美國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估方法研究

杜易洋，李彥慶，史文強(qiáng)

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國船舶信息中心，北京 100012)

美國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估方法研究

杜易洋1，李彥慶2，史文強(qiáng)2

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國船舶信息中心，北京 100012)

航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估對于信息化海戰(zhàn)場中編隊(duì)兵力的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和合理配置極為重要，當(dāng)前還處在探索階段。本文研究美國航母編隊(duì)構(gòu)成和反潛裝備配置，在討論編隊(duì)作戰(zhàn)效能評估方法現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹美國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估案例，討論方法存在的不足與改進(jìn)措施，可為我國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能的評估提供參考。

航母編隊(duì)；反潛作戰(zhàn)；效能評估

0 引 言

二戰(zhàn)以來，航母編隊(duì)作戰(zhàn)成為海上作戰(zhàn)的主要方式，航母成為海上及跨洋兵力投送的主要工具。作為海軍的核心兵力，游弋在大洋上的航母及其編隊(duì)受到的主要威脅來自空中和水下，其中，潛艇兵力日益成為航母編隊(duì)遂行作戰(zhàn)使命的主要對手，反潛作戰(zhàn)能力已成為決定航母編隊(duì)生存及海戰(zhàn)勝負(fù)的關(guān)鍵[1]。為提高航母編隊(duì)?wèi)?yīng)對水下威脅的能力，在缺少實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的情況下，對多種反潛作戰(zhàn)想定進(jìn)行訓(xùn)練及評估十分必要。問題的關(guān)鍵在于如何評估日常訓(xùn)練中反潛作戰(zhàn)的效果或者效能。一般定義，作戰(zhàn)效能是系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，滿足一組特定任務(wù)要求的程度[2]，對航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能的評估是要通過一定方法衡量編隊(duì)與假想敵之間對抗程度，從而達(dá)到對作戰(zhàn)方案、反潛力量編成、裝備配置提出改進(jìn)的目的。美國海軍十分重視日常訓(xùn)練中的對抗評估，認(rèn)為評估作戰(zhàn)效能是指揮決策中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，甚至影響作戰(zhàn)結(jié)果。

目前，國內(nèi)對航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)的研究較少，多數(shù)工作集中于應(yīng)用傳統(tǒng)理論方法評估單艦、武器及艦載設(shè)備對效能的影響。本文主要針對美國航母編隊(duì)的典型配置及反潛能力進(jìn)行分析，探討航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估方法。

1 美國航母編隊(duì)及反潛能力

1.1 航母編隊(duì)構(gòu)成

航母編隊(duì)是以航空母艦為核心，搭載艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)，并配備若干水面艦艇、潛艇的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)兵力群。美國航母編隊(duì)經(jīng)歷了從航母戰(zhàn)斗群向航母打擊群的轉(zhuǎn)變。2003年伊拉克戰(zhàn)爭之后，美國海軍將原來以大洋對抗為主要作戰(zhàn)任務(wù)的航母戰(zhàn)斗群改為重點(diǎn)針對對陸打擊的航母打擊群[3]，這一改變，反映了美國海軍對作戰(zhàn)對象與作戰(zhàn)對抗環(huán)境的準(zhǔn)確判斷。與航母戰(zhàn)斗群相比，航母打擊群在艦艇配備的數(shù)量上有所減少，但更強(qiáng)調(diào)作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性，各平臺(tái)任務(wù)分工更加明確。母艦與屬艦配備的傳感器、數(shù)據(jù)鏈、通信設(shè)備等，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地探測到敵方艦船，并且精確識(shí)別、跟蹤、打擊來襲目標(biāo)。根據(jù)2005年美國政府問責(zé)署的一份報(bào)告[4]，美國航母打擊群的標(biāo)準(zhǔn)配置如表1所示。在此打擊群配置中，航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)能力主要由艦載機(jī)、水面艦及潛艇提供。

