢的形成，具體包括：由各種對抗器材的不同對抗原理而導(dǎo)致對抗目的發(fā)生沖突，不同對抗手段的運用時機與次序發(fā)生沖突，不同對抗器材的布放位置形成相互干擾，以及對由規(guī)避機動所引起魚雷彈道變化連鎖效應(yīng)的利用情況等等。

4 自防御指控功能設(shè)計的基本思路

相比傳統(tǒng)的魚雷防御系統(tǒng)，人工干預(yù)的減少、優(yōu)化決策的生成、系統(tǒng)反應(yīng)的加快，是水下自防御指控技術(shù)研發(fā)的3 個基本著眼點。其中，人工干預(yù)的減少是“自動化、智能化防御”特征的根本體現(xiàn)，而人工干預(yù)的減少程度則與系統(tǒng)組成和系統(tǒng)規(guī)模密切相關(guān)，并受水下作戰(zhàn)環(huán)境的特殊性制約。例如：對于“報警聲納-控制設(shè)備-拖曳式水聲對抗器材”這種非消耗型的簡單對抗系統(tǒng)，構(gòu)建全自主型任務(wù)通道的難度并不大；而對于包含有多種消耗型對抗器材或需以規(guī)避機動相配合的綜合防御行動而言，必要的人工干預(yù)則是不可缺少的，保障系統(tǒng)高速運行的關(guān)鍵就在于能多大程度上降低人工干預(yù)的頻率、減少人工干預(yù)的時間。根據(jù)魚雷防御的一般過程分析，在整個防御系統(tǒng)已經(jīng)具備從傳感器、控制設(shè)備到各種軟硬武器一體化的物理架構(gòu)下，人工干預(yù)措施主要集中在圖3 所示態(tài)勢感知、輔助決策兩個環(huán)節(jié)。

圖3 水下自防御系統(tǒng)人工干預(yù)示意

4.1 態(tài)勢感知手段

態(tài)勢感知與態(tài)勢生成是決策制定的基本依據(jù)，魚雷防御過程中的具體態(tài)勢感知途徑主要包括圖4所示的3 種：探測方式、估測方式、綜合解算方式。

圖4 態(tài)勢感知與弱信息防御示意

所謂探測方式主要包括由被動聲納直接獲取的目標(biāo)方位或噪聲頻譜、主動聲納直接獲取的目標(biāo)距離或回波強度等信息，也包括由其他手段直接探測的目標(biāo)聲、光、磁等特征信息。直接探測所獲信息是觸發(fā)魚雷防御行動的重要依據(jù)，但是由于信息少、精度差、態(tài)勢緊迫，針對直接探測所獲信息并利用傳統(tǒng)意義上的目標(biāo)識別方法和要素解算算法往往難以及時構(gòu)造出清晰、完整的戰(zhàn)場態(tài)勢。

在直接探測所獲數(shù)據(jù)本身不能提供足夠支持下，試圖通過對傳統(tǒng)融合算法的改進來強制實現(xiàn)態(tài)勢生成，則可能導(dǎo)致態(tài)勢的失真甚至決策的失誤。在這種情況下，展開合理估測就成為了信息補充的必要手段，也就是在各種探測信息的基礎(chǔ)上通過直接估測而得出某些關(guān)鍵信息，例如人工估測給出目標(biāo)航速、距離、自導(dǎo)距離等估值信息。

所謂綜合解算方式也就是以探測信息和估測信息為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，綜合推導(dǎo)出關(guān)于目標(biāo)的其他衍生類信息，例如根據(jù)探測和估測信息求解出目標(biāo)運動要素、彈道散布［8］或制導(dǎo)類型［4-6］等等，進而形成對戰(zhàn)場態(tài)勢相對客觀的描述。

4.2 綜合防御決策

信息獲取能力始終是水下攻防對抗研究的主要焦點，但即使水面艦船能對來襲魚雷信息的獲取手段發(fā)揮到極致，在緊迫態(tài)勢下也往往難以確保態(tài)勢生成的真實性以及決策制定的正確性，這種情況下就應(yīng)將提高弱信息背景下的魚雷防御能力作為重要突破方向。弱信息防御能力的提升應(yīng)按圖4 所示從戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)兩方面著手：一是研制可滿足弱信息背景下防御魚雷作戰(zhàn)需求的新型對抗器材，二是建立可滿足弱信息背景下防御魚雷作戰(zhàn)需求的綜合防御決策。

立足于現(xiàn)有裝備技術(shù)水平，加強多種對抗手段綜合防御魚雷技術(shù)研究是當(dāng)前提高弱信息背景下防御魚雷作戰(zhàn)效能的主要途徑，也是自防御指控技術(shù)研發(fā)的一個核心內(nèi)容。需要注意的是，圖1 中防御魚雷的5 個階段在理論上雖然可以構(gòu)成多次循環(huán)過程，但在實際對抗中應(yīng)立足于一次性防御成功的理念展開技術(shù)研發(fā)和行動部署。這是因為魚雷報警聲納在發(fā)現(xiàn)魚雷來襲并持續(xù)跟蹤過程中，一旦水面艦船采取了軟硬殺傷或規(guī)避機動后，就可能導(dǎo)致目標(biāo)進入報警聲納探測盲區(qū)或探測誤差的增大，或者軟硬殺傷器材的工作噪聲干擾報警聲納對目標(biāo)的跟蹤，進而導(dǎo)致來襲魚雷信息丟失且短時間內(nèi)難以恢復(fù)聲納接觸。此外，有些防御器材的重新裝填也往往難以滿足二次攔截的時間需求。