表1 美國航母打擊群配置Tab.1 The mode of U.S.navy carrier group

1.2 反潛裝備

美國航母編隊(duì)執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，“從發(fā)現(xiàn)到作戰(zhàn)”的整個(gè)作戰(zhàn)鏈可以概括為：由衛(wèi)星、飛機(jī)和水下固定式預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)略預(yù)警后，由航母編隊(duì)內(nèi)各個(gè)反潛作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行探測和打擊。因此，對于單個(gè)航母編隊(duì)而言，表征其反潛作戰(zhàn)能力的指標(biāo)可分解為空中反潛能力、水面反潛能力和水下反潛能力3個(gè)方面，如圖1所示。

美國航母編隊(duì)中反潛裝備主要有水面艦艇、反潛直升機(jī)、攻擊型核潛艇。表2給出了2011年美國海軍反潛裝備配置情況。

圖1 反潛作戰(zhàn)能力分解圖Fig.1 ASW ability hierarchy

表2 2011年美國海軍反潛裝備Tab.2 The U.S.navy anti-submarine equipment by 2011

2 編隊(duì)作戰(zhàn)效能評估方法

評估編隊(duì)作戰(zhàn)效能的方法可分為傳統(tǒng)評估法和作戰(zhàn)模擬法。目前，國內(nèi)學(xué)者多采用傳統(tǒng)理論方法評估編隊(duì)作戰(zhàn)效能，而美軍則大多應(yīng)用作戰(zhàn)模擬方法評估航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能。

由于艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)需要考慮的因素較多[5]，因此能夠用于評估這種復(fù)雜系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的傳統(tǒng)理論方法比較少，近些年，國內(nèi)一些學(xué)者對指數(shù)法[6]、數(shù)學(xué)解析法[7]、模糊綜合評估法[8]等傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能的評估研究，取得了一定的成果。對于傳統(tǒng)評估方法，其核心是評估指標(biāo)的選取和權(quán)重系數(shù)的確定。這類方法可以對難以量化的復(fù)雜問題進(jìn)行評估，條理清晰，但缺點(diǎn)是存在一定的主觀成分，人的主觀判斷、選擇和偏好對結(jié)果影響較大，這類評估方法在應(yīng)用到航母編隊(duì)作戰(zhàn)評估時(shí)，還存在較多的局限性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，作戰(zhàn)模擬已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)效能分析的最基本方法[9]，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在考慮對抗的條件下，以具體作戰(zhàn)環(huán)境和一定兵力編成背景來評價(jià)效能，生動(dòng)形象，但要想得到理想的仿真結(jié)果或數(shù)據(jù)，需要有可靠的原始資料和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為依托。美軍運(yùn)用航母編隊(duì)作戰(zhàn)的歷史長、經(jīng)驗(yàn)多，積累大量的數(shù)據(jù)，利用作戰(zhàn)模擬法進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估具有較好的基礎(chǔ)。下文選取的評估案例就在數(shù)學(xué)解析交戰(zhàn)過程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了作戰(zhàn)模擬方法[10]來評估反潛作戰(zhàn)效能。

3 美國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估案例

美國歷來重視對航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)的研究，在反潛效能評估領(lǐng)域開展了大量工作，其中James等應(yīng)用系統(tǒng)工程方法分析了美國航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)過程，提出了關(guān)于編隊(duì)配置的改進(jìn)方案，并利用層次分析法建立效能評估指標(biāo)體系，結(jié)合解析法和作戰(zhàn)模擬法評估了航母編隊(duì)的作戰(zhàn)效能。

3.1 作戰(zhàn)想定與方案設(shè)計(jì)

James等描述了作戰(zhàn)想定并提出2種配置方案來評估反潛作戰(zhàn)效能。

1)想定描述

紅方情況：某時(shí)某分，紅方航母編隊(duì)在(100×100)平方海里的海域內(nèi)執(zhí)行反潛任務(wù)，搜索并消滅敵方潛艇，編隊(duì)航速為15 kn，并認(rèn)為以航母為中心(30×30)平方海里的海域?yàn)楹侥妇庩?duì)作戰(zhàn)區(qū)域。

藍(lán)方情況：某時(shí)某分，藍(lán)方1艘常規(guī)潛艇駛?cè)爰t方航母編隊(duì)所在(100×100)平方海里的海域進(jìn)行偵察，并對進(jìn)入射程的紅方航母發(fā)起魚雷攻擊，潛艇航速為10 kn(警戒狀態(tài)下為5 kn)，下潛深度為300 m，探測依靠的是艇殼聲吶。

2)方案設(shè)計(jì)

① 標(biāo)準(zhǔn)配置方案

標(biāo)準(zhǔn)配置方案中的航母編隊(duì)包括1艘航母、4艘水面護(hù)衛(wèi)艦艇、1艘戰(zhàn)斗支援艦、艦載機(jī)。編隊(duì)內(nèi)反潛力量為驅(qū)逐艦和巡洋艦，它們利用艦首聲吶探測跟蹤潛艇，打擊武器為“阿斯洛克”反潛火箭，各個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的位置分布如圖2所示。

圖2 航母編隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)配置俯視圖Fig.2 The plan view geographic depiction of the baseline alternative

② 反潛巡邏機(jī)方案

此方案在標(biāo)準(zhǔn)配置方案的基礎(chǔ)上，在航母編隊(duì)作戰(zhàn)區(qū)域外圍增派反潛巡邏機(jī)，巡邏機(jī)配備光電被動(dòng)反潛系統(tǒng)(EPAS)，能夠獨(dú)立探測并消滅潛艇，巡邏機(jī)防御層示意圖如圖3所示。

3.2 建立效能評估指標(biāo)體系

根據(jù)層次分析法中評估指標(biāo)體系的建立原則，綜合考慮與航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)相關(guān)的作戰(zhàn)能力，建立了航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，由于案例選用航母存活概率來衡量作戰(zhàn)效能，在結(jié)果有明顯差異的情況下，不需對比底層指標(biāo)。所構(gòu)建的指標(biāo)體系如圖4所示。

圖3 反潛巡邏機(jī)方案示意圖Fig.3 The plan view of MPA alternative

圖4 反潛作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系Fig.4 ASW effectiveness objectives hierarchy

3.3 計(jì)算各方案反潛作戰(zhàn)效能

對航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)方案進(jìn)行評估計(jì)算的過程中，標(biāo)準(zhǔn)配置方案反潛作戰(zhàn)效能的評估計(jì)算利用作戰(zhàn)模擬的方式進(jìn)行，其余方案由于是在標(biāo)準(zhǔn)配置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用幾何解析的方法計(jì)算改進(jìn)部分所提升的反潛作戰(zhàn)效能。

1)標(biāo)準(zhǔn)配置方案評估

圖5 標(biāo)準(zhǔn)配置方案交戰(zhàn)模型基本流程Fig.5 Baseline engagement model block diagram

利用數(shù)學(xué)解析法對航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)過程中武器特性與作戰(zhàn)效能指標(biāo)之間存在的函數(shù)關(guān)系做出分析，得到包括位置移動(dòng)、目標(biāo)探測、攻擊決策等環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，并利用建模工具進(jìn)行建模仿真，從而得到各底層指標(biāo)的數(shù)值，以及對抗的總效果，即航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)成功阻止敵方潛艇向航母發(fā)射魚雷的概率。

模擬對抗過程的基本流程如圖5所示，航母編隊(duì)中各水面艦艇和敵方潛艇位置信息的求取是模型的核心。計(jì)算公式如下：

X(I)=X(I)+V(I)cos(φ(I))ΔT，

(1)

Y(I)=Y(I)+V(I)sin(φ(I))ΔT。

(2)