因此，在水下自防御指控技術(shù)研發(fā)中，要求能夠提前構(gòu)建出周密細致、涵蓋全面的行動預(yù)案，確保一次生成的對抗方案快速、合理、可信度高。例如針對圖2 中魚雷制導(dǎo)類型識別的15 種結(jié)果分別構(gòu)建出本艦純機動規(guī)避、單一器材對抗和多手段綜合防御等功能模塊，這就形成了自防御指控功能核心的方法庫、模型庫、規(guī)則庫，實際對抗中可根據(jù)本艦裝備情況和具體戰(zhàn)場態(tài)勢調(diào)用相應(yīng)模塊，從而生成針對性強、可信度高的作戰(zhàn)方案。

5 對自防御指控功能的辯證理解

自防御指控功能的設(shè)計是針對一種短暫而激烈的對抗態(tài)勢展開研究，集中了從技術(shù)到戰(zhàn)術(shù)、從理論到實踐、從方法到理念等各個層面的諸多矛盾問題，其中有些問題甚至需要從辯證的角度來理解和把握，才能達到自防御指控功能設(shè)計優(yōu)化的目的。

5.1 人機結(jié)合與系統(tǒng)時效

指揮控制系統(tǒng)的自動化發(fā)展水平在很大程度上取決于戰(zhàn)場的態(tài)勢感知與生成能力，例如：防空態(tài)勢生成的清晰度和可信度高，具備構(gòu)成全自主指控作戰(zhàn)的條件；水下態(tài)勢生成的清晰度和可信度差，則很難構(gòu)建出全自動指控系統(tǒng)。因此，在魚雷防御行動中指揮員的作用是必不可少的，合理設(shè)計人工干預(yù)的節(jié)點及功能才是確保魚雷防御系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵。

正由于魚雷來襲態(tài)勢緊迫且信息模糊，水面艦艇不可能在有限時間內(nèi)，對支持決策生成的各種因素展開深入系統(tǒng)的理性分析，很多本該通過定量分析和濾波解算的問題將不得不依靠經(jīng)驗甚至直覺來處理，因此，所執(zhí)行的防御決策往往未能達到充分的成熟度。但是在涉及生死存亡的緊要關(guān)頭，依據(jù)自防御指控技術(shù)快速生成及時而不太成熟的決策，要遠比一個成熟但卻過時的決策重要得多［9-11］。

5.2 指控功能的評價標(biāo)準(zhǔn)

在已經(jīng)具備從傳感器、控制設(shè)備到各種軟硬武器一體化的物理架構(gòu)下，魚雷防御系統(tǒng)“自動化、智能化”的基本特征主要體現(xiàn)在指控功能的研發(fā)方面。但在指控研發(fā)過程中，不應(yīng)把試圖繞過指揮員的自動化、智能化作為指控研發(fā)的根本目的，確保態(tài)勢生成的真實性和決策制定的正確性，才是指控技術(shù)的核心追求。

在理想的水下自防御決策過程中，指揮員的任務(wù)應(yīng)在于人機結(jié)合地實現(xiàn)態(tài)勢感知，以獲得對當(dāng)前態(tài)勢的快速確認，而不應(yīng)為決策制定的合理性投入過多額外時間和精力；指控系統(tǒng)在人機結(jié)合實現(xiàn)態(tài)勢感知功能的同時，更重要的是提供可分辨態(tài)勢下的精細化模型庫與規(guī)則庫，并能基于所確認的態(tài)勢快速生成較強置信度的防御決策。要做到這一點，就必須將指揮員的“理解、信任與授權(quán)”作為評價指控功能的基本指導(dǎo)思想。只要態(tài)勢生成的真實性和決策制定的正確性得到指揮員的充分理解與信任，指揮員才會真正放心地授予自防御系統(tǒng)快速組織通道和協(xié)同控制武器的權(quán)力，也才能真正體現(xiàn)出自防御系統(tǒng)快速、自主、高效的防御魚雷能力。

6 結(jié)論

水下自防御系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)的涵蓋面廣、實踐要求強，以上僅是從基本概念和指控功能方面做了初步探索。后續(xù)研究中不但要結(jié)合具體裝備性能和試驗數(shù)據(jù)進行量化分析，還需要將其納入到艦船整個作戰(zhàn)系統(tǒng)層面予以宏觀把握，進而提出新理論、研發(fā)新器材、開發(fā)新功能，以推動水面艦艇魚雷防御整體技術(shù)的進步。