式中：X為作戰(zhàn)平臺(tái)的橫向坐標(biāo)；Y為作戰(zhàn)平臺(tái)的縱向坐標(biāo)；I為各個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的名稱(潛艇、航母、驅(qū)逐艦、巡洋艦)；V為各作戰(zhàn)平臺(tái)的航速；T為時(shí)間間隔。

當(dāng)平臺(tái)位置隨時(shí)間發(fā)生改變時(shí)，航母編隊(duì)中各作戰(zhàn)平臺(tái)與敵方潛艇之間的距離也相應(yīng)變化，這個(gè)距離的計(jì)算方法為：

(3)

式中：I為平臺(tái)名稱(航母、驅(qū)逐艦或巡洋艦)；R為平臺(tái)I與敵方潛艇之間的距離；X(I)為平臺(tái)I的橫向坐標(biāo)；Xs為敵方潛艇的橫向坐標(biāo)；Y(I)為平臺(tái)I的縱向坐標(biāo)；Ys為敵方潛艇的縱向坐標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)配置方案中，驅(qū)逐艦和巡洋艦利用主動(dòng)球首聲吶探測目標(biāo)，敵方潛艇利用艇殼被動(dòng)聲吶探測目標(biāo)，探測模型需要用到的聲吶方程如下：

FOM(背景為混響時(shí))=SL+TS-RL-DT，

(4)

SE=SL-2PL-RL-DT。

(5)

式中：FOM為優(yōu)質(zhì)因數(shù)；SE為信號余量；SL為發(fā)射聲源級；PL為傳播損失；TS為目標(biāo)強(qiáng)度；RL為混響級；DT為檢測閾。

探測過程假定為在一個(gè)固定的、區(qū)域獨(dú)立的、等速的聲速剖面內(nèi)發(fā)生。

攻擊過程分為規(guī)劃武器路徑、決定攻擊及確定結(jié)果3個(gè)階段。

在規(guī)劃武器路徑階段，攻擊目標(biāo)的非瞄準(zhǔn)線方向速度和武器航向的計(jì)算方法為：

VTy=VT(CSET-BT)，

(6)

(7)

式中：VTy為目標(biāo)非瞄準(zhǔn)線方向速度；VT為目標(biāo)航速；CSET為目標(biāo)航向；BT為目標(biāo)方位；CSEW為武器航向；VW為武器航速。

攻擊目標(biāo)和武器在瞄準(zhǔn)線方向的速度以及武器航程計(jì)算方法為：

VTx=VTcos(BT-CSET)，

(8)

VWx=VWcos(CSEW-BT)，

(9)

(10)

式中：VTx為目標(biāo)瞄準(zhǔn)線速度；VT為目標(biāo)速度；VWx為武器瞄準(zhǔn)線速度；DW為武器航程；RT為目標(biāo)航程。

決定攻擊的過程主要考慮目標(biāo)是否在射程內(nèi)，以及是否收集到足夠數(shù)據(jù)支持精確發(fā)射武器。如果紅方潛艇在發(fā)射武器前被擊中，則認(rèn)為藍(lán)方勝；若紅方潛艇在被擊中前向航母發(fā)射了武器，則認(rèn)為紅方勝。

采用作戰(zhàn)模擬工具，對交戰(zhàn)過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，可求得標(biāo)準(zhǔn)配置方案下航母編隊(duì)的反潛作戰(zhàn)效能。

2)反潛巡邏機(jī)方案評估

反潛巡邏機(jī)方案是在標(biāo)準(zhǔn)配置的基礎(chǔ)上增派了配備光電被動(dòng)反潛系統(tǒng)(EPAS)的反潛巡邏機(jī)，相當(dāng)于在航母編隊(duì)外圍增加了防御層。假設(shè)反潛巡邏機(jī)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后有足夠能力消除威脅，則可以將衡量此方案作戰(zhàn)效能的指標(biāo)設(shè)定為探測到敵方潛艇的概率。

在此方案中，反潛巡邏機(jī)探測到敵方潛艇的概率取決于敵方潛艇處于潛望狀態(tài)的時(shí)間、光電被動(dòng)反潛系統(tǒng)(EPAS)掃探寬度及反潛巡邏機(jī)的航行特點(diǎn)等因素。

計(jì)算方法為：

(11)

式中：P(d)為反潛巡邏機(jī)探測到敵方潛艇的概率；P(exposure)為潛艇在潛望狀態(tài)下被反潛系統(tǒng)探測到得概率；tt為潛艇駛過戰(zhàn)區(qū)所用時(shí)間；tc為反潛巡邏機(jī)巡航1周所需時(shí)間。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式中，可求得反潛巡邏機(jī)探測并消滅敵方潛艇的概率，再與標(biāo)準(zhǔn)配置方案的結(jié)果相結(jié)合，便得到該方案總的作戰(zhàn)效能。

3.4 評估方法總結(jié)

通過以上分析可看出：

1)案例在評估過程中主要應(yīng)用了解析方法，對武器特性與給定條件之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行描述，建立數(shù)學(xué)模型，求解效能指標(biāo)值，這種方法計(jì)算思路清晰，容易使人理解，操作簡單，結(jié)果直觀。但傳統(tǒng)的解析法在評估作戰(zhàn)效能時(shí)無法考慮對抗條件，標(biāo)準(zhǔn)配置方案的評估中在解析法的基礎(chǔ)上，又應(yīng)用作戰(zhàn)模擬法，將交戰(zhàn)過程動(dòng)態(tài)化，解決了這一問題。

2)案例中使用航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)的總體效果來衡量作戰(zhàn)效能，即以敵方潛艇被消滅的概率表示反潛效能，弱化了層次分析法的作用，考慮的影響因素不夠全面，沒有考慮海上作戰(zhàn)復(fù)雜的環(huán)境因素以及作戰(zhàn)人員的因素等，因而應(yīng)該建立一個(gè)新的效能評估指標(biāo)體系，將一些需要定性分析的因素考慮進(jìn)來，并引入新的方法對這些因素進(jìn)行分析，如模糊綜合評估法、德爾菲法等。

3)限于建模工具的功能，在作戰(zhàn)模擬的過程中設(shè)定的限制條件較多，例如不考慮航母自身防御能力、作戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)路徑單一等，這一問題可以考慮通過引入功能更強(qiáng)、更專業(yè)的建模仿真系統(tǒng)，對作戰(zhàn)過程進(jìn)行更精確的模擬。

4 結(jié) 語

航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能的評估涉及較多影響因素，具有非線性、多層次、協(xié)同化等特點(diǎn)，使用單一評估方法進(jìn)行評估不能滿足要求，傳統(tǒng)方法雖然在評估過程中存在一定的主觀成分，但在一定程度上解決了編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估中遇到的問題。因此，應(yīng)該根據(jù)航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)特點(diǎn)，綜合運(yùn)用各種效能評估方法。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對新方法的探索及應(yīng)用，更好滿足航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能評估的要求。

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Research on the evaluation method for anti-submarine warfare effectiveness of US aircraft carrier strike group

DU Yi-yang1，LI Yan-qing2，SHI Wen-qiang2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China; 2.Shipbuilding Information Center of China，Beijing 100192，China)

The anti-submarine warfare operational effectiveness evaluation for aircraft carrier group is extremely important for tactics in the war, and it is currently under discussion.This paper analyzes the structure of US aircraft carrier fleet and anti-submarine equipment configurations.The paper illustrates the anti-submarine warfare effectiveness evaluation method which has been used by US researchers and discusses the disadvantages of methods.It can be used as a reference for China carrier group anti-submarine warfare effectiveness evaluation.

aircraft carrier；anti-submarine warfare；effectiveness evaluation

2015-07-10

杜易洋(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

U661.4

A

1672-7649(2015)10-0165-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.10.